超前锚杆预支护在梅山铁矿软岩巷道的应用

鹿　魁

(南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司)



超前锚杆预支护在梅山铁矿软岩巷道的应用

鹿魁

(南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司)

摘要在矿山井巷施工中，经常要穿过松软岩层、断层及破碎带，由于巷道顶板松散破碎，围岩自稳时间极短，往往一掘即冒，为有效约束围岩在爆破后的一定时间内不发生坍塌,从而为工程正常开挖和系统支护提供安全的作业时间，在梅山铁矿二期延伸工程软岩巷道施工中，采用超前锚杆预支护技术对巷道顶板提前进行加固，在其保护下进行后续开挖、出渣和衬砌等作业，有效避免了巷道冒顶事故的发生。现场实践表明，实施超前锚杆预支护对于提升松软破碎岩石巷道施工安全和加快施工进度具有显著作用和重要意义。

关键词软岩巷道超前锚杆预支护循环进度

梅山铁矿是目前国内最大的黑色冶金地下矿山之一，属于矿浆贯入、气液交代型铁矿床，赋存于梅山短轴背斜N W冀的辉长闪长玢岩与安山岩的接触带内。矿体顶板为矽化、高岭土化辉石安山岩及凝灰岩，底板为辉长闪长玢岩，由于受残余气液交代作用影响，岩石具有强烈的硅化、碳酸盐化、高岭土化、黄铁矿化，尤其高岭土化使岩体强度明显降低，容易失稳。矿区节理裂隙发育，围岩具有不同程度的破碎，岩体整体性较差。随着开采深度的加大，地压显现日益严重。矿山二期延伸工程北风井-405 m水平1#通风石门巷设计净断面宽4.5 m,高3.6 m，三心拱，1/3拱高，巷道围岩为硅化、黏土化凝灰岩，f=4～6，受断层控制，岩石节理裂隙发育，围岩破碎，整体性差，爆破后数小时即出现垮冒，给施工安全带来极大影响。

1超前锚杆预支护机理

超前锚杆预支护机理：超前锚杆与破碎体组成一个中间部位刚度极低的梁，而沿巷道周边的这种梁，在变形过程中调整上部破裂块体，使其形成三维拱壳结构，充分发挥围岩自承能力，形成人为拱效应，达到预支护的目的[1]。在推进方向上，各锚杆的作用范围相互叠加，形成支承拱，并随巷道向前推进而推进，从而使超前锚杆群形成一个整体，增加了超前锚杆群对巷道围岩的支承能力。

2超前锚杆支护参数设计

依据北风井-405 m水平1#通风石门巷具体工程地质条件、现场施工状况及支护要求选取超前锚杆及支护参数。

2.1锚杆种类

超前锚杆可采用钢筋水泥砂浆锚杆或缝管式锚杆，根据现场使用情况，选择梅山铁矿基建巷道支护中普遍使用的全长黏结型钢筋水泥砂浆锚杆，其具有适用范围广、成本低、取材便利、易推广的特点。为了尽早发挥超前锚杆的预支护作用，采用早强砂浆作为锚杆杆体与岩层孔壁的胶结物。

2.2锚杆材质

为提高锚杆的锚固力，杆体材料采用20MnSi Ⅱ级建筑用左旋无纵筋螺纹钢，其表面有凹凸纹理，不需要做任何处理即能够保证锚杆与锚固剂之间较高的黏结强度。Ⅱ级建筑螺纹钢锚杆屈服强度为335 MPa，极限强度为510 MPa，普通Q235圆钢锚杆屈服强度为240 MPa，极限强度为380 MPa，前者强度显著提高。

2.3锚杆杆径与锚孔直径

对于全长黏结型钢筋砂浆锚杆，杆体直径一般为16～25 mm。选择φ18 mm螺纹钢锚杆，屈服力Ps=85 kN，平均破断力Pb=129 kN。考虑到孔径与杆径的合理匹配，选择锚孔直径为40 mm,采用φ38 mm钎头钻凿。

电压变换电路的作用是将整流电路输出的直流电压转换为系统供电所需的12 V直流电压。电压变换电路包括MOSFET功率开关管、功率二极管、脉冲发生器、储能电感、滤波电容、负载等组成,其中负载选用10 Ω电阻,电路仿真模型如图5所示。电路输入端接整流电路输出的直流电压,输出电压加载在负载R上,通过测量仪表检测负载两端电压电流情况。

2.4锚杆外插角及杆体长度

超前外插角过小，锚固体的抗弯强度减少，无法很好发挥“梁”的作用， 但如果外插角过大 ，则超前锚杆加固范围 (控顶距) 会减少，同样也会影响工程进度。根据矿山现场情况，取15°～30°较为合适。

杆体长度应根据围岩地质条件、开挖循环进度、外插角、钻孔机械类型等因素综合考虑确定[2]。可用下式估算：

(1)

