锚索在崩落法转充填法开采隔离层支护中的应用

王奇伟

(武钢资源集团有限公司)

锚索在崩落法转充填法开采隔离层支护中的应用

王奇伟

(武钢资源集团有限公司)

某地下铁矿山试行崩落法转充填法开采，过渡期对隔离层稳定性有高强度要求，采用锚索高强度的支护方式，有效解决了该隔离层的稳定性问题，保障了矿山安全生产。

锚索支护 崩落法转充填法 隔离层

长期以来，由于矿体埋藏条件、设备能力和开采经济性等因素限制，我国地下铁矿山大多采用崩落法或空场法开采。然而，随着地下铁矿山塌陷区越来越大，尾矿库扩容越来越多，以及国家对提升矿产资源利用率和加强矿山环境保护的要求不断提高，矿山土地征用及搬迁成本迅速增加，矿山面临的环保和生产成本增加的双重难题日益显现。为此，部分地下铁矿山尝试由崩落采矿法转为充填采矿法。如河北钢铁石人沟铁矿、马钢和睦山铁矿、武钢大冶铁矿等[1]。

为实现崩落法向充填法的平稳过渡，综合考虑矿山生产矿量平衡和施工安全的条件下，开采过程中保留一定厚度的隔离层，该矿层在充填法开采首中段全部完成后才采用无底柱分段崩落法进行回采。过渡期内隔离层上部崩落法开采，下部充填法开采，在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚索拉力将地层组合起来，形成组合梁结构进行支护，保存较长时间。为此，需根据岩体的稳固情况采取高强度的支护手段，防止隔离层在此期间受到严重破坏，最终实现矿山采矿方法的顺利过渡。

1 锚索支护技术

1.1 锚索支护技术的发展

锚索支护已有90多a的历史，最早于1934年在阿尔及利亚舍尔法大坝的加固工程中应用，并获得成功。1970年以后，随着锚索理论的不断发展，锚索支护技术有了新的发展。近几十年来，我国的锚索技术研究和使用也得到了长足的进步，1980年以来，许多有色金属矿采用锚索作为充填法采场顶板的预先支护[2]，一些煤矿也采用锚索作为煤系地层和穿层斜巷的巷道支护，均取得了良好效果。锚索支护[3]示意见图1。

图1 锚索支护示意图[3]

1.2 锚索支护机理

锚索结构与普通砂浆锚杆基本相同，但长度大于砂浆锚杆，且钻孔直径大，通过向矿岩中已钻好的中深孔放入一根或多根钢丝绳或钢绞线，向孔中注入水泥砂浆，实现锚固作用。锚索锚固范围大，通过多根组合，可以实现多种支护作用，国内外比较公认的是挤压理论、悬吊理论和减跨理论。

1.2.1 挤压加固拱理论

主要体现在预应力锚索中，松散岩石在预应力作用下围绕每根锚索的周围形成一个两头带圆锥的筒形挤压区或压缩应力区，在系统排列的锚索群中，这些挤压区或压缩应力区便组成了一个具有相当宽厚的均匀压缩加固带(如图2所示)，相当于一种承载结构,可支承相当大的载荷。

1.2.2 悬吊理论

巷道开挖之后，巷道中部分区域的岩层可能发生松动和破裂，锚索锚入岩体内部后，利用其较强的抗拉能力将松软岩层悬吊于深部稳定的岩层之上[5]，如图3所示。

图2 锚索挤压理论应力场示意[4]

图3 悬吊理论示意

1.2.3 减跨理论

当巷道顶板为层状岩层时，锚索穿入岩层内,增加顶板组合岩层的支点，缩短梁或板的跨距，减小其中因横力而产生的弯距及因弯距产生的弯曲应力，从而有效减小顶板整体变形程度，提高顶板的整体稳定性[6]，如图4所示。

图4 减跨理论示意

2 工程应用

2.1 工程概况

国内某矿山目前采用无底柱分段崩落采矿法，随着开采深度的加深，矿山地表塌陷区警界线日益扩展，尾矿存储量日益增加，给矿山带来了征地、拆迁补偿、尾矿库库容告急等一系列难题。在综合考虑技术、成本及经济效益后，该矿尝试将使用充填采矿法，并选择西Ⅰ区25线(东)～19-1线(西)-368～-396 m水平的701、703矿块为充填试采区域，其中-354 m水平以上采用无底柱分段崩落法，-368 m 水平以下采用阶段空场嗣后充填采矿法。为确保本次设计范围内矿体的安全生产，同时考虑崩落采矿法与充填采矿法的衔接，设计在充填法矿块之上预留一个分段(高度14 m)的顶柱作为隔离层，701矿块采至-354 m水平，703矿块采至-368 m 水平(如图5)，待试采矿块充填后，运用无底柱分段崩落采矿法对隔离层进行回收。

