充填体内巷道掘进预支护方案优化选择

蒋宗旋，苏 环，黄永庆

(山东黄金矿业(莱州)有限公司新城金矿， 山东莱州市 261438)

0 引言

随着我国经济的飞速发展，对资源的需求量越来越大［1］。矿山回采矿体之后，地下岩体的整体性发生破坏，在一定范围内的岩体中应力重新分布，局部地区还可能出现应力集中的现象，力学环境相当复杂。而且，在开采矿体时，为保证采场的稳定性，采场留设顶底柱、间柱、不规则点柱等，这些残留的矿体统称为二次资源。对充填法采矿的矿山而言，采空区用充填体处理，现在二次采矿的工作就是回采在充填体中的二次资源［2］。为了回采二次资源，必须要解决充填体内巷道施工技术及保证巷道稳定。然而由于充填体本身强度比较低，塑性流变大，在其内开挖巷道后，围岩向开挖空间移动变形，变形量随时间增大，甚至可能把整个巷道完全封闭;同时充填体内巷道变形呈现蠕变变形特征，具有明显的时间效应，初期来压快，收敛变形大，巷道自稳能力差，如不加支护，很快会发生顶板冒落、边墙弯曲，最终导致巷道破坏。

新城金矿上世纪80年代采用上向水平分层充填采矿法［3］，在浅部充填体及其周围散布了多个矿石残柱及破碎体，这部分资源具有品位高，储量多的特点。据前期勘测资料显示，－10～－120 m中段167#～191#柱之间高110 m、长380 m范围内，金矿平均品位7.0 g/t以上，残柱矿石量达40000 t左右，折合金属量达280 kg，由此可见二次资源回收的经济价值是巨大的。因此，本文对新城金矿充填体内巷道掘进预支护方案展开研究，提出安全合理的支护方案。

1 充填体内巷道失稳变形特征

1.1 影响充填体内巷道稳定的因素

影响充填体内巷道稳定的因素有充填体性质、上覆岩层应力、工程因素、时间因素、地下水等因素，其中最主要的是充填体性质和上覆岩层应力。

(1)充填体性质。一般来说，工程岩体的稳定性主要视岩体的强度及变形特性与开挖后重新分布的围岩二次应力互相作用的结果而定。前者强于后者则稳定，后者强于前者则失稳。充填体的强度非常低，具有重塑性、强胀缩性、易触变性及流变性等特有性质，因此，在充填体内掘进巷道，极容易发生跨冒。

(2)上覆岩层应力。在充填采矿法中，充填体的作用主要是对围岩的限制作用和与围岩的共同作用，即一方面阻止和限制围岩发生变形和位移，另一方面又与围岩共同承载，提高承载能力，共同维护采场稳定。在一次采矿中，围岩应力已经释放，因此，在充填体内掘进巷道只承受上覆岩层应力。

充填体内巷道的失稳是由于巷道开挖引起的应力重分布超过充填体强度而导致充填体过分变形造成的，应力重分布是否会达到危险的程度由初始应力的方向、量值和性质而定，所以上覆岩层应力是控制巷道围岩稳定的基本因素之一。在充填体中，围岩应力重分布后会产生较大的塑性区及松动区，引起围岩随时间而增长的大变形，直至挤压破坏，在顶部表现为塌落，在侧帮产生挤压破坏。

1.2 充填体内巷道变形破坏特征

充填体内巷道的变形破坏特征不仅受充填体力学性质的影响，而且受所处的地应力环境和工程因素等的影响。总结国内外充填体内掘进巷道的工程经验，充填体内巷道变形破坏特征如下:

(1)变形破坏形式多。变形破坏的形式有巷道直接跨冒破坏、巷道顶板在拉应力作用下的跨冒破坏、巷道两帮在压剪应力作用下的片帮破坏、巷道流变变形破坏等。

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(2)变形量大。由于充填体强度非常低，巷道自稳能力弱，巷道开挖后很短时间即开始跨冒，甚至将巷道堵死，拱顶下沉位移量达40～100 cm。

(3)变形速度高。一经开挖后，初期巷道收敛速度快，即使是对巷道进行支护以后，巷道的变形速度依然很快。

(4)持续时间长。对充填体这种软破介质而言，不仅变形量大，而且具有明显的时间效应，其变形为不稳定的蠕变变形，持续时间较长。

(5)来压快。充填体内巷道变形收敛速度高，在很短的时间内，围岩即与支护结构接触，产生压力。围岩与支护结构相互作用后，变形继续发展，到一定程度后岩体会发生离层，原来的承载围岩转变为荷载作用在支架上，由此产生的压力为松动地压，它很快转变为变形地压，增大了围岩的失稳性。

