采礦工程中的預控頂支護技術優化研究

趙其禎

（甘肅省金川集團有限公司二礦區，甘肅 金昌 737100）

我國工業的快速發展，促使了對礦產資源的需求。資源的供應問題日益緊張，有限的淺地表礦產資源在近年來幾乎開采殆盡[1，2]。因此，對深層資源的開發已經成為礦山企業的重點生產內容，但深層資源開發伴隨而來的坍塌、滲水等問題引發的礦山生產安全事故層出不窮[3]。所以，采礦工程中的預控頂支護技術的應用和發展十分重要，故必須要發展相關的支護技術的理論及支護方法。技術發展的同時也需要兼顧經濟效益，如何更有效的控制礦產資源的開采成本并且保障生產安全，在生產安全及井下支護成本之間如何去取舍和優化也是各大礦企十分關心的事情[2，3]。本文通過對預控頂支護進行系統研究及數值模擬來對優化支護方案，以尋求經濟和安全之間的最優化。并希望為類似條件礦山的深層資源開采帶來參考指導作用。

1 常用的預支護技術

預支護技術的應用在工程建設行業及礦產開發行業中應用廣泛，無論是公路、鐵路隧道，還是市政工程都時常能見到預支護技術的應用。當前，主流的預支護技術如圖1所示。

1.1 小導管注漿

在作業面頂板位置，均勻插入小導管布置，采用高壓注漿機往導管內注漿，漿料硬化將在作業面上方產生具有一定強度的支護圈，可與鋼拱架組成棚架，從而抑制頂板圍巖的變形。

1.2 水平高壓旋噴

作業面頂板上方鉆水平孔，注入漿料加固，此法具有成功率高，速度快的優點，但是支護抗彎性能較差。

1.3 超前錨索桿

是實際工程中最為常用的支護方式，通過對工作面施加錨桿進行超前預加固。

2 頂板冒落原因分析

頂板冒落產生的原因機理較為復雜，大致來說可以從頂板的事故種類、巖體問題類型、頂板冒落這幾個方面來進行分析。

2.1 頂板事故類型

首先，頂板冒落事故大多可分為局部冒落及大范圍冒落兩種情況，前者多因現場作業時未對破碎頂板進行及時支護所導致，后者冒落面積大，且具有突發性，并且造成的后果嚴重，其原因多是因為巖體破壞加劇導致超過巖層變形臨界點。

2.2 巖體破壞類型

巖體破壞是指巖體在一定的應力條件下結構喪失聯結或者承載力和穩定性喪失的現象的總稱。不同結構的巖體破壞的機理不同，因此破壞類型也不同，而巖體的主要破壞類型分為拉伸破壞和剪切破壞[4]。

2.3 頂板冒落原因

頂板冒落產生的原因可分為自然因素及人為開采因素，采場頂板冒落是自然因素和人為開采因素同時起作用，發生冒落的基本規律為：在巖體開挖過程中，由于巖體的自重或者采動中產生的次生應力場的作用，使得采場頂板向采空區的自由面發生彎曲變形。而巖體的抗拉強度一般比較小，當圍巖的暴露面積相對過大、頂板處的圍巖中的拉應力超過巖體抗拉強度時，就發生了頂板的破壞和冒落。

3 金屬礦山的頂板支護設計

以甘肅某金屬礦礦區為例，結合該地區的圍巖特征，設計兩種支護方案如下。

3.1 錨索桿+小導管注漿支護

頂板支護采用小導管注漿工藝，并且打入錨索進行聯立支護。

圖2 錨索+小導管注漿支護

通過錨索和小導管的共同支護作用，提高了頂板的抗剪切和抗拉強度，使頂板的抗變形能力變大。

3.2 錨索+錨桿的聯立支護

此方案采用錨索桿的超前支護進行聯立支護。

圖3 錨索+錨桿的聯立支護

4 數值模擬及分析

4.1 模型參數設置

模型所設計的材料的參數，包括采區圍巖體的力學參數、支護結構的參數。

表1 鎳礦巖石力學參數表

頁巖（底板） 42.2 27.6 36.5 0.23 25900 123.6 21銅鎳礦（礦石） 41 67.9 69.2 0.25 35600 180.9 32.9

表2 材料力學參數表

4.2 數值模擬

對本文設計的兩種方案進行了數值模擬，結果如下圖4所示：

圖4 垂直位移應力分布云圖

從模擬的結果來看，頂板的沉降變形最大位移主要集中于頂板跨中，在未采取支護措施的情況下，頂板最大位移量31.64mm，錨桿加小導管注漿聯立支護方案的最大位移量為22.98mm。錨索+錨桿的聯合支護方案中頂板位移最大值為26.26mm。前一方案較后者的位移量縮減了23.6%，因此采用錨桿+小導管注漿的方式較優，從而在該礦山的頂板預支護中采用這一方案。

5 結語

通過模擬研究表面明，采用錨桿+小導管的支護方案優于錨索桿支護，復合以往的實際經驗。這也表明通過對預控頂支護進行系統研究及數值模擬可以更好的輔助優化預控頂支護方案。