式中，L为超前锚杆长度，m；α为锚杆外插角，根据1#通风石门巷围岩地质条件，取25°；L1为循环进度，根据围岩条件和施工组织确定，一般每循环控制在1.5～2.0 m，取1.6 m；L2为杆体外露水平投影长度，取0.1 m；L3为杆体留在循环进度外岩体中的水平投影长度，不宜小于0.4 m,取0.5 m。

计算得出L≥2.43 m，取L=2.5 m。

2.5锚杆布置

根据北风井-405m水平1#通风石门巷现场情况，超前锚杆沿拱基线以上巷道轮廓线按中线对称布置。锚杆横向间距为0.5 m，锚杆径向间距(排距)为1.6 m，与循环进尺相同，每环锚杆数量为13根。超前锚杆支护设计参数见表1。

表1　北风井-405 m水平1#通风石门巷

3超前锚杆预支护施工

超前锚杆预支护施工工艺流程：交接班→顶板喷浆临时支护→登碴打超前锚杆眼→安装锚杆→出矸石→锚网永久支护→迎头钻炮眼→装药放炮→通风→进行下一循环。

超前锚杆施工需与光爆锚喷施工有机结合。超前锚杆预加固后，再进行断面开挖。

开挖采用光面爆破，尽量减少爆震裂隙和围岩表面凹凸不平，避免应力高度集中;必须做好爆破药量控制，减少爆破对围岩的扰动。爆破后进行机械通风不少于30 min。待炮烟散尽后进入工作面撬毛。撬毛结束，即对顶板进行喷射混凝土临时支护，能及时对围岩提供抗力，早强密贴，并可在喷入裂隙一定深度内对岩体加固，抵抗岩石的剪切，提高围岩的承载能力，有效防止围岩松动失稳。为保证临时支护效果，喷射厚度不得小于50 mm。

喷好拱后，登碴打超前锚杆眼，安装锚杆。打眼时，必须严格按照设计孔位、深度和倾角进行施工。锚杆安装前，应用高压风清孔，将孔内的岩粉、碎屑吹干净。砂浆的配合比直接影响着砂浆强度、注浆密实度。采用42.5级早强水泥，中细砂粒径不应大于2.5 mm，使用前过筛。施工时，水泥：砂控制在(1∶1)～(1∶1.2)，水灰比控制在0.38～0.45。水灰比过小，可注性差，也容易堵管，影响注浆作业；水灰比过大，杆体插入后，砂浆易往外流淌，孔内砂浆不饱满，影响锚注效果，尤其对于顶板超前锚杆更须注意。砂浆必须拌和均匀，随拌随用。为保证注浆质量，采用先注后锚的方法，注浆时，注浆管应插至距孔底50～100 mm，随砂浆的注入缓慢匀速拔出，避免拔管过快而造成孔内砂浆脱节，保证锚杆全长被足够饱满的砂浆所握裹。杆体插入后，若孔口无砂浆溢出，应及时补注。锚杆端部必须推至孔底，尾端露出岩面的长度不得大于150 mm。

超前锚杆打注完成后，出渣,喷墙，并在前一循环的超前锚杆加固处进行按常规打径向锚杆、挂金属网、喷混凝土至永久支护厚度的喷锚网联合支护，如此循环。

为保证施工安全，在进行超前锚杆加固作业及后续作业时，安排专人时刻观察顶板围岩的变形情况。超前锚杆预支护示意见图1。

4应用效果

北风井-405 m水平1#通风石门巷破碎带长30 m，实施超前锚杆预支护，循环进度控制在1.6 m以内，共设置超前锚杆21排，有效避免了巷道冒顶事故的发生，保障了施工安全；采用滚班作业，平均3 d 2个循环，1个月顺利通过，加快了破碎带施工进度。超前锚杆采用浅孔凿岩设备钻孔，所需机械设备、材料没有特殊要求，工艺简单，取材方便，成本低。对破碎带顶板提前加固，避免冒落，相比破坏后修复省时省工，经济效果好。

5结语

(1)实践证明，实施超前锚杆预支护，能够有效控制顶板变形，避免巷道冒顶事故的发生，对于提升松软破碎岩石巷道施工安全和加快

图1　北风井-405 m水平1#通风石门巷超前锚杆预支护示意(单位：mm)施工进度具有显著作用和重要意义。

(2)超前锚杆支护参数选择、施工顺序和施工质量是超前支护成败的关键，必须根据矿山工程实际选取合理的支护参数，并做好施工质量控制工作。

(3)超前锚杆预支护适用于不含水或含水较小的松散破碎岩层；对于含水较大的松散破碎岩层，必须采取综合防治水措施，尽量疏干后开挖，必要时采

取预注浆等加固措施。

参考文献

[1]陶龙光，侯公羽.超前锚杆预支护机理的模拟试验与成拱力学模型研究[J].中国矿业大学学报，1995，24(3)：35-42.

[2]周桥，高谦，许海涛.破碎带工程围岩超前锚杆加固外插角研究[J].煤炭学报，2009(12)：1594-1598.

(收稿日期2015-12-28)

鹿魁(1972—),男，工程师,210041 江苏省南京市雨花台区西善桥。