陈耳金矿深部开采巷道支护技术优化及应用.pdf

2018年 第 4 期/第 3 9 卷2018年 第 4 期/第 3 9 卷 黄 金黄 金 GOLD 米 矿 工 程米 矿 工 程3131 陈耳金矿深部开采巷道支护技术优化及应用 李 江 1 刘龙琼1 繆国卫1 何号学2,李明华2 1.长春黄金研究院有限公司； 2.陕西鑫元科工贸股份有限公司） 摘要 陈耳金矿已进入深部矿体开采阶段， 井下岩爆现象时有发生， 严重威胁到井下安全生产。 为选择合适的井下巷道支护方式， 采 用Flac3D软件模拟喷锚网联合支护对深埋巷道地应力分布的 影响， 然后针对喷锚网设计参数进行合理的优化。通过井下现场应用， 采用喷锚网联合支护技术大 大提高了岩爆区域巷道顶板及两帮的稳定性及可靠性。 关键词 深部开采;深埋巷道;岩爆； 支护； 喷锚网； 地应力 中图分类号TD353 文章编号 1001 -1277201804 -0031 -05 文献标志码A doi 10. 11792/hj20180408 陕西鑫元科工贸股份有限公司陈耳金矿（ 下称 “ 陈耳金矿” 地处秦岭山脉， 由于生产需要， 开采深 度逐步加深， 地应力随之增大， 导致大部分脆性石英 岩， 产生了岩爆现象， 不仅影响正常掘进生产， 还威胁 到人员安全。因此， 针对该矿山深埋巷道支护研究迫 在眉睫， 优化现有支护参数， 力求对岩爆高发地段巷 道进行有效支护。 1工程背景1工程背景 1-1 开采现状 目前， 陈耳金矿探矿深度已超千米， 开拓深度已 接近1 000 m， 进入深部矿体开采阶段。由于在深井 “ 三高” 下开采， 地下硐室开挖的稳定性问题开始凸 显 ， 高地应力导致在进行井下工程作业时， 岩爆现象 时有发生， 该现象主要发生在18坑 943 m、 800 m、 620 m、 580 m中段及2 1 坑 850 m中段、 750 m中段。 岩爆现象具体表现有 1 在大断面巷道岩爆表现尤为突出， 正在施工 的马头门外延、 车场巷道顶部及两帮出现片状脱落、 碎片急速飞离现象。 2 正在施工的巷道顶部脱落比两帮更为严重， 超过实际施工高度30 以上， 严重影响井底车场混 凝土假顶的浇筑工作。 3 在伟晶岩脉、 煌斑岩脉及石英岩脉交汇部位 属于岩爆的高发区， 片帮及冒顶现象严重。 4 在断层交错部位施工巷道时， 岩爆现象主要 集中在巷道边帮， 两帮片状剥落严重。 1-2 开采技术条件 陈耳金矿的矿体严格受剪切构造带控制， 表现为 早期的韧性剪切带经后期脆韧性变形叠加而形成张 性扩容空间， 空间上具密集成群、 平行排列的特点， 金 矿化主要赋存于含金石英脉内， 金属矿物以黄铁矿为 主。其中， 长石石英岩抗变形能力差， 在高地应力情 况下， 易变形脱落形成岩爆， 岩性较差， 需要进行相应 强度的支护。矿脉走向10 200。 ， 倾 角 35。 55。 ， 脉厚 0.50 1. 16 m,最厚达 6 8 m。 2 巷道支护数值模拟2 巷道支护数值模拟 本次模拟18坑 580 m水平巷道， 巷道为半圆拱 型， 规 格 2. 4 m X2. 6 m。模 型 范 围 长 10. 4 m,宽 5 m,高8.6 m,模型共214 400个单元， 220 065个节 点。设计地表标高为1 532 m， 上部岩体对巷道的作 用力通过施加竖向应力实现。 2.1力学参数 本次模拟主要岩性为较易发生岩爆现象的长石 石英岩， 通过室内试验， 得到模型的岩石力学参数， 见 表1。 表 1岩石物理力学性质试验结果 块体密度/抗拉强度/ 抗压强度/ 弹性模量/ , 4 泊松比 MPa MPa 104MPa 抗剪断强度 g * cm3 p/〇 。 