新型長錨索預加固合成采礦技術研究

李偉明 王明勤 王小軍 賴 偉

（1.中國五礦長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙410012；2.山東黃金礦業（鑫匯）有限公司，山東青島266715）

紹興平水銅礦是一個年處理20萬t礦石的中型礦山，自1970年建成投產以來，采礦方法主要為空場采礦。由于深部-385 m水平采場頂柱和上盤圍巖不穩固，造成采場垮塌等危害，礦山目前不具備充填采礦條件，所以必須研究較好的采場圍巖控制措施，方可保證后續采場在空場條件下生產的安全技術經濟指標。

1 巖體工程地質條件

（1）礦體圍巖主要為蝕變花崗巖巖組、千糜巖巖組、礦巖巖組、斜長花崗斑巖巖組、淺變質中酸性火山碎屑熔巖巖組。近礦上盤圍巖主要為斜長花崗斑巖和千糜巖，其巖層的穩定性較差，開采過程中容易出現垮冒和掉塊現象。

（2）運用Q系統、RMR分級、RQD值分級3種分級方法，對礦山井下巖體進行分級，得出了蝕變花崗巖巖組為中等巖體，千糜巖為差巖體，礦體、斜長花崗斑巖巖組為中等巖體、碎屑熔巖巖組為穩定巖體。

（3）對礦山地壓活動規律調查分析發現：千糜巖巖組巖體整體強度低、巖層風化、片理化嚴重，是重要不利因素，對采場的穩定性有直接影響，容易引起巖體沿軟弱結構面滑移現象。

2 新型長錨索預加固方案簡介

為控制采場上盤圍巖的移動，開發巖層加固—礦石回采復合新技術，即直接將崩礦炮孔穿進上盤圍巖，圍巖中的炮孔段用作錨固孔，礦體中的炮孔段用作正常的崩礦孔，以提高回采的安全性、大大降低開采支護成本。

在采場最上一分段（-408 m水平）的鑿巖巷道中鉆鑿中深孔，炮孔穿過頂柱、礦體直接進入需要支護的上盤圍巖內，炮孔加長部分在頂柱和圍巖中形成，圍巖中加長部分作為長錨索錨固孔。然后頂入長錨索，采用后退式加壓注入水泥砂漿。砂漿錨固后即形成從礦體上盤、頂柱到礦體的扇形預錨固結構體。最后在錨索孔下段進行裝藥爆破。

3 長錨索預加固技術研究

長錨索作為深度加固具有十分好的效果，在采礦生產過程中經過了驗證，取得了較好的工程實踐效果。

3.1 加固原理

新型長錨索預加固合成采礦技術，是在遇到上盤和頂柱破碎時又需要進行空場采礦的技術基礎上探索出來。其原理是在礦體崩落之前先將近礦頂柱及上盤圍巖進行預先加固控制，而加固控制并非采用傳統的施工方案及工藝，而是采用長錨索加注漿進行。錨索孔在支護成本中占有較大比重，單獨進行錨索孔施工，難度和成本均很大，而優先考慮采礦炮孔在一定允許的參數范圍內進行加深施工，使得加深部分達到進行錨索孔支護的技術要求。上部頂柱巖層和上盤圍巖巖層在加深炮孔內的錨索和漿體的延浸和懸吊作用下，改變了巖層的整體結構特征，同時調整了應力的分布狀況，將從整體上加固上部破碎巖體，也大大節省了支護施工成本。錨索和漿體共同作用使得待支護頂板和破碎上盤圍巖體形成完整穩固體，很好地加固和控制了待支護破碎圍巖體，確保了礦體周邊接觸環境的穩固性，使得下一步崩落礦體后空場條件下能夠維持一段時間的穩固性，確保了采場的安全經濟開采。

長錨索支護加固參數的確定是一個比較復雜的工作，為了確定錨索的孔網參數、錨索長度和控制面積等參數，目前主要的理論依據為普氏松散體理論，采用計算的方法確定理論參數，后根據工程情況進行適當的調整和改進。工程理論分析認為在空場礦體崩落后采場頂部會產生一個虛擬的自然平衡拱（即冒落后形成的拱形，如圖1所示），在這個即將或已經形成的拱區范圍內離層礦巖的重力將會是垮冒的誘力，所以設計計算的長錨索必須承受的拉力即為所要研究的力載，計算長錨索的各項參數將依據此力開展相關的計算和研究。

根據常規普氏計算式，沿采場長軸方向頂部l m范圍內的頂壓計算過程如下，其計算的基礎條件是依據所研究礦體和設計劃分的采場結構參數。

式中，a為采場寬度的一半，m；b為理論冒落拱的形成高度，為巖體的體重，kN／m3；f為普氏硬度系數。

則

空場采場范圍內所接觸的礦巖體種類多，礦巖性質具有分布的不均勻性，導致γ值取值的多樣性和難選性，為此根據經驗參數對上述理論公式進行一定的修正，其修正后的結構公式為

式中，k為礦巖不均勻系數，0＜k≤1。

采場頂部的總壓力P為

式中，L為采場的露空長度，m。

依據所研究礦體的形態和采場的結構參數，設計工程現場取采場平均寬度18 m，即：a=9 m，γ=36.85 kN/m3，L=40 m，k=0.85，f=7，由式（4）計算得出：

