深部軟巖耦合支護在上盤極破碎采場中上盤維護的研究與應用

張虎 楊曉東 王成 李強 許道學

摘 要：赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦5#脈礦體中節(jié)理裂隙比較多，巖石較破碎，礦體賦存條件復雜，礦體上盤為構造破碎帶，采場施工過程中頂板及上盤圍巖容易出現大面積塌落使采場礦量無法完全采出及采場貧化的情況。同時，隨著回采深度的增加，其地應力大、圍巖巖性差等不良條件而成為了采場及上盤圍巖支護中的難題。傳統(tǒng)的聯合支護方法僅將各種支護體進行簡單的疊加，沒有充分考慮支護體的支護機理、圍巖內部積蓄的能力的釋放以及圍巖自承能力的發(fā)揮，從而難以實現支護體與圍巖在強度、剛度以及結構上的耦合作用。因此為了有效避免上盤圍巖坍塌存在的安全隱患及降低采場貧化率，提高采場安全系數，提出在5#脈礦體采場上盤采用耦合支護技術。

關鍵詞：柴胡欄子金礦；采場上盤；錨索；耦合支護

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0121-02

1 地質概況與開采技術條件

1.1 礦體形態(tài)及特征

五中段、六中段、七中段、八中段、九中段、十中段5#礦體形態(tài)在平、剖面上可知礦體呈脈狀，礦體的產狀：根據2012年鉆探資料，工程控制礦體傾向225°，最大傾斜延深560m，走向315°，平均走向長165m。礦體總體真厚度0.84～8.72m，平均厚度4.37m，厚度變化系數55.93%。

1.2 礦化特點及礦石類型

礦石的自然類型主要有：含金石英脈型礦石、蝕變閃長巖型礦石及含石墨絹云母化蝕變巖型礦石（包括黑云母石榴石矽卡巖），并以后者為主。礦石結構主要有晶粒結構和碎裂結構，其次為填隙結構，并見少量的乳濁結構，浸蝕結構和殘余結構。礦石構造以塊狀構造和浸染狀構造為主，其次為條帶狀構造，另有少量的斑雜狀構造。

1.3 巖石及構造地質條件

巖石總體上看比較破碎，從目前揭露的坑道看，由于掘進斷面較小，部分地段不需要支護，自然成巷，但局部地段巖石破碎、裂隙發(fā)育，需支護，特別是礦體上盤更易塌落。主要構造為礦體上盤有幾十厘米到3米的糜棱狀且柔軟的斷層泥。靠近斷層泥附近的巖石和分布在礦體中的裂隙，尤其裂隙密集出現時，容易冒頂和片幫，應及時采取安全防護措施。

2 回采及采場支護現狀

隨著年生產任務和3#盲豎井提升量的增加，七中段、八中段、九中段、十中段將作為主力生產中段提供足夠的礦量。由于5#脈礦體礦巖均較為破碎，采場頂板安全將成為制約生產組織的主要因素之一。

隨著開采水平深度的增加，采場所受地壓隨之增大，礦體頂板上盤圍巖穩(wěn)固性極差，回采過程中均需使用圓木、螺旋支柱輔助管縫式錨桿、錨網進行聯合支護，以保證頂板及兩幫安全。局部頂板破碎或裂隙發(fā)育地段，輔助施工木立柱、錨網、噴漿等支護方式進行安全防護。

2.1 錨桿-網支護

錨桿為管縫式錨桿，長度1.8m，呈梅花形布置，要求垂直節(jié)理面，網度為1.0m×1.0m。

2.2 木立柱支護

采場內每隔3.0m施工木立柱，要求木立柱直立，不得斜撐，部分破碎區(qū)域適當增加木立柱支護密度。

3 主要研究內容及應用效果

3.1 耦合支護機制概述

對于深部軟巖巷道的支護問題，因其地應力大、圍巖巖性差等不良條件而成為巷道支護中的難題，而大量的工程實踐也表面，單一的支護形式在該種巷道中是不可行的，因此需采用多種支護方式相互配合、共同承載，以限制圍巖的不良變形而實現巷道的穩(wěn)定。采用多種支護方式進行支護時，并不是簡單的將各支護體進行疊加，而是需考慮各支護體的支護機理，通過合理的支護設計，使圍巖內部積蓄的能力得到釋放、圍巖自承能力充分發(fā)揮，各支護體均能夠優(yōu)勢互補且各自發(fā)揮較好的支護效果，即實現耦合支護。

通過參照軟巖變形力學機制，耦合支護的思想認為合理的支護設計應有充分的柔度以釋放圍巖應力，有足夠的剛度以限制圍巖的有害變形發(fā)展，同時使圍巖應力分布均勻、變形連續(xù)，即在強度、剛度以及結構方面均要達到耦合，如圖1所示。

3.2 主要研究內容

3.2.1 錨索支護作用機制分析

錨索作為一種主動支護方式是在一般錨桿的基礎上發(fā)展起來，尤其適用在赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦埋深較大、易出現應力集中現象以及圍巖巖性較差自穩(wěn)能力弱的5#脈礦體采場上盤軟巖地層中。該種地層在構造應力的作用下，塑性區(qū)范圍一般較大，所需的支護強度亦較高，若采用一般的錨桿或剛性被動支護，則很難提供足夠的支護強度，最終導致巷道整體失穩(wěn)破壞。而錨索材料一般采用鋼絞線，其抗拉強度比錨桿大的多，且錨索在長度上具有很大的優(yōu)勢，可以穿過破碎帶以及塑性區(qū)，錨固在深部穩(wěn)定巖層中，同時施加較大的預緊力可以形成明顯的主動支護，較好地控制圍巖的變形。

