大尹格莊金礦深部巷道錨桿支護參數優化

張宏偉，張富興，夏自鋒，董國強

(招金礦業股份有限公司，山東 招遠 265400)

近年來，隨著我國經濟快速發展，礦產資源需求與日俱增，消耗量逐步增大，特別是我國東部地區，礦山開采歷史悠久，大部分礦山淺部資源逐漸枯竭，并逐步進入深部開采。隨著采深的逐漸增加，井下地質條件復雜多變，地壓顯現劇烈，斷層節理裂隙發育，礦體松軟破碎，巷道極易產生開裂、變形，發生冒頂事故，影響礦山安全生產[1-4]。如何解決破碎圍巖巷道的支護問題，尋找一種經濟可靠的支護方式，已成為目前深部礦體開采亟需解決的技術難題。

玻璃鋼錨桿主要是由玻璃纖維增強塑料(GFRP)制成的一種非金屬錨桿，與傳統的螺紋鋼錨桿相比，不僅耐腐蝕，還具備質量輕、強度高的特點，在煤礦支護中獲得了廣泛應用，并取得了良好的經濟效益和社會效益[5]。然而，由于玻璃鋼錨桿支護初期強度低，且不能快速達到錨固強度，不能達到初期工程施工防護要求，玻璃鋼錨桿在金屬礦山支護中還未得到普遍應用。本文以大尹格莊金礦深部破碎巷道為研究對象，在分析玻璃鋼錨桿支護效果的基礎上，提出了采用管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯合支護的方式，解決深部破碎巷道支護難題。

1 回采巷道地質條件分析

1.1 工程概況

大尹格莊金礦深部礦體主要采用上向水平分層充填采礦法回采。礦塊沿走向布置，長60 m，寬為礦體厚度，其中礦房長56 m，間柱4 m，回采時不留頂底柱。中段高60 m，分層落礦高度2.4 m，控頂高度4.0 m，每條分段巷道服務5個分層的回采，分段高為12 m。分段運輸巷道布置于礦體下盤的絹英巖、絹英巖化花崗閃長巖中，受地質構造應力作用，巖體穩定性較差，巷道局部松軟破碎，維護困難。

1.2 巷道規格及斷面尺寸

大尹格莊金礦回采巷道形狀為三心拱形，高3.2 m，寬3.6 m。實際生產過程中，回采巷道根據地質條件采用多種支護方式，主要方式有單錨桿支護、錨網支護、錨噴網支護及鋼支架聯合支護等。目前，主要以錨網支護為主。錨桿長為1 800 mm，直徑42 mm，內徑38 mm，支護間排距約為800 mm×800 mm，正方形布置，錨網采用Ф6.5 mm的鋼筋編制，網格：100 mm×100 mm，長1 800 mm，寬900 mm。

管縫式錨桿由于安裝簡單、方便，是金屬非金屬礦山比較常見的一種支護材料，但在破碎帶及大斷層、含水層等構造復雜區域，特別在后期受后續采場鑿巖爆破影響，巷道圍巖松動，因此管縫式錨桿并不能起到很好的支護作用，極易發生片幫冒頂事故，應優化支護參數，改變支護形式。

1.3 巷道變形破壞特征

隨著礦山開采深度增加，地壓作用顯現，巷道開挖后圍巖應力狀態發生改變，極易發生片幫、變形甚至冒頂坍塌事故，通過對巷道變形破壞規律研究發現，巷道圍巖變形主要以松動破壞為主，主要表現在巷道支護后，節理裂隙發育，部分巖體脫落并懸掛在錨桿桿體上，后期在自重應力影響下，巷道松動圈進一步擴大，巷道片幫、垮冒的頻次及規模都愈發嚴重，因此，破碎、高應力條件下巷道支護問題長期困擾著采礦工程，成為井下生產安全的重大隱患[6]。如圖1所示，大尹格莊金礦深部破碎圍巖巷道支護作業完成后，受臺車鑿巖作業和采場爆破作業影響，圍巖松散破碎，巷道頂板及兩幫巖體發生離層破壞，極易發生片幫和冒頂等安全事故，影響后續生產。

