深部地壓控制技術(shù)與采場優(yōu)化支護(hù)研究

張瑞明 魏丁一 杜翠鳳 徐海月 常寶孟 王 遠(yuǎn)

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西太原030009；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083）

由于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的需要，礦山的開采深度越來越深，伴隨而來的同樣會(huì)有許多地壓、通風(fēng)和熱害等問題［1］。而對于深部復(fù)雜環(huán)境下開采過程中的地壓控制和巷道支護(hù)等研究也顯得更為迫切，因此許多專家進(jìn)行了相關(guān)工作。胡晴等［2］利用深部吸能錨桿支護(hù)原理并結(jié)合ANSYS對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)踐表明優(yōu)化大大降低了圍巖變形量。吳鑫等［3］模擬了5種支護(hù)方案的巷道圍巖變形，確定了最佳支護(hù)方案。韓昌瑞等［4］考慮地應(yīng)力、巖性、施工難度和造價(jià)等影響，得到正確的本構(gòu)模型對計(jì)算結(jié)果影響很大。許夢國等［5］提出以錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)的厚層泥質(zhì)頂板巷道圍巖控制對策，現(xiàn)場應(yīng)用表明分級準(zhǔn)確，還可判別支護(hù)難度較大的區(qū)域。戴怡文等［6］提出永久巷道采用錨噴支護(hù)，臨時(shí)巷道采用錨桿穿帶支護(hù)，優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于此，本研究對于某礦現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于深部地壓變化對采場參數(shù)優(yōu)化后的支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立分級支護(hù)數(shù)學(xué)模型，得到支護(hù)等級指標(biāo)RQ值并進(jìn)行分級，最終確定各采場支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)，為深部安全高效開采提供指導(dǎo)。

1 現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)分析

該礦采用上向水平進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法開采，進(jìn)路斷面規(guī)格為3.5 m×3.5 m，雖然有利于回采安全，但同時(shí)存在生產(chǎn)效率低和成本高等問題。目前大多數(shù)中段大巷、分巷、聯(lián)巷與采場均采取了支護(hù)手段，但仍存在一些問題，如鋼拱架支護(hù)不規(guī)范、錨噴滯后、支護(hù)網(wǎng)度稀疏及過度支護(hù)等。目前的主要支護(hù)手段如表1所示。

1.1 U型鋼拱架支護(hù)

U型鋼拱架通常都用于圍巖松碎、采動(dòng)影響強(qiáng)烈的巷道，承載能力和支護(hù)阻力是判斷支架工作狀況優(yōu)劣的主要指標(biāo)。支護(hù)阻力取決于支架形式、結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、承受載荷的特征及約束條件等。由于支架的承載能力和支護(hù)阻力相差懸殊，實(shí)際應(yīng)用中鋼支架的有效承載能力都很低。

1.2 噴射混凝土支護(hù)

噴射混凝土支護(hù)能及時(shí)封閉開挖的圍巖表面，提供一定的支護(hù)力，防止圍巖強(qiáng)度惡化，提高強(qiáng)度且具有一定的柔性能適應(yīng)圍巖在一定范圍內(nèi)的變形，在礦山使用很普遍。噴射混凝土的力學(xué)特性主要包括強(qiáng)度和變形特征。

（1）抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。為使噴射混凝土在不穩(wěn)定地層中及時(shí)有效地起加固作用，除了有較高早期強(qiáng)度外，其抗壓強(qiáng)度應(yīng)隨齡期迅速增長，摻入適量速凝劑，可使早期強(qiáng)度明顯提高，有利于控制碎裂巖體變形。經(jīng)驗(yàn)表明噴射混凝土與圍巖粘結(jié)力可達(dá)10～20 MPa。粘結(jié)力取決于巖石表面的清潔度，因此噴射作業(yè)前應(yīng)先清洗巖石表面。