3.2 長錨索支護參數計算結果

長錨索支護參數包括長錨索的支護面積、根數、網度、長度、直徑和砂漿配比等，系列參數均采用經驗公式和實踐經驗總結得出。

3.2.1 采場頂部長錨索的安裝數量

在所對應的空場采場頂部待支護礦巖體和結構體中安裝的長錨索，必須要求牽引住頂部平衡拱范圍內的總壓力P，依據每根長錨索所能承受的拉力，設采場頂部所有的壓力均勻分布至各根長錨索上，可得出一個平衡拱范圍內所需要安裝長錨索的根數為

式中，P為平衡拱內總壓力，kN；N為鋼絲繩根數；m為安全系數，取1.5；R為鋼繩破斷拉力，kN。

由R=343 kN，計算得n＝116.998。

3.2.2 錨索網度

依據采場內待支護巖體結構體的形態、工程巖體結構發育情況和計算參數，并依據經驗公式將錨索網度D的計算公式簡化為

式中，S為采場頂部暴露面積，S=2La，m2。根據礦山實際，取D=2.8 m。

也可根據類似礦山按類比法確定。一般情況下，相同類似巖體，類似工程經驗中選取的長錨索網度一般為（3～4）m×（3～5）m，平均每根長錨索的支護面積約為10～15 m2，少量簡易工程達到20 m2左右。

3.2.3 長錨索長度

一般長錨索長度是依據巖體結構的發育情況確定，礦山支護的大多數工程經驗為8～12m左右。新型長錨索支護的錨索長度確定還需要在具體工程施工環節中考慮鑿巖穿孔設備能力、錨索安裝方式及注漿工藝等因素，此次工程參數最終按以下兩個原則來確定。

（1）依據長錨索具有的組合、懸吊和拉固作用原理，要求支護的長錨索長度應大于待支巖層冒落可能的最大高度，在可控的范圍內布置長錨索。

（2）根據冒落體的強度等值原則，即錨索的承受強度和所受載荷與砂漿粘結力應相等。

根據礦山實際，對冒落體巖體進行工程地質結構發育情況進行分析和調查，同時分析其余采場內的垮冒巖塊體的形態和尺寸，綜合考慮相關類似的工程經驗參數，選取長錨索長度為5～10 m，平均在8 m左右。

3.2.4 鋼絲繩直徑

鋼絲繩直徑依據其受力用途和施工設備能滿足的要求而定，一般直徑為15～25 mm的鋼絲繩，其破斷力在120～350 kN之間。通常理論計算公式是根據長錨索鋼絲繩拉斷受力大小和鋼絲繩外表面積進行計算選取。當使用舊鋼絲繩時，鋼絲繩的直徑應選得稍微大一些。在礦山生產過程中為考慮節約生產成本，一般長錨索支護采用礦山廢棄的提升用鋼絲繩，起到廢物利用的目的。對此我們需要校驗現有廢棄鋼絲繩的承壓能力和完好程度充分滿足需要即可。根據礦山實際，選取新鋼絲繩直徑為?20 mm，舊鋼絲繩直徑為?25 mm，礦山目前廢棄的鋼絲繩基本能夠滿足長錨索支護的強度需要。

3.2.5 長錨索支護砂漿配比

長錨索支護砂漿中所采用水泥為當地生產的標號為425或325的普通硅酸鹽水泥，砂漿配比中砂子要求主要為細砂，目前的砂漿配比情況暫沒有相關經驗公式計算，一般是參照工程經驗進行確定，水灰比一般為0.3～0.45，灰砂比為1∶2～1∶3。所以，只需要其固結強度達到3.5～4 MPa即可。調研部分礦山的工程經驗參數和使用情況，考慮其配比可參照表1中國國內部分礦山的工程經驗進行確定。表1為國內部分礦山的支護砂漿比例配制情況和黏結強度值。

?

依據類似工程的經驗，在此工程中取水灰比為0.4，灰砂比為1∶3左右進行試驗，后期進行小幅調整，工程驗證取得了較好的效果。

4 預加固布置方案

理論計算確定了錨索的孔網參數，現施工中通過分析和微調整采場鑿巖爆破參數和長錨索支護參數，中深孔采礦炮孔的排距為1.5～2 m，孔底距為1.8～2.2 m，長錨索長度為8 m左右，網度為（3～4）m×（3～5）m，施工的炮孔必須在一定范圍內符合錨索孔網參數，崩礦炮孔可小幅調整。經調整后，確定鑿巖炮孔可以間隔一排穿過頂柱和礦體上盤圍巖，即每2排鑿巖炮孔中有一排作為加固孔進行加深施工，既可滿足長錨索支護要求又不影響鑿巖爆破落礦，新型長錨索預加固方案如圖2所示。

5 結論

利用加長上向崩礦炮孔進行長錨索支護加固接觸處的圍巖體，前期施工稍有難度，但該項研究成果的應用有效控制了采場垮冒等大面積地壓災害，實現了礦山安全生產，大大降低了采場內的貧化損失指標。由于將崩礦和支護加固同時協同進行施工，進而節約了支護成本，實現了預加固合成采礦技術的發展進步，取得了良好的社會經濟效益。截止2017年底，在工業試驗和推廣應用中，安全回采了7個采場，采出礦量約60萬t，其中因此項支護技術的改革而增加了采出礦量約12萬t，占比較大。

采場最終實現的技術經濟指標為：回采損失率4.08%～6.01%，采礦貧化率7.16%～8.15%，采切比12.1～13.5 m/kt，采場生產能力350～400 t/d。

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