C/MPa 2.636.30 88.9 2.69 0.214316.9 2.2 边界条件 在模型的左右边界、 前后边界及底边界采用零位 移边界条件， 具体为 1左右边界取m0， 0，w0m为 * 方向位 移 ， ， 为y方 向 位 移 为z方向位移） ， 即单约束边 界[1-3]。 收稿日期018-01 -15;修回日期2018 -03 -09 作 者 简 介 李 江 1986）男 ， 河北武安人,工程师， 硕士,从事采矿工艺研究;长春市南湖大路6760号 ， 长春黄金研究院有限公司采矿研究所, 130012 ； E-mail ljiang5120 163. com 采 矿 工 程采 矿 工 程黄 金黄 金 1 前后边界取〇,〇，〇。 3底边界取 奶 0 ， 为全约束边界。 2.3 模拟结果分析 2.3.1 支护工程 巷道采用喷锚支护， 锚杆长1.8 m， 垂直巷道壁， 锚 杆孔口间距约1 m， 每排安装6 根， 排距1 m， 共设6 排。 巷道顶板和两帮采用混凝土喷浆， 喷浆厚度1 c m。 根据实际施工顺序， 模拟掘进及支护工程见图1。 图1模拟巷道掘进及喷锚支护工程 2.3.2 支护效果 18坑 580 m水平距离地表约1 k m， 在巨大的地 应力影响下， 该水平掘进巷道偶有岩爆现象发生， 大 部分区域巷道掘进后都需要进行锚网、 喷锚支护， 对 于喷锚支护的效果进行模拟分析， 既能够直观地看到 支护效果， 又能够在一定程度上指导实际工作， 使巷 道支护更加科学、 合理。 1 巷道掘进2 m后不支护与支护效果对比。z方 向应力云图见图2,位移云图见图3。 从图2 可以看出， ， 方向应力在掘进后， 除了通常 认为的巷道拱顶受力外， 巷道的拱肩和底角由于应力 集中， 同样受到了很大的应力。通过图2 -a和图2- b的对比可以看出在进行喷锚支护后， 巷道拱顶z方 向高应力区变小， 巷道拱肩和底角应力集中现象得到 缓解[4]， 应力均勻分布， 应力最大值降低了约5 M Pa。 从图3 -a可以看出， 掘进后， 巷道拱顶、 底和两 帮产生了一定程度的位移。通过图3 - a和 图 3 - b的对比可以看出， 进行喷锚支护后， 巷道拱顶z方 向位移减小了 0. 1 m m。 图2 z方向应力云图 图3 z方向位移云图 2018年 第 4 期/第 3 9 卷2018年 第 4 期/第 3 9 卷采 矿 工 程采 矿 工 程3333 为了进一步了解支护前后巷道拱顶和两帮位移 变化， 进行支护模拟时， 在巷道顶板和右帮设置了位 移监测点。1 m处监测点位移变化曲线见图4。 通过图4 -a与图4 -b的对比可以看出， 巷道 方向位移变化曲线 支护后， 在位移曲线中可以明显地看到1 个转折点。 这是在施加初期支护后对围岩变形的限制， 阻止了围 岩的进一步变形所致。 2锚杆、 喷浆体受力模拟分析。巷道支护采用 a平 均 轴 向 力 预应力水泥卷锚杆， 锚杆平均轴向拉力为正、 压力 为负， 在锚杆四周画出锥圆柱体来描述水泥浆应 力 ， 圆柱半径大小与应力大小有关[5]。其受力情况 见图5。 b水 泥 浆 应 力 状 态 图5锚杆受力模拟 从图5 - a可以看出 锚杆轴向受力均为拉力， 巷道顶板锚杆平均轴向受力大于两帮锚杆轴向力， 锚 杆受最大拉力为1 0 k N。从图5 -b可以看出， 锚杆 水泥浆应力为0.97 M P a。 巷道在安装完锚杆后进行喷浆， 喷射混凝土 1 c m。喷浆体位移云图见图6。 从图6 - a可以看出在竖直方向（z方向） 上 ， 巷 道拱顶水泥喷浆体位移大于巷道两帮， 且由巷道掌子 面向外拱顶位移逐渐增大， 最大位移值为1.5 m m。 从图6 -b可以看出 在水平方向（ ％方向） 上 ， 巷道 两帮水泥喷浆体位移大于顶部， 并且由巷道掌子面向 外两帮位移逐渐增大， 最大位移值为0.21 m m。 