（2）噴層的變形破壞、厚度與柔性。噴層的受力變形分為3個(gè)階段：粘結(jié)抵抗，梁效應(yīng)和薄殼效應(yīng)。變形初期，噴層的粘結(jié)抵抗作用取決于圍巖表面礦物成分和噴層厚度，并一定程度上隨噴層厚度增加而增強(qiáng)。噴層的柔性與厚度直接相關(guān)［7］。經(jīng)驗(yàn)表明井下噴層一般在50～100 mm之間。當(dāng)厚度小于50 mm時(shí)，由于材料收縮導(dǎo)致噴層滲水和破壞。噴層厚度也可由巷道圍巖收斂量確定。噴薄層、多次噴層和加入速凝劑都可延長噴層的塑性時(shí)間，加入鋼纖維及使用鋼筋網(wǎng)都可增加噴層柔性。噴層厚度和強(qiáng)度的增加不呈線性變化，噴層厚度范圍為100～250 mm時(shí)噴層厚度每增加50%，強(qiáng)度只增加10%～20%。

1.3 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)對破碎頂板、層狀頂板和頂板塊體的支護(hù)均有明顯效果。但在圍巖大變形巷道中，無論是錨桿支護(hù)還是框式支護(hù)，實(shí)際支護(hù)阻力往往遠(yuǎn)低于理論值。因此更大程度地發(fā)揮錨桿阻力是錨桿支護(hù)改善的關(guān)鍵問題所在?，F(xiàn)場應(yīng)用中可加大全長樹脂錨固錨桿的屈服強(qiáng)度，采用錨注支護(hù)工藝等手段，使錨桿支護(hù)阻力保持在0.3 MPa以上，便可有效地控制圍巖變形。

2 采場參數(shù)優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)

由于巖體性質(zhì)的復(fù)雜性，一些隱性的地質(zhì)構(gòu)造在地壓調(diào)查時(shí)不能觀測出來?；谏a(chǎn)安全方面的考慮，必須采取必要的支護(hù)手段，防止采場圍巖變形及部分巖塊塌落。

2.1 結(jié)構(gòu)面對采場穩(wěn)定的影響

節(jié)理裂隙等破裂結(jié)構(gòu)面破壞了巖體完整性，其賦存數(shù)量、連通情況等分布的復(fù)雜性影響巖體力學(xué)性質(zhì)、變形、破碎及滲透等破壞方式，是巖體介質(zhì)不連續(xù)的根本原因。由于結(jié)構(gòu)面空間形態(tài)具有非規(guī)則、非連續(xù)等復(fù)雜性，描述結(jié)構(gòu)面幾何特征的方位、間距和連通率等參數(shù)不僅難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格發(fā)育程度，而且現(xiàn)場的全面系統(tǒng)測量很難實(shí)現(xiàn)。特別是大型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與采場和巷道的空間關(guān)系對穩(wěn)定性影響極大。某巖塊項(xiàng)目結(jié)構(gòu)面如表2所示。

將表中3組結(jié)構(gòu)面在空間上的位置關(guān)系分別做赤平面投影，得到的投影圖如圖1所示，從圖中可以看出存在一個(gè)有直接墜落可能的塌落錐，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四面體形狀。后續(xù)主要考慮位置位于頂板時(shí)對采場穩(wěn)定性的影響。

以內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角為0時(shí)的破壞結(jié)果為例，如圖2所示，破壞形成滑塌錐后并不一定意味著塌落。內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角較大時(shí)滑塌錐由于裂隙自身強(qiáng)度仍可保持穩(wěn)定，當(dāng)裂隙強(qiáng)度繼續(xù)減小，滑塌錐墜落［8］。

2.2 測點(diǎn)布置

（1）支護(hù)時(shí)機(jī)。該礦采用管縫式錨桿，巷道開挖完成后應(yīng)立即對頂板或兩幫進(jìn)行錨桿支護(hù)，這是因?yàn)榇藭r(shí)彈塑性變形結(jié)束，峰后的剪脹變形成為錨桿的主要錨固力來源，能最大程度發(fā)揮錨桿支護(hù)作用。