5#脈礦體采場上盤支護設計時，由于圍巖變形量較大，若圍巖暴露后即施加錨索支護，圍巖內部應力得不到有效的釋放，則錨索應力很快達到極限而發(fā)生斷裂或者滑移，最終導致支護失效。根據錨桿的支護機理，其本身屬于柔性支護，在塑性區(qū)范圍較大時，錨桿的長度很難達到塑性區(qū)范圍以外，支護作用主要顯現為組合拱，而該組合拱在承受圍巖壓力時，允許其產生較大的變形從而達到充分釋放圍巖內部應力的效果，待圍巖應力釋放充分時再施加錨索，利用其較大的支護剛度與強度，可以較好地限制圍巖的變形，達到較好的支護效果。

上述錨索的支護機理主要體現為懸吊作用，采用錨索與錨桿聯合支護，實質上是利用錨索將錨桿與圍巖形成的組合拱固定在上部穩(wěn)定巖層中，將淺部圍巖應力引到深部巖體中，實現應力轉移以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。

從圖中可以看出，錨索的布置對松動圈巖體起到很好的控制作用，將上盤軟巖與上盤硬巖體連接為一體，有效地控制采場頂板下沉以及上盤收斂變形，錨索支護深度大，可以提供較大錨固力大與預緊力，尤其適用于深部軟巖中，圍巖松散時較大的預緊力可以很好地提高圍巖的力學參數，使圍巖內部的裂隙閉合，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，對于巖體的強度、粘聚力以及內摩擦角等均有很好的提高作用；同時在巷道容易出現應力集中的區(qū)域，通過施加錨索可以使圍巖應力區(qū)域均勻，避免局部應力集中破壞而導致巷道整體失穩(wěn)。

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦5#脈采場上盤采用的錨索為端錨形式，在錨索-圍巖耦合作用時，可以將全長無黏結錨索和圍巖分別視為相當獨立的元件體，然后將兩者通過代表錨墩結構的剛性板連接成一個整體元件模型。

3.2.2 長錨索支護設計方案

在當前采場采幅條件下上盤雖能保證小范圍自立，但無支撐作用，采場頂板易發(fā)生大面積破壞。在不增加成本的條件下，如要進一步降低采礦綜合成本，首先要降低采場貧化率，最有效的途徑是通過對采場上盤進行加強支護，提高生產效率，降低采礦直接成本。

3.3 錨索支護參數確定

結合赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦開采技術條件和鑿巖設備能力，錨索支護參數確定如下：

（1）錨索長度。錨索長度視礦體形態(tài)及上盤穩(wěn)定巖層的位置而定，但要保證錨索穿過上盤軟弱帶，進入穩(wěn)固巖層。同時礦體上盤分層交錯布置，結合現場情況錨索采用φ=17.8mm，長度可確定為6.0m的鋼絞線。（2）錨索間距。采用錨索-網片-鋼帶支護，錨索間排距各1m，如圖2所示。

3.4 應用效果

采用耦合支護技術技術后，由于錨索長度大，能夠錨固在穩(wěn)定的巖層中，錨索可施加高預緊力，對巖層施壓成拱，限制圍巖的變形，確保圍巖的穩(wěn)定性；采場的上盤安全條件有了極大的改觀。兩幫圍巖垮落的現象也大幅度減少，極大的降低采場品化率，增加采場安全系數。下邊一組圖片為38506采場上盤錨索效果圖。

4 主要創(chuàng)新點

4.1 采場上盤首次采用錨索-網-鋼帶耦合支護技術

首次將錨索-網-鋼帶耦合支護技術應用到采場上盤破碎圍巖維護，并通過不斷調整參數使采場上盤破碎圍巖形成穩(wěn)固整體。

4.2 減小了爆破震動對采場上盤圍巖的破壞，降低采場貧化率

采用錨索-網-鋼帶耦合支護技術后，上盤圍巖垮塌情況明顯減少，減少了采場頂板出現大面積塌落的概率，降低采場品化率，提高作業(yè)人員安全系數。

4.3 為深部中段上盤破碎礦體的回采提供了有效的技術支撐

解決5#脈礦體采場回采過程中如何保證頂板及上下盤圍巖穩(wěn)定問題的同時，并未增加作業(yè)難度，且錨索-網-鋼帶耦合支護技術具有推廣使用價值。為赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦深部上盤破碎礦體的安全高效回采提供了有效的技術支撐。

5 經濟效益及技術創(chuàng)新意義

（1）錨索-網-鋼帶耦合支護技術推廣應用，減輕了爆破震動對采場頂板及上盤圍巖的破壞，減少了采場上盤圍巖塌落造成的二次貧化，將貧化率由17.8%左右降低至11.2%左右，確保了入選品位，降低了選冶成本。同時，避免了因采場施工區(qū)域頂板大面積塌落造成礦體難以回采。該技術使用后共為企業(yè)創(chuàng)造經濟效益143.91萬元。（2）錨索-網-鋼帶耦合支護技術的使用減小了爆破震動對采場頂板及上下盤圍巖的破壞，降低了赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦深部破碎難采礦體回采過程中的安全隱患，降低貧化率，提高了回采效率，充分貫徹了山東黃金集團公司各項安全理念的要求。（3）赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦八中段、九中段、十中段5#脈礦體正開始進行大規(guī)模回采，該中段礦體上盤極為破碎，從目前已經開始回采的部分采場可以看到，采用錨索-網-鋼帶耦合支護技術使用情況來看，該技術完全可以在赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦八中段及以下深部上盤破碎礦體中大面積推廣使用，以保證赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦深部破碎礦體的高效安全回采。

6 結語

該技術在赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦成功使用后，具備在同類礦體條件下的礦山推廣使用的價值，為采礦方面提供技術創(chuàng)新與技術儲備。