3全长开挖5 m巷道不支护与支护效果纵深方 向对比。实际巷道掘进过程中， 采用先掘进， 再支护， 然后继续掘进的流程。纵深方向上， 远离巷道掌子面 的支护工程， 随时间增加， 其受力、 位移和新暴露面相 比会有所不同。全长开挖5 m巷道不支护与支护应 力纵深方向对比见图7 ， 位移云图对比见图8。 从图7、 图 8 可以看出 纵深方向上， 随时间增 加 ， 旧暴露面高应力和大位移范围比新暴露面大;及 时有效的支护能够在一定程度上缓解地应力对巷道 的作用， 使其受力均勻、 位移减小， 有效地保证巷道掘 进工作顺利开展。 3 支护方案优化及应用 根据Flac3D数值模拟结果， 研究决定采用管缝式 ３ ４ 采 矿 工 程 黄 金 图 ６ 水泥喷浆体位移云图 图 ７ 全长开挖 ５ｍ巷道纵深方向应力云图 图 ８ 全长开挖 ５ｍ巷道纵深方向位移云图 锚杆和水泥卷锚杆对井下岩爆区域巷道进行支护。 根据管缝式锚杆和水泥卷锚杆现场支护的效果及出 现的问题， 对巷道支护方式进行优化改进。 １ ） 支护方式为锚网支护时， 在巷道顶帮较为平 整且顶板较低时优先采用水泥卷锚杆； 在巷道顶帮凹 凸不平且顶板过高， 水泥卷锚杆施工困难时， 优先采 用管缝式锚杆。２种锚杆可视现场情况灵活应用， 也 可进行联合支护应用。 ２ ） 支护方式为喷锚网支护时， 由于水泥卷锚杆 不能将金属网更为密实地压紧于巷道顶帮， 会给后续 喷浆支护带来不便， 因此优先选择管缝式锚杆进行喷 锚网联合支护， 在顶帮平整度较好时， 也可选择水泥 2018年 第 4 期/第 3 9 卷2018年 第 4 期/第 3 9 卷采 矿 工 程采 矿 工 程3535 卷锚杆支护。在进行喷锚网联合支护时， 管缝式锚杆 的支护网度间排距均为8 0 〜1 000 m m， 锚网支护完 成后尽快进行喷浆作业。 3 在节理裂隙较为发育的区段， 优先采用水泥 卷锚杆支护， 提高支护强度， 避免巷道后期变形对锚 杆锚固力造成较大影响。 4 现阶段陈耳金矿井下应用的水泥卷锚杆杆体 为令18 m m x 1 800 m m的螺纹钢， 未加装挡浆环。改 进 增 加 杆 体 长 度 至 0 〇 〇 〇 m m， 并在距锚杆顶端 600 m m处焊接加装038 m m挡浆环。挡浆环能够进 一步挤压锚杆孔内的水泥卷， 使水泥浆渗入岩壁裂隙 中将锚杆和岩壁黏结成为更致密的整体， 提高锚固 力。同时， 目前井下施工水泥卷锚杆时， 单个锚杆孔 填入的水泥卷已达到9 卷 ， 锚固长度达到1. 0 m以 上 ， 可减少至0 卷 ， 锚固长度达到0. 8 m， 能满足支护 要求;在加装挡浆环的情况下， 可将单孔水泥卷量减 少至5 卷 ， 锚固长度达到0. 0 m， 即可满足支护要求。 管缝式锚杆和水泥卷锚杆联合支护现场应用效 果见图9。 图9巷道联合支护现场应用照片 通过联合支护方式， 大幅度提高了岩爆高发区整 体的支护强度， 加强了巷道的稳定性， 有效地消除岩 爆对人员及设备造成的危害，取得了良好的现场应用 效果。 4 结 论 1通过对巷道喷锚支护进行Flac3D数值模拟， 不 仅清晰地展现了巷道掘进时的受力与位移状态，还直 观地体现出锚杆、混凝土浆体在支护中所起到的作 用 ， 从而科学、 合理地指导现场工作。 0在巷道掘进初期，巷道拱肩和底角应力集中 区受到的应力较大， 属于不稳定区域， 在进行拱肩支 护时， 一定要注重支护质量，必要时应增加支护强度。 拱形巷道拱顶受力较均勻，视围岩破碎程度进行合理 支护。 3 通过锚杆的受力模拟、 混凝土浆体位移变化 模拟可以看出合理的支护可以有效地改善围岩应力 状态， 能够限制围岩变形。其中， 锚杆在支护中起到 了支承、 悬吊的作用， 施加过预应力的锚杆还可以向 围岩施加压力，使处于二轴应力状态的巷道内围岩保 持三轴应力状态，从而制止围岩强度的恶化。 