2 充填体内巷道预支护方案优选

2.1 预支护方案设计

针对充填体内巷道变形特征，结合新城金矿充填体的特点，以及回采工作对巷道稳定性的基本要求，并结合国内外先进的支护技术和发展方向［4，5］，新城金矿优先采用的预支护形式主要有以下3种:

(1)超前钢管与U型钢拱架联合支护。该支护方案就是在紧临掌子面先安设一架25U型钢拱架，然后以25U型钢拱架为支点，沿巷道顶板打超前钢管，钢管长度1.5 m，上仰角度6°左右，环向角度15°，纵向间距100 mm，每排平均13根Ф50 mm的钢管，具体布置如图1所示。

(2)U型钢拱架插板法。该支护形式与超前钢管法原理基本相同，只是所采用的材料有所不同。该方法以U型钢拱架为骨架，背后采用密集的钢板和木板来封闭顶板与两帮，以防止松散的充填体冒落与流出。具体支护工艺与参数为:U型钢拱架紧临掌子面架好后，在其顶梁上前方充填体内插入钢板，同时在U型钢拱架两帮沿巷道方向插入木板，每次进尺1 m左右。U型钢拱架采用25U钢，每架间隔1 m，钢板厚10 mm，长度1.5 m，木板规格为宽250 mm，厚30 mm，长1 m。此种超前支护方式尤其适用于极为松散的矿岩体的开挖。

图1 超前钢管与U型钢拱架联合支护(单位:mm)

预支护方案充分考虑了充填体自稳性差的特性，以防在开挖时巷道轮廓尚未形成便垮塌了，所以采用此种形式加固的目的是暂时稳住上覆岩层，然后在此预支护后的充填体内掘进巷道，安全性系数明显提高。

图2 超前混凝土拱支护(单位:mm)

2.2 预支护方案的优选

在技术上和经济上比较上述3个预支护方案，结果见表1。

表1 3种方案比较表

从表1可知，第3种方案最经济，但是对于充填体这种软破介质来说，当来压增大时，作用在支护结构上的力将大为增加，有破坏支护结构的危险，安全系数不高。而对于第1种方案，它虽然经济上比较高，但是利用钢管的高抗弯性能，对待开挖的巷道能够起到很好的预支护作用，因此，本文选用第一种方案进行预支护。

3 预支护方案的验证

对于上面选定的预支护方案，即超前钢管与U型钢拱架联合支护，应用力学理论对其进行验算。根据图1的预支护结构，将其等效为外伸梁结构模型，如图3所示。

图3 等效力学模型

将外伸梁AC看作是由简支梁BC和固定在B处的悬臂梁AB组成。

在图4(a)中，将AB段的均布力等效为剪力FQ和弯矩

在弯矩M作用下，可得出B处的转角为:

在均布力q作用下，可得出B处的转角为:

将(1)和(2)叠加，得出M和q共同作用下B

处的转角为:

图4 力学模型分析

悬臂梁AB整体转动了一个θB，则与转角θB相应的A处的挠度为:

在图4(b)中，在均布力q作用下，悬臂梁AB的端点A挠度为:

将(4)和(5)叠加，得出A处最终的挠度为:

将 l1=0.6 m，l2=0.9 m，q=2.13 ×103×20 ×9.8 kN/m=417.48 kN/m(最坏的情况)，E=170代入公式(6)中，得出:

由结果可知，当钢管总长度为1.5 m时，A处的挠度为62.6 mm，而相邻钢管纵向之间的距离为100 mm，即A处最大位移不超过相邻钢管间的距离，满足工程上的要求，因此选定的预支护方案─超前钢管与U型钢拱架联合支护是可行的。

3 结论

(1)影响充填体内巷道稳定性的主要因素是充填体自身强度和巷道上覆岩层应力，且充填体内巷道稳定性差，破坏形式多种多样;

(2)针对充填体内巷道变形特征，结合新城金矿充填体的特点以及回采工作对巷道稳定性的基本要求，综合比较提出安全合理的预支护方案─超前钢管与U型钢拱架联合支护;

(3)建立力学模型，应用力学理论对所选支护方案进行计算，分析得出所选方案满足工程要求，即超前钢管与U型钢拱架联合支护是安全经济合理的支护方案。

［1］古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京:冶金工业出版社，2006:10-35.

［2］于润沧.采矿工程师手册(下)［M］.北京:冶金工业出版社，2009:21-30.

［3］崔栋梁，李夕兵，赵国彦.新城金矿难采矿体采场结构参数数值模拟分析［J］.江西有色金属，2006(03):13-17.

［4］冯盼学，杨小聪，解联库，等.常规支护技术在充填体巷道或硐室中的创新应用［J］.有色金属(矿山部分)，2014(01):1-4.

［5］马 光，张小刚，朱 伟.充填体内开挖巷道的数值模拟稳定性分析［J］.中国高新技术企业，2012(18):70-71.