（2）支護(hù)網(wǎng)度。錨桿網(wǎng)度是用來保證承受錨固區(qū)圍巖的重量。管縫錨桿的錨固力與錨桿尺寸及材料參數(shù)的關(guān)系為

式中，N為錨桿錨固力；α為安全系數(shù)，取0.21；K為圍巖周邊剪切強(qiáng)度；t為管壁厚度；R為錨桿打入后管的平均半徑；E為鋼材平面應(yīng)力彈性模量；σs為鋼材的彈性恢復(fù)力；f0為鋼與圍巖的靜摩擦系數(shù)，一般取0.35～0.4；l為錨桿有效長度。計(jì)算可得該礦管縫式錨桿錨固力為53.41 kN。

該礦實(shí)際生產(chǎn)采用錨桿與穿帶聯(lián)合支護(hù)，鋼筋穿帶充分利用其高抗拉強(qiáng)度，將錨桿間巖石托住，構(gòu)成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨固力更大。這大大增強(qiáng)了整體支護(hù)能力，特別是倒三角礦巖的支護(hù)，起到了有效的安全保障作用。

當(dāng)進(jìn)路采場寬度為5 m時(shí)，有效懸吊巖層厚度1.8 m，礦體厚為15～80 m，懸吊巖石平均容重取28.1 kN/m3，則巖石總重力為3 793.5～20 232 kN；單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.94根/m2。為便于施工，錨桿間排距應(yīng)盡量相等，每根錨桿支護(hù)的面積為1.1 m2，理論上的錨桿間排距應(yīng)為1.0～1.2 m×1.0～1.2 m。實(shí)踐證明，隨圍巖的錯(cuò)動(dòng)，錨桿受力狀態(tài)改變，錨桿長期錨固力會(huì)在一定的位移范圍內(nèi)不斷增長，管縫式錨桿的長期錨固力范圍為50～90 kN。取均值75 kN為例，因此在穩(wěn)定性一般或者較好的采場，單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.67根/m2，錨桿網(wǎng)度可適當(dāng)調(diào)大為1.5～2.0 m×1.5～2.0 m，若圍巖過于破碎，則可能由于變形過大導(dǎo)致錨固力失效，此時(shí)錨桿網(wǎng)度應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工。

3 采準(zhǔn)巷道分級支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與體系

3.1 分級支護(hù)數(shù)學(xué)模型

由于采準(zhǔn)巷道的使用年限、暴露面積和影響程度等均不同，因此在設(shè)計(jì)具體支護(hù)方案和參數(shù)時(shí)，會(huì)為了降低成本而采取不同形式。針對采場工程地質(zhì)變化大的區(qū)域進(jìn)行支護(hù)分級很有必要，后期可按不同等級的巷道標(biāo)準(zhǔn)來合理設(shè)計(jì)方案。

巷道支護(hù)分級主要考慮以下幾點(diǎn):

（1）礦巖的工程質(zhì)量。其作為影響巷道穩(wěn)定性的最重要因素，必須重點(diǎn)分析。

（2）巷道的暴露面積。巷道暴露面積與自穩(wěn)能力成負(fù)相關(guān)。平巷斷面一般情況下變化不大，但巷道交叉處暴露面積明顯增大，因此需要考慮巷道暴露面積。

（3）巷道的使用時(shí)間。巷道使用時(shí)間與維護(hù)要求成正相關(guān)。原有的采準(zhǔn)巷道隨開采的加深漸漸消失，巷道使用要求不同，保有期也不同。