2 巷道支護結構的試驗與參數設計

2.1 玻璃鋼錨桿加固方案的確定

大尹格莊金礦-676 m中段一分段巷道在地質構造應力作用下，加上對復雜地質條件認識不足，巷道支護主要以管縫式錨桿支護為主，支護強度較小，抗剪能力差，巷道片幫冒頂事故頻發，不能達到預定支護效果，二次支護多以鋼支架支護為主，但鋼架支護安裝復雜，施工周期長，勞動強度大，且施工成本高，不適合巷道大范圍內支護作業[4]，因此，針對大尹格莊金礦深部破碎圍巖巷道支護難題，提出玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯合支護方案，解決破碎巷道支護難題。

設計擬對試驗巷道預先進行錨網支護，由于深部破碎圍巖巷道在構造應力作用下，圍巖完整性進一步破壞，極易發生片幫和冒頂事故，利用管縫式錨桿可以提供初始錨固力，固定錨網，提高圍巖整體性，并為下階段施工玻璃鋼錨桿做好基礎，滿足玻璃鋼錨桿初期施工安全要求，初期支護完成后，再采用玻璃鋼錨桿作為支護主體進行加固，形成完整的支護結構。

2.2 玻璃鋼錨桿參數的確定

為在工程實踐中最大可能地體現玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯合使用后的支護效果，管縫式錨桿支護參數在保持不變的基礎上，對玻璃鋼錨桿支護參數進行優化，確定錨桿長度、桿體直徑等支護參數。

1)玻璃鋼錨桿長度的確定

巷道支護過程中，需充分考慮錨桿嵌入堅固巖層的深度，并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱，從而控制巷道變形，提高圍巖穩定性，根據松動圈和懸吊理論確定玻璃鋼錨桿長度L為[7-8]：

L=L1+m+L2

(1)

式中：L1—錨桿外露長度，mm；m—錨桿錨固厚度，mm；L2—錨桿嵌入堅固巖層的深度，mm。

錨桿外露長度L1主要取決于錨桿類型及錨固方式，需考慮托盤、螺帽和桿體外露長度，支護時利用托盤和螺母施加預應力，取值100 mm；錨桿錨固厚度m即為錨桿錨固巖層的厚度，需根據圍巖條件來確定，大尹格莊金礦深部圍巖整體來說不破碎，局部存在規模較大的張性構造，造成局部巷道較破碎且涌水較大，局部破碎區域成塊狀冒落，因此需要加大巖層錨固厚度，通常情況下，錨桿錨固厚度m取1 000～1 400 mm，考慮破碎帶特點，取值1 400 mm，防止圍巖冒落；錨桿嵌入堅固巖層的深度L2一般為300 mm。綜上，根據大尹格莊金礦深部巷道圍巖變形特征，求得玻璃鋼錨桿長度為1.8 m，另結合圍巖松動圈理論，當錨桿錨固厚度低于巷道圍巖變形深度時，錨桿端部受壓，只能起到懸吊作用，不能形成有效的擠壓拱，長時間變形會導致桿體斷裂，造成大面積坍塌，因此，本著安全有效的原則，確定選用玻璃鋼錨桿長度為2 000 mm。

2)玻璃鋼錨桿直徑的確定

玻璃鋼錨桿的錨固力應與錨桿桿體的抗拉強度盡量保持一致，才能發揮最大支護作用，由此可以推算玻璃鋼錨桿直徑d為[7-8]：

(2)

P拉=Q固

得：

式中：P拉—材料的抗拉力，kN；σ拉—錨桿桿體的設計抗拉強度，kN/mm2；Q固—錨桿的錨固力，kN。

根據實驗室對玻璃纖維增強塑料桿體進行的多次試驗，得出玻璃鋼錨桿的平均抗拉強度σ拉為400～500 MPa，錨桿的拉拔力Q固為40～70 kN。由此可得出玻璃鋼錨桿直徑d≥14.9 mm，同時類比其他相似礦山，本著安全有效的原則，確定選用玻璃鋼錨桿的直徑為18 mm。

3 巷道支護數值模擬分析

本次模擬運用FLAC3D軟件以大尹格莊金礦2#礦體-676 m中段83#～84#勘探線間的一分段巷為計算模型，對管縫式錨桿單一支護和管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯合支護兩種情況下巷道圍巖變形情況和塑性區分布進行模擬分析。

