破碎软岩中长锚索支护参数设计及其应用*

刘斯忠，王洪江，吴爱祥，黄明清

(北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

1 引言

长锚索支护技术在世界上已有90年历史［1］。最早使用锚索技术的国家是阿尔及利亚，1933～1935年该国用其加固舍尔法大坝，并一举获得成功。进入70年代以后，由于锚索理论有了较大发展，世界各国应用锚索相关理论指导支护设计，使锚索支护技术又有了新的发展。澳大利亚蒙特艾萨矿［2-3］1973年以后引进了长锚索支护技术，开始对分层充填法中的顶板进行预加固，在实践中获得成功并改善了经济效益;位于芬兰中部的科塔拉蒂矿［4-5］对两盘围岩进行长锚索加固后，回采的实际贫化率比原有不加固时减少将近一倍，有效的提高了企业效益，改善了安全条件。

近几十年来，我国的长锚索技术研究和使用也得到了长足的进步［6］。焦家金矿破碎顶板用注浆长锚索预加固，锚杆金属网联合支护，对防止顶板冒落、确保安全生产、提高矿石回收率等方面均取得了良好的效果［7］。此外，我国的凤凰山、铜录山、湘西金矿、金川有色金属公司、红透山铜矿及安庆铜矿［8］均在长锚索应用方面做了突出的研究和实践。云南某铜矿4#矿体和上盘围岩均为黑色碳泥质白云岩夹板岩，较破碎且含泥量高，均不稳固。经过矿山多年的摸索和生产经验，现行的浅孔留矿法及中深孔分段矿房法对开采4#矿体虽有一定的适用性，但仍然存在凿岩成孔率低、矿石损失分化率高、采场放矿困难等一系列问题。为了改善现场施工条件、提高企业经济效益，考虑采用长锚索预加固技术对其上盘围岩、巷道顶板及顶柱进行支护。

4#矿体回采之前，用长锚索加固矿体上盘围岩，然后在预锚固的围岩下回采矿石，长锚索能在矿块回采过程中限制岩体位移，调整岩层内部应力场，能有效提高采场顶板围岩的稳固性;同时，锚索注浆过程中对破碎岩体加以胶结也能提高岩体自身的强度。

2 长锚索预加固作用机理分析

长锚索本身具有柔性、能充分利用锚索较高的抗拉强度、增大正向拉力、改善岩体力学性质、增加岩体的抗剪强度、提高抗震性能，锚入矿岩的锚索沿其全长与矿岩之间的粘结力或摩擦力进行锚固，改变了矿岩自身的力学状态，防止了岩层节理分离，增强了整体性和稳定性，提高了矿岩的自身支承能力，控制或阻止矿岩变形、移动，防止矿岩的破坏和冒落。

破碎矿岩进行长锚索预加固后，注入的砂浆能与破碎矿岩胶结成一体，增加矿岩抗拉能力，且其裂隙将被所穿过的长锚索缝合起来，增强矿岩整体性和稳定性。通过注浆泵注入的水泥砂浆有些沿着孔内壁渗入到一些张开的断层，裂隙之中发生胶结凝固，从而增加了构造弱面的内摩擦力。

通过锚索加固综合作用，能提高矿岩自支承能力，起到控制或阻止矿岩变形和移动、防止矿岩破坏和冒落的作用。

3 支护材料选择与参数设计

3.1 支护材料与设备

(1)锚索。根据现场经验及计算实际费用发现，清洗和处理旧钢绳的费用几乎抵消了废旧钢绳的明显成本优势，同时也认为用专门购置的新钢绳制造长锚索是比较价廉和更有效的。因此试验采用新购置的6 ×25TSFC 结构钢绞绳。

(2)注浆材料

根据《水利水电地下工程喷锚支护施工技术规范》要求，采用32.5R 滇北水泥，骨料为经过2.5mm 过筛后的中细沙。纯水泥浆浆液水灰比:1∶2～1∶2.5;水泥砂浆为:水泥:砂=1∶1～1∶2，水泥:水=1∶0.38～1∶0.45。