（4）巷道的影響程度。不同巷道失去穩(wěn)定性對生產(chǎn)造成的影響程度也不同。

綜上所述，在進(jìn)行具體的巷道支護(hù)分級時(shí)，主要因素取巷道所在的礦巖工程質(zhì)量，然后使用相應(yīng)的系數(shù)將使用時(shí)間、暴露面積及影響程度與礦巖工程質(zhì)量指標(biāo)Q相乘，得到支護(hù)等級指標(biāo)RQ值。RQ值的計(jì)算公式為

式中，K1為巷道維護(hù)時(shí)間的影響因子；K2為暴露面積的影響因子；K3為影響程度的影響因子。

其中Q按《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》［9］中確定巖體堅(jiān)硬程度的定性劃分及巖體完整程度的定性劃分方法取值。根據(jù)公式乘積得到RQ，從優(yōu)至劣對巷道支護(hù)分成5級，即I～V級。然后再按分級結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，分級級別及指標(biāo)如表3所示。

3.2 巷道分級支護(hù)設(shè)計(jì)

由分級結(jié)果可知，該礦礦巖工程質(zhì)量變化較大（從Ⅲ級到Ⅴ級），沿礦體走向中部穩(wěn)定性明顯優(yōu)于兩翼，而深部礦體穩(wěn)定性優(yōu)于淺部，礦巖質(zhì)量級別分區(qū)比較明顯，因此適用于巷道支護(hù)分級設(shè)計(jì)。目前該礦主要采用上向水平進(jìn)路充填法、中深孔雙幅分采分段充填采礦法和上向水平分層充填法等，巷道種類較復(fù)雜，因此綜合考慮各因素，支護(hù)分級所選取的系數(shù)及各位置巷道的Q值和RQ值如表4所示。

上向分層充填法進(jìn)路法采場聯(lián)巷與上向進(jìn)路充填法采場聯(lián)巷的巖石質(zhì)量處于Ⅲ級與Ⅳ級之間，由于開采速度快，因此巷道維護(hù)時(shí)間普遍較短，因此支護(hù)等級為Ⅱ級，可采用錨噴或錨網(wǎng)的支護(hù)形式，穩(wěn)定性較好的地段可采用Ⅰ級支護(hù)等級。而中深孔雙幅分采分段充填法的回采進(jìn)路巷道維護(hù)時(shí)間稍長，支護(hù)等級需提高一級，采用錨噴網(wǎng)的支護(hù)形式。對于運(yùn)輸大巷及豎井聯(lián)絡(luò)道需要長時(shí)間使用，若發(fā)生破壞，將對生產(chǎn)安全帶來重大隱患，因此支護(hù)等級應(yīng)為Ⅲ或者Ⅳ級，需要采用中長錨桿錨噴網(wǎng)支護(hù)，個(gè)別破碎地段應(yīng)進(jìn)一步提高支護(hù)等級。

針對目前普遍情況所作的巷道分級支護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)際支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇。經(jīng)過綜合考慮，分級支護(hù)方案如表5所示，分級支護(hù)示意圖如圖3所示。

4 結(jié)論

（1）通過調(diào)研可知U型鋼拱架、噴射混凝土、錨網(wǎng)和錨桿為該礦目前的主要支護(hù)方式，分別對其支護(hù)作用原理進(jìn)行分析，為下一步支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

（2）通過計(jì)算分析對錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在穩(wěn)定性一般或較好的采場，單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.67根/m2，錨桿網(wǎng)度可適當(dāng)調(diào)大為1.5～2.0 m×1.5～2.0 m，若圍巖過于破碎時(shí)，錨桿網(wǎng)度應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。

（3）建立礦區(qū)采準(zhǔn)巷道分級支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與體系，根據(jù)巷道礦巖的工程質(zhì)量，然后結(jié)合巷道的使用時(shí)間、暴露面積及影響程度，得到支護(hù)等級指標(biāo)RQ值，根據(jù)RQ值將巷道支護(hù)分成5級。綜合考慮支護(hù)分級的各種影響因素，確定各采場支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)。