充填體內巷道掘進預支護方案優化選擇

蔣宗旋，蘇 環，黃永慶

(山東黃金礦業(萊州)有限公司新城金礦， 山東萊州市 261438)

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，對資源的需求量越來越大［1］。礦山回采礦體之后，地下巖體的整體性發生破壞，在一定范圍內的巖體中應力重新分布，局部地區還可能出現應力集中的現象，力學環境相當復雜。而且，在開采礦體時，為保證采場的穩定性，采場留設頂底柱、間柱、不規則點柱等，這些殘留的礦體統稱為二次資源。對充填法采礦的礦山而言，采空區用充填體處理，現在二次采礦的工作就是回采在充填體中的二次資源［2］。為了回采二次資源，必須要解決充填體內巷道施工技術及保證巷道穩定。然而由于充填體本身強度比較低，塑性流變大，在其內開挖巷道后，圍巖向開挖空間移動變形，變形量隨時間增大，甚至可能把整個巷道完全封閉;同時充填體內巷道變形呈現蠕變變形特征，具有明顯的時間效應，初期來壓快，收斂變形大，巷道自穩能力差，如不加支護，很快會發生頂板冒落、邊墻彎曲，最終導致巷道破壞。

新城金礦上世紀80年代采用上向水平分層充填采礦法［3］，在淺部充填體及其周圍散布了多個礦石殘柱及破碎體，這部分資源具有品位高，儲量多的特點。據前期勘測資料顯示，－10～－120 m中段167#～191#柱之間高110 m、長380 m范圍內，金礦平均品位7.0 g/t以上，殘柱礦石量達40000 t左右，折合金屬量達280 kg，由此可見二次資源回收的經濟價值是巨大的。因此，本文對新城金礦充填體內巷道掘進預支護方案展開研究，提出安全合理的支護方案。

1 充填體內巷道失穩變形特征

1.1 影響充填體內巷道穩定的因素

影響充填體內巷道穩定的因素有充填體性質、上覆巖層應力、工程因素、時間因素、地下水等因素，其中最主要的是充填體性質和上覆巖層應力。

(1)充填體性質。一般來說，工程巖體的穩定性主要視巖體的強度及變形特性與開挖后重新分布的圍巖二次應力互相作用的結果而定。前者強于后者則穩定，后者強于前者則失穩。充填體的強度非常低，具有重塑性、強脹縮性、易觸變性及流變性等特有性質，因此，在充填體內掘進巷道，極容易發生跨冒。

(2)上覆巖層應力。在充填采礦法中，充填體的作用主要是對圍巖的限制作用和與圍巖的共同作用，即一方面阻止和限制圍巖發生變形和位移，另一方面又與圍巖共同承載，提高承載能力，共同維護采場穩定。在一次采礦中，圍巖應力已經釋放，因此，在充填體內掘進巷道只承受上覆巖層應力。

充填體內巷道的失穩是由于巷道開挖引起的應力重分布超過充填體強度而導致充填體過分變形造成的，應力重分布是否會達到危險的程度由初始應力的方向、量值和性質而定，所以上覆巖層應力是控制巷道圍巖穩定的基本因素之一。在充填體中，圍巖應力重分布后會產生較大的塑性區及松動區，引起圍巖隨時間而增長的大變形，直至擠壓破壞，在頂部表現為塌落，在側幫產生擠壓破壞。

1.2 充填體內巷道變形破壞特征

充填體內巷道的變形破壞特征不僅受充填體力學性質的影響，而且受所處的地應力環境和工程因素等的影響。總結國內外充填體內掘進巷道的工程經驗，充填體內巷道變形破壞特征如下:

(1)變形破壞形式多。變形破壞的形式有巷道直接跨冒破壞、巷道頂板在拉應力作用下的跨冒破壞、巷道兩幫在壓剪應力作用下的片幫破壞、巷道流變變形破壞等。

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(2)變形量大。由于充填體強度非常低，巷道自穩能力弱，巷道開挖后很短時間即開始跨冒，甚至將巷道堵死，拱頂下沉位移量達40～100 cm。

(3)變形速度高。一經開挖后，初期巷道收斂速度快，即使是對巷道進行支護以后，巷道的變形速度依然很快。

(4)持續時間長。對充填體這種軟破介質而言，不僅變形量大，而且具有明顯的時間效應，其變形為不穩定的蠕變變形，持續時間較長。

(5)來壓快。充填體內巷道變形收斂速度高，在很短的時間內，圍巖即與支護結構接觸，產生壓力。圍巖與支護結構相互作用后，變形繼續發展，到一定程度后巖體會發生離層，原來的承載圍巖轉變為荷載作用在支架上，由此產生的壓力為松動地壓，它很快轉變為變形地壓，增大了圍巖的失穩性。