(3)主要施工设备。在现场经验、工程模拟的基础上确定采用的最佳钻孔、注浆设备分别为YGZ-90 凿岩机和UB3C型压力注浆机。

3.2 长锚索支护参数

(1)锚索长度。矿山现采用中深孔凿岩分段矿房法，采场尺寸长× 宽× 高=36m × 矿体厚度×60m，其中矿房长24m，分层高度10m;回采进路垂直走向布置，规格为2 ×2m。

锚索长度视矿体形态、采场布置参数和距上盘围岩高度而定。对于上盘围岩预加固锚索，锚索必须打入上个分层上盘围岩内，一般不小于1m，切割平巷设计尺寸为3m ×3m，故其距上个分层围岩高度为7m，为安全起见，锚索尺寸设计为10m，打入上个分层围岩的锚索长度可达到2m～3m;对于矿体分层锚固锚索，凿岩巷道距上个分层距离为7m，锚索长度根据边孔角大小设计为7m～9m 不等;而对于顶柱预加固锚索，长度设计原理与矿体分层锚固锚索类似，为13m～15m。

(2)锚固间距。依据普氏松散体理论，认为在采场顶部(或巷道顶部)会形成自然平衡拱，在这个拱内矿岩的重力即为作用在设计计算的长锚索上的力。则普氏计算式中沿采场长度方向顶部1m 长度的顶压为:

式中:a 为采场宽度之半，m;b 为冒落拱的高度，b=a;r 为矿岩的体重，t/m3;f 为普氏硬度系数。则:

在采场往往会碰到矿岩组分分布的不均匀性，也就是r 值会有不均衡性，这时应对压力公式进行修正，其修正公式为:

式中:k 为矿岩的不均匀系数，0 ＜k ≤1。

采场顶部的总压力P 为:

式中:L 为采场的长度，m。

在采场顶部矿岩中安装锚索就是要承受住顶部的总压力P，则采场顶部需要安装锚索的根数为:

式中:m 为安全系数，取m=1.5;R 为钢绳破断拉力，t。则:

锚索网度D 为:

式中:S 为采场顶部面积(S=2 × L × a)，m2。

在4#矿体的矿岩条件下，采场宽度为20m，故a=10m，矿岩的体重r=2.8/m3，普式系数f=5。不均匀系数k 和安全系数m 分别取0.6 和1.5。锚索眼直径为65mm，锚索破断力按6 ×19 -Φ23 的钢绳计算，R=34.2t。锚索的设计安装网度通过计算得出:

由以上公式可计算出，4#矿体锚索的理论安装网度为1.9m ×1.9m，即锚索排距和间距均为1.9m，为达到支护强度要求，巷道内锚索排距设计为1.9m，由于扇形布置的锚索锚固没有垂直布置效果好，锚索孔底间距应小于1.9m，故孔底间距设计为1～1.9m，且从扇形中央至两侧孔底间距逐渐递减，切割平巷内每个扇形面布置7 根锚索，凿岩巷道内一个扇形面布置9 根，具体设计参数见表1。

表1 锚索布置参数设计表

4 工程布置及其施工

4.1 长锚索支护工程布置

应用长锚索加固顶部矿岩，视矿岩的情况而定，只有采场顶部矿岩局部需要加固时作局部布置，整个顶部矿岩都需加固时作全面布置，仅仅只需要加固个别松脱块体时，可作单根(或少数几根)点布置。4#矿体的上盘围岩较破碎，为防止开采过程中新爆露出来的围岩发生冒落，降低出矿品位，采用长锚索预加固技术，在每个分层的切割平巷中布置数排锚索，与矿体走向垂直的那个面的锚索呈扇状布置，如图1 所示。

图1 围岩预支护开采采场长锚索设计图(上下分段锚索交错布置)

由于4#矿体稳固性差、较破碎，因而对其进行分层整体锚固，提高岩体的完整性，从而提高岩体的抗应变能力，保护岩体稳定。锚索布置在每个分层的两条凿岩巷道内，布置方式与切割平巷内的锚索布置方式相似，只是边孔角和锚索长度发生略微变化，如图2 所示。