3.1 計算模型的建立

設計計算模型沿巷道斷面方向取40 m×40 m×20 m(寬×高×長)，在考慮邊界效應的基礎上，模型網格由外到內逐漸加密。模型X、Y邊界施加水平約束，底部Z邊界固定約束，頂部施加上覆巖層重力，巷道圍巖主要為絹英巖化花崗巖，具體巖體力學參數見表1。

表1 數值計算中巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass in numerical calculation

根據FLAC3D內置結構單元特點，模擬管縫式錨桿時采用樁(pile)單元，玻璃鋼錨桿采用錨索(cable)單元，根據實驗室試驗和工程經驗得錨桿力學參數，見表2、表3。

表2 數值計算中管縫式錨桿力學參數Table 2 Mechanical parameters of split-set bolt in numerical calculation

表3 數值計算中玻璃鋼錨桿力學參數Table 3 Mechanical parameters of GFRP anchor in numerical calculation

3.2 計算結果分析

1)巷道圍巖變形分析

通過數值模擬分析可以看出，巷道開挖后圍巖應力狀態改變，在兩種支護條件下巷道圍巖產生了不同程度的收縮變形，且在初期變形較大，隨后變形速率減緩逐漸趨向穩定。如圖3所示，當采用單一支護時，模擬至2 000步后，巷道頂底板變形趨于穩定，頂板下沉量為5.54 mm左右，底鼓量將近3.28 mm，頂底板移近量達到了8.82 mm，兩幫移近量達6.43 mm；采用聯合支護時，模擬至約1 800步時趨于平衡，最終頂板下沉3.91 mm，底板底鼓2.76 mm，頂底板移近量達到6.67 mm，兩幫移近量達8.07 mm。由此可以得出，相較于管縫式錨桿單一支護形式，采用玻璃鋼錨桿聯合支護能夠有效控制巷道變形，對頂板的變形控制效果要優于兩幫的變形，且對玻璃鋼錨桿施加一定預緊力的情況下，能夠減緩變形速率，大大提高支護結構的穩定性。

2)巷道圍巖變形分析

塑性區是指發生剪切破壞和拉伸破壞的區域。巷道圍巖塑性區形態決定圍巖的破壞形式及破壞程度。巷道的塑性區范圍越大，破壞就越嚴重[9-10]。由圖4可知，在兩種支護方案條件下，巷道圍巖均出現了塑性變形，頂底板塑性區域相對較大，且破壞形式以剪切破壞為主，說明巷道塑性區在應力作用下發生變化，圍巖受力狀態基本不受支護形式影響，但采用聯合支護時，由于錨固劑與圍巖相互作用，有效改善了圍巖塑性狀態，提高了巷道圍巖穩定性。

4 結論

通過理論計算對大尹格莊金礦回采巷道的支護參數進行優化調整，確定了合理的玻璃鋼錨桿支護參數，提出了聯合支護的方式，并通過數值模擬分析證明其支護效果良好。

1)根據大尹格莊金礦回采巷道圍巖地質條件，分析破碎圍巖巷道變形破壞規律，并通過理論分析計算確定玻璃鋼錨桿支護參數，本著操作簡便、安全可靠、穩定性高的原則，提出了管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯合支護方案。

2)通過數值模擬分析，在相同的地質條件下，采用玻璃鋼錨桿為支護主體的聯合支護方案能夠有效地控制巷道變形，改善破碎圍巖巷道的穩定性，解決管縫式錨桿單一支護方式易腐蝕和抗剪性能較差的問題。

3)巷道開挖施工控制爆破技術時，光面爆破要遵循“多打眼、少裝藥”的原則，以保證兩幫平直，頂板和兩幫相連部分及頂板呈拱形，以降低應力集中，保護巷道圍巖的強度和整體性。對極破碎、礦巖不穩固區域，建議輔以錨噴和混凝土支護。

4)優化后的聯合支護參數可以在大尹格莊金礦回采巷道中推廣應用，并可為其他類似條件下礦山支護提供借鑒依據。