4 在巷道掘进后应力场发生调整， 围岩向巷道 内收敛发生一定的变形， 以释放部分应力， 从时间角 度上，及时进行喷锚支护，可以有效地阻止巷道进一 步变形，为后续施工的安全性提供保障。 [参考文献] [1 ] 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等.深部开采岩体力学研究[J].岩 石 力学与工程学报， 2005,2410 0 803 -0 813. [0]何满潮，齐干，许云良，等.深部软岩巷道锚网索耦合支护设计 及施工技术[J ] 煤炭工程， 2007 3 30 - 33. [ 3 ] 刘泉声， 张华， 林涛.煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策[J] . 岩石力学与工程学报， 2004,0301 3 730 -3 737. [4] 孙晓明， 何 满 潮 .深 部 开 采 软 岩 巷 道 耦 合 支 护 数 值 模 拟 研 究 [J] . 中国矿 业 大 学 学 报 ， 2005,340 37 -40. [5] 杨超， 姜耀东.软岩巷道锚注支护机理的数值分析[J].矿 山 压 力与顶板管理， 19991 10 -15. Research and application of deep mining roadway support technology in Chener Gold Mine Li Jiang1， Liu Longqiong1， Miao Guowei1， He Haoxue0， Li Minghua0 1. Changchun Gold Research Institute Co.,Ltd.； 0. Shaanxi Xinyuan Technology’Industry and Trade Co. , Ltd. Abstract Chener Gold Mine has entered deep mining, and the underground rock burst occurs frequently, which seriously threatens the safe operation in underground mines. To choose the right means of underground roadway sup port ，n this paper,Flac3D software is used to simulate the effect of shotcrete-bolt-mesh support on the ground stress dis tribution of the deep buried roadways. Then the parameters of the shotcrete-bolt-mesh support process are reasonably optimized. Field application in underground mines show that the shotcrete-bolt-mesh combined support technology greatly improves the stability and reliability of the roadway roof and sides in rock burst areas. Key words deep mining ； deep buried roadway ； rock burst ； support ； shotcrete-bolt-mesh support ； ground stress 编辑张小瑞）