图2 采场分层锚固锚索设计图(上下分段锚索交错布置)

为维护矿房开采完毕后顶柱的稳定与安全，与支护上盘围岩方法一样，采用长锚索预加固技术，对每个中段最上一个分层与顶柱进行联合锚固，以避免掘进顶柱护巷巷道，锚索布置方式如图3 所示，其中锚孔水平投影图与分层锚固类似，不予重复给出。

图3 采场顶柱长锚索支护设计图

4.2 长锚索支护施工工艺

长锚索施工过程示意图如图4 所示。施工工艺如图5 所示。

图4 普通锚索安装示意图

图5 锚索施工工艺图

采用矿山已有的YGZ -90 钻机垂直向上进行钻孔;为排出孔壁上的岩粉，采用空开钻机清孔;孔塞的规格尺寸如图6 所示，孔塞上边要钻三个孔，一个用来插入排气管，一个用来插入锚索，一个用来插入注浆管。

图6 锚索孔塞工作原理示意图

5 分析与讨论

长锚索加固时间为3 天，养护时间为10 天。由于加固前采场保留有足够的存矿，锚索加固并未对出矿进度造成影响。

根据观测孔的数据，顶板加固区非常稳定，最大垮落高度小于1m;爆破作用下上盘围岩冒落得到明显改善，矿石贫化率显著降低;凿岩巷道完整性良好，未发生明显变形。进行注浆预支护或长锚索锚固后，接近上盘的由于欠挖欠爆进而造成永久损失的矿体可以得到回采，矿石损失率得到一定程度的控制;注浆加固后爆破矿石含泥量降低、流动性增加，有利于采场放矿;同时，出矿后工人可以安全的在已受锚固的顶板下进行作业，因而提高了采场的回采效率。

试验矿块支护后结果表明，与矿山现行方案相比，采用新方案矿石回收率可从55% 提高到近75%，即回收率提高近20%;矿石贫化率由之前的25%降为17%，经济效益显著。长锚索支护所创造的安全作业条件也必将减少现场的人员伤亡，践行生产过程中人本主义的思想。

6 结论

(1)根据矿岩性质，试验采用围岩预支护、分层整体锚固及顶板长锚索加固进行统筹布置;

(2)锚索采用扇形布置，理论网度为1.9m ×1.9m，为达到支护强度要求，孔底间距设计为1～1.9m，且从扇形中央至两侧孔底间距逐渐递减。切割平巷内每个扇形面布置7 根锚索，凿岩巷道内每个扇形面布置9 根。

(3)长锚索对矿岩进行加固后，作业条件得到明显改善，回收率从55%提高到75%，矿石贫化率由25%降为17%，经济效益显著。

(4)长锚索支护的技术关键之一是把好施工质量关，应安排有经验的技术人员进行组织监督。砂浆配合比是影响锚固效果和经济成本的主要因素，因此有必要对砂浆最佳配合比作进一步研究。

［1］王志方.长锚索支护在冶金矿山的应用［J］.黄金，1996，(5):17 -20.

［2］刘大荣.澳大利亚“大矿开采经验”［J］.有色矿山，1986，9.

［3］S.bywater.Cable support of lead open stope hanging walls at Mount Ias Mines Limited［C］.澳大利亚支护国际会议，1983，9.

［4］SM.Matthowe.A modified cable bolt system for support of underground openings［C］.澳大利亚支护国际会议，1983，9.

［5］SM.Matthowe.A modified cable bolt system for support of underground openings［C］.澳大利亚支护国际会议，1983，9.

［6］余斌，曹连喜，李源泉.采矿工程中长锚索护顶技术试验研究［J］.矿业快报，2000，(15):1 -4.

［7］周益龙.采场破碎顶板控制技术试验研究［J］.长沙矿山研究院季刊，1991，11(3):50 -55.

［8］邹贤季，杨小聪.大直径深孔采矿法采场顶板长锚索加固［J］.有色金属，2006，58(5):17 -20.