2 充填體內巷道預支護方案優選

2.1 預支護方案設計

針對充填體內巷道變形特征，結合新城金礦充填體的特點，以及回采工作對巷道穩定性的基本要求，并結合國內外先進的支護技術和發展方向［4，5］，新城金礦優先采用的預支護形式主要有以下3種:

(1)超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護。該支護方案就是在緊臨掌子面先安設一架25U型鋼拱架，然后以25U型鋼拱架為支點，沿巷道頂板打超前鋼管，鋼管長度1.5 m，上仰角度6°左右，環向角度15°，縱向間距100 mm，每排平均13根Ф50 mm的鋼管，具體布置如圖1所示。

(2)U型鋼拱架插板法。該支護形式與超前鋼管法原理基本相同，只是所采用的材料有所不同。該方法以U型鋼拱架為骨架，背后采用密集的鋼板和木板來封閉頂板與兩幫，以防止松散的充填體冒落與流出。具體支護工藝與參數為:U型鋼拱架緊臨掌子面架好后，在其頂梁上前方充填體內插入鋼板，同時在U型鋼拱架兩幫沿巷道方向插入木板，每次進尺1 m左右。U型鋼拱架采用25U鋼，每架間隔1 m，鋼板厚10 mm，長度1.5 m，木板規格為寬250 mm，厚30 mm，長1 m。此種超前支護方式尤其適用于極為松散的礦巖體的開挖。

圖1 超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護(單位:mm)

預支護方案充分考慮了充填體自穩性差的特性，以防在開挖時巷道輪廓尚未形成便垮塌了，所以采用此種形式加固的目的是暫時穩住上覆巖層，然后在此預支護后的充填體內掘進巷道，安全性系數明顯提高。

圖2 超前混凝土拱支護(單位:mm)

2.2 預支護方案的優選

在技術上和經濟上比較上述3個預支護方案，結果見表1。

表1 3種方案比較表

從表1可知，第3種方案最經濟，但是對于充填體這種軟破介質來說，當來壓增大時，作用在支護結構上的力將大為增加，有破壞支護結構的危險，安全系數不高。而對于第1種方案，它雖然經濟上比較高，但是利用鋼管的高抗彎性能，對待開挖的巷道能夠起到很好的預支護作用，因此，本文選用第一種方案進行預支護。

3 預支護方案的驗證

對于上面選定的預支護方案，即超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護，應用力學理論對其進行驗算。根據圖1的預支護結構，將其等效為外伸梁結構模型，如圖3所示。

圖3 等效力學模型

將外伸梁AC看作是由簡支梁BC和固定在B處的懸臂梁AB組成。

在圖4(a)中，將AB段的均布力等效為剪力FQ和彎矩

在彎矩M作用下，可得出B處的轉角為:

在均布力q作用下，可得出B處的轉角為:

將(1)和(2)疊加，得出M和q共同作用下B

處的轉角為:

圖4 力學模型分析

懸臂梁AB整體轉動了一個θB，則與轉角θB相應的A處的撓度為:

在圖4(b)中，在均布力q作用下，懸臂梁AB的端點A撓度為:

將(4)和(5)疊加，得出A處最終的撓度為:

將 l1=0.6 m，l2=0.9 m，q=2.13 ×103×20 ×9.8 kN/m=417.48 kN/m(最壞的情況)，E=170代入公式(6)中，得出:

由結果可知，當鋼管總長度為1.5 m時，A處的撓度為62.6 mm，而相鄰鋼管縱向之間的距離為100 mm，即A處最大位移不超過相鄰鋼管間的距離，滿足工程上的要求，因此選定的預支護方案─超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護是可行的。

3 結論

(1)影響充填體內巷道穩定性的主要因素是充填體自身強度和巷道上覆巖層應力，且充填體內巷道穩定性差，破壞形式多種多樣;

(2)針對充填體內巷道變形特征，結合新城金礦充填體的特點以及回采工作對巷道穩定性的基本要求，綜合比較提出安全合理的預支護方案─超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護;

(3)建立力學模型，應用力學理論對所選支護方案進行計算，分析得出所選方案滿足工程要求，即超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護是安全經濟合理的支護方案。

［1］古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術［M］.北京:冶金工業出版社，2006:10-35.

［2］于潤滄.采礦工程師手冊(下)［M］.北京:冶金工業出版社，2009:21-30.

［3］崔棟梁，李夕兵，趙國彥.新城金礦難采礦體采場結構參數數值模擬分析［J］.江西有色金屬，2006(03):13-17.

［4］馮盼學，楊小聰，解聯庫，等.常規支護技術在充填體巷道或硐室中的創新應用［J］.有色金屬(礦山部分)，2014(01):1-4.

［5］馬 光，張小剛，朱 偉.充填體內開挖巷道的數值模擬穩定性分析［J］.中國高新技術企業，2012(18):70-71.