工程初期，采用喷锚网方式对9#进路进行全进路支护，但是因地质条件较差和锚杆长度过短、支护作用范围小等原因，出现了较大面积垮冒(如图6)，影响了工程施工进度和作业安全。

图5 充填采场剖面示意

图6 9#进路现场垮冒

2.2 支护方案

为有效提高隔离层的稳固性，防止上部崩落法松散覆盖岩层贯通下部充填区(如图7所示)，引起废石混入、冲击气压和井下泥石流等重大灾害事故，研究采用锚索支护，施工中以1 m为间隔，交叉辅以锚杆联合支护，防止隔离层内巷道顶板脱落。

图7 充填采场矿石隔离带冒穿剖面示意

2.2.1 支护参数

按照组合梁理论,锚索支护采用上向扇形布置，排距2 m，每排分布5根锚索；为加强锚索的作用范围和相邻进路锚索的联合效应，锚索边孔设计为±25°和±45°，深度要求相邻巷道锚索对接；锚杆支护包括边帮及顶帮，采用双中心扇形布局，排距2 m，与锚索隔排施工。具体支护形式和参数分别如图8和表1所示。

图8 锚索及锚杆支护布置

表1 锚索及锚杆支护参数

2.2.2 材料选择

(1)锚索。基于强度、延展性、松弛值和价格4项指标，及便于运输与安装的考虑，工程中常见的锚索材料有钢丝、钢绞线以及精轧螺纹钢筋。根据不同材料的特点和本支护工程的指标要求，选用φ18 mm(1×7)型钢绞线。

(2)注浆。选用普通硅酸盐水泥、中细河沙及水组成，水灰比0.38～0.5，灰砂比(质量比)为1∶1，使用搅拌机井下现场搅拌。

2.3 支护施工

在-368 m水平采准进路，按照设计方案从进路端部矿体上盘交界带开始沿巷道由内向外，每2 m 间距布设1排扇形锚索，并在锚索排前后1 m间距位置布设一排扇形锚杆，直至矿体下盘矿岩交界带。选用141台车钻孔，风动注浆机锚孔注浆，按照施工准备、造孔、锚索(杆)制作与安装、注浆、锚索(杆)张拉锁定与封锚的标准工序逐排施工，施工过程中严格遵守相关作业规程，确保施工质量。

2.4 支护效果

支护施工完成后，对隔离带巷道顶板进行了数月跟踪检查，隔离层稳定，层内进路轮廓完好，没有出现明显开裂或冒落情况，隔离层下部可形成稳定的充填空场，保障了井下现场出矿和充填作业安全，锚索支护作用明显，实现了预期效果。

3 结 语

地下矿山在崩落法转充填法过渡期中，预留的隔离层的稳定性对于新采矿方法实施和矿山安全生产有重大影响。通过对隔离层施加高预应力锚索-锚杆组合支护，很大程度上提高了岩体支护强度和支护范围，提升了深部岩体的承载能力，有效地控制了巷道围岩的变形，为下部充填空场的形成和充填提供了安全保障。锚索支护技术具有施工简单、工期短、锚固范围大、锚固力强的优点，能够充分发挥其挤压、悬吊、减跨及组合梁作用，并且施工过程中注入孔内的砂浆冲入岩体风化层的节理、裂隙，与破碎带风化层形成一体，自身稳固性得到提高，对“三下”开采、露天转地下等矿山领域的顶板支护，有着很好的借鉴意义。

[1] 江 兵，吴 珊.大冶铁矿崩落法转充填法过渡区开采技术研究[J].有色金属：矿山部分，2014,66(3)：23-25.

[2] 刘斯忠，王洪江，吴爱祥，等.破碎软岩中长锚索支护参数设计及其应用[J].铜业工程，2013(2)：29-32.

[3] 俞德庆.应用长锚索加固技术提高矿岩自支承能力[J].有色矿山，2011,30(6)：4-7.

[4] 王金华,康红普，高富强.锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟[J].煤炭学报，2008,33(1)：1-6.

[5] 侯 琴.锚索支护理论及参数确定方法探讨[J].山西建筑，2006,32(21)：88-90.

[6] 王瑞星，孙洪洲，刘志义.基于松散介质理论长锚索支护网度优选[J].现代矿业，2014,538(2)：141-142.

2015-05-20)

王奇伟(1985—)，男，经济师，助理工程师，430080 湖北省武汉市青山区建设六路107号。