基于綜合支護的磷礦采空區頂板保護方法研究

歐陽偉超

(甕安大信北斗山磷礦,貴州 甕安 558000)

目前多數磷礦的支護主要是借鑒煤礦井下巷道支護方案,但在巷道頂板結構破碎性大、穩定性差的區域,礦壓波動和回采擾動沖擊較大,使頂板極易出現大量變形、冒頂等[1],嚴重影響磷礦井下回采作業的效率和安全性。甕安大信北斗山磷礦井下賦存條件較為復雜,最大分布厚度超過了30 m,平均傾斜角達到了45°,在回采過程中采用上向分段充填采礦法開采,支護方式為錨網支護。由于礦層厚度大,回采后會形成一個具有極高空頂的采場,如果按常規方案對采空區進行強制性放頂,會形成強烈沖擊,出現頂板冒落、礦柱片幫剝落等情況,嚴重影響巷道穩定。目前采用錨網支護技術,頂板變形量277 mm,在回采過程中需要不斷進行加強支護,不僅影響了井下磷礦回采作業效率,而且加大了井下支護成本。為此,結合磷礦在復雜地形條件下的地質特性,提出一種新的采空區頂板綜合支護工藝,以提高井下巷道支護的穩定性和可靠性。

1 頂板綜合支護方案分析

1.1 頂板類別分析

磷礦井下巷道內不同位置的頂板穩定性存在著較大的差異,如果在井下各個區域全面推進安全性極高的錨網索綜合支護方案,不僅會影響井下的巷道支護效率,而且會導致支護成本高,難以滿足支護經濟性的需求。因此需要根據井下巷道頂板的實際情況,綜合確定不同區域的最佳支護方案。采用電磁勘探法、鉆井法等對井下巷道內的巖石狀態進行全面分析,以巷道巖層的完整性、巷道巖層巖性等為依據,將巷道頂板分為3種狀態。

1) 一級狀態。該類型的頂板結構完整性最好,不僅沒有節理發育,而且在巖層內基本上不存在斷層,整個頂板的穩定性極高,抗來壓和抗擾動效果好。因此在該區域可采取簡化支護的模式,適當放寬支護間距,提升巷道的支護效率。

2) 二級狀態。該類型的頂板完整性相對較差,在區域內存在著一定的節理發育和斷層,而且在頂板上還分布著一些貫通裂隙,會有部分水從裂隙內滲出,巖層的穩定性一般。因此在進行支護時整體的支護方案可以參考一級狀態頂板區域的支護方案,但由于穩定性不及一級狀態頂板,支護密度需要達到一級狀態頂板區域支護密度的2倍以上。

3) 三級狀態。該類型的頂板完整性極差,存在著嚴重的節理發育和斷層,而且在巷道頂板上還有很多碎石塊,滲水和頂板陷落情況比較嚴重。為保證來壓和回采擾動時的穩定性,需要對頂板進行補強加固,為了避免碎石落下時傷人,需要在錨索支護的基礎上增加雙層金屬護網[2].

1.2 錨網索綜合支護機理

當單根錨桿設置到巖層中后,會對周圍區域產生一個擠壓作用力,使錨桿四周的巖層密度和緊實度增加,多組錨桿設置后,能夠形成一個穩定的壓縮條帶,把四周破碎的巖層形成一個穩定且存在較大擠壓力的穩定區域,從而提高了對破碎區頂板的支護穩定性。但當破碎區域較嚴重時,單純依靠錨桿支護存在著較大的不穩定性,因此在錨桿支護的基礎上提出了錨網索綜合支護,在碎裂較為嚴重的區域增加了錨索補強[3]. 井下錨網索聯合支護結構見圖1.

圖1 磷礦頂板綜合支護方案

1.3 分級支護方案分析

根據對頂板狀態和不同支護方案機理的分析,為了在保證安全的情況下提升支護的穩定性,提出根據頂板狀態進行分級支護[4]及礦柱加強的方案。

1.3.1 分級支護

1) 一級頂板區域支護方案。由于一級頂板區域的穩定性較高,因此可以利用錨桿組合進行掛網支護,然后再加上錨索進行補強。進行支護時采用“梅花”狀的布置結構,所使用的錨桿為φ43 mm×1 800 mm,錨桿間排距設置為1 000 mm,鋼筋網采用孔徑為50 mm的圓孔型雙層金屬護網。錨索在固定時的深度需要比頂板厚度高出2 000 mm以上,錨索間排距為4 000 mm×2 000 mm,在井下布置過程中,可根據頂板結構靈活調整。一級頂板區域的支護結構見圖2.

圖2 一級頂板支護區域結構示意

2) 二級頂板區域支護方案。二級頂板區域的結構強度較高,因此其支護方案可以參考一級頂板區域的支護方案,但由于此區域頂板上存在著較多裂隙,支護結構的密度需要在一級頂板區域支護方案的基礎上進行優化,錨索的排距保持不變,將錨索間距降低為2 000 mm即可。

3) 三級頂板區域支護方案。三級頂板區域的結構強度較差,因此采用錨網索綜合支護方案,而且在頂板破碎度比較大的區域還需要噴灑混凝土進行加固,提升整體支護的穩定性。三級頂板區域的綜合支護方案見圖3.

圖3 三級頂板區域支護方案

1.3.2 礦柱加強

結合井下礦層的情況,不同位置礦柱的節理發育不同,因此為提升礦柱的穩定性,需要對礦柱進行同步加強。該加強主要是對不穩定礦柱,對其進行加強的方式主要是錨網和錨桿聯合支護,在支護時所選的錨桿規格為φ40 mm×2 000 mm,加固時所需的鋼筋規格為200 mm×200 mm,井下礦柱加強結構見圖4.

圖4 礦柱加強方案

2 應用情況分析

在磷礦巷道頂板及圍巖處設置位移監測儀,對開采過程中采空區頂板的變形量進行分析,共設置3組監測儀,每個監測儀的距離為100 m,不同位置的監測結果見圖5.

根據監測情況分析,在采用分級支護方案后,巷道頂板的最大變形量只有32 mm,和傳統的錨桿支護方案相比,頂板的變形量降低了88.4%. 其整體的支護效率并沒有降低,有效提升了磷礦回采作業的經濟性和靈活性。

3 結 論

針對甕安大信北斗山磷礦所面臨的頂板冒落、礦柱片幫剝落等問題,通過對頂板巖性狀態分析將頂板分為一級狀態頂板、二級狀態頂板、三級狀態頂板;根據頂板的不同狀態,提出了分級支護方案,在保證不影響整體支護效率的情況下,巷道頂板的變形量降低88.4%.