三山岛金矿深部高应力巷道支护方式研究

刘大兵，付其锐

(山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261441)

1 前言

随着矿产资源的不断开发，金属矿浅部资源逐渐枯竭，开采深度以每年25m的速度增加，金属矿已进入到千米以下的深部开采阶段[1]。随着开采的深入，巷道围岩处于高温、高地压、高渗透压的复杂环境中，出现了不同程度的工程灾害，威胁着井下的生产进度和人员生命安全[2]。

深部巷道支护技术经过多年的研究和尝试，取得了一些成功的经验。邱忠跃[3]在深部巷道支护中采用了预应力锚索锚网联合支护技术，该方案可较短时间内达到及时支护的目的，解决了该处大跨度巷道、交叉点、断层、破碎带及高应力区的支护难题，并且维修工程量小、劳动强度低、支护快捷方便。刘永等[4]通过实际研究也认为在深部巷道中使用锚索结合喷锚网效果较好。周宏伟等[5]提出了改变支护顺序的方法，即改先锚后喷为先喷后锚，并通过在素喷混凝土中掺入适量钢纤维的方法来改善混凝土喷层的整体力学性能，使之能很好地适应软岩大变形的力学特征。孔德森[6]在支护参数方面进行了研究，结果表明锚杆支护密度变化对控制效果影响较大，在一定范围内锚杆长度对巷道支护效果影响不大。综上，由于巷道赋存条件和影响因素的复杂性和不确定性，巷道变形机理不尽相同。针对三山岛金矿深部巷道在原有支护条件下变形严重的现状，通过对深部地应力的大小、方向进行测量，并分析其空间分布规律和对深部岩体质量进行质量分级，提出相应的巷道支护方案，以期达到有效控制深部裂隙岩体巷道围岩的目的。

2 工程地质条件调查

2.1 地应力测量

随着矿区开采深度不断增加，地应力值也不断增大，地温升高，开采环境急剧恶化。地压显现加剧，采场塌方、冒顶等事故隐患日渐增多，严重威胁采矿生产安全和资源充分回收。为了更好地在高地应力条件下进行支护，分别在深部进行一系列地应力测量工作，分析矿区地应力的大小、方向和空间分布规律。根据所得到的应力解除曲线，见图1，以及打孔位置岩石力学性质，最终计算得到矿山深部地应力值，其结果见表1，最大主应力σ1值达到48.93MPa，西山矿区深部已进入高地应力环境状态。

图1 应力解除曲线图

表1 深部某水平地应力测试结果

2.2 深部岩体质量分级

巷道永久支护需要根据深部岩体质量的特点而确定，根据岩体质量分级提出针对性的支护方案。通过室内岩石力学试验以三维不接触测量系统对矿山深部岩体结构面信息进行采集，为巷道支护方案设计提供可靠依据。

经过调查，巷道围岩结构面倾向310°～350°所占比例约为24.7%，85°～95°所占比例约为30%，其中以88°最多为65组。两组结构面的平均倾角小于50°，其所占比例为6.74%；倾角主要集中在50°～80°，且比例达到87.6%，其中以55°左右最多为87组。根据BQ法进行岩体质量分级：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc——岩石饱水抗压强度，试验值为55.21MPa；

Kv——岩体完整性系数。

当Rc>90Kv+30时，取Rc=90Kv+30与Kv代入式(1)中计算BQ；当Kv> 0.04Rc+0.4时，取Kv=0.04Rc+0.4与Rc代入式(1)中计算BQ。

岩体质量分级为Ⅲ级，局部破碎区域为Ⅳ级。

3 巷道顶板支护稳定性分析

3.1 最佳支护时间确定

由于巷道处于高地应力环境中，巷道围岩积累大量变形能，使得围岩处于不稳定状态，通过对巷道两帮以及顶板进行采动应力监测，根据采动应力值随时间变化值，确定围岩应力趋于平稳所需时间。监测结果如图2所示。

图2 采动应力监测结果

对掘进巷道端头两帮进行采动应力监测，在监测10～15d后巷道围岩应力释放后进入稳定阶段。应力变化趋势可以为巷道围岩永久支护提供参考。

3.2 支护参数

3.2.1 锚杆长度

经过综合分析，采用长度为2.2m的锚杆符合要求，钻孔孔径32mm，孔深2.2m。

根据采矿设计手册可进行相应支护参数验证，可用下列经验公式：

L=N(1.1+B/10)

(2)

式中：L——锚杆长度，m；

N——岩体稳定性系数，围岩稳定性较好取0.9，中等稳定取1.0，稳定性较差取1.1，围岩不稳定取1.2；

B——巷道跨度，公式适用于B≤12m。

3.2.2 锚杆间距

国内外矿山使用锚杆间距一般为0.5～2m，常用0.7～1.5m，可用下列公式验算：

a=(0.5～0.7)L

(3)

锚杆间距a取值为(0.5～0.7)×2.2=1.1～1.5m。

3.2.3 锚杆直径

国内外矿山使用锚杆直径12～42mm，锚杆直径与锚杆种类有关，可以用下列公式验算：

d=L/110

(4)

锚杆直径d取值为2.2/110=20mm。

对岩体质量分级为Ⅲ级岩体的围岩区域，采用“锚杆+钢带+喷浆”联合支护。支护参数见表2，支护布置方式见图3。

表2 中分段巷Ⅲ级岩体支护参数

图3 中分段巷锚喷支护示意图

处于不稳固状态(Ⅳ级岩体)的围岩区域，拟采用锚杆+金属网+穿筋钢带+喷浆联合支护。支护参数见表3，支护布置方式见图4。

表3 中分段巷Ⅳ级岩体支护参数

图4 中分段巷锚网喷支护示意图

4 结语

(1)大埋深高地应力环境下，对巷道进行永久性支护必须确保巷道围岩的稳定性，可以通过监测采动应力方式确定巷道围岩最大程度释放应力的时间，以确定最佳永久支护时间。三山岛金矿深部巷道最佳支护时间为掘进后10～15d。

(2)对巷道进行支护需要进行岩体质量分级，不同岩体质量需要有针对性的支护措施，相对较为破碎的顶板需采用“锚杆+金属网+穿筋钢带+喷浆”支护方式。

(3)为减小支护压力，需提高顶板围岩自承能力，需加强顶板破碎岩块之间位移约束，使破碎岩块紧密咬合在一起，并利用顶板拱形几何形状，使顶板围岩能承受部分自重。

[1] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.

[2] 何满潮.中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社,2006.

[3] 邱忠跃.深部高压破碎岩石锚索支护实践[J].煤炭技术,2005, 24(6):100-102.

[4] 刘 永,刘玉元,王树良.应力巷道深部开采支护方式探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2004，(10):58-60.

[5] 周宏伟,谢和平,董正亮,等.深部软岩巷道喷射钢纤维混凝土支护技术[J].地质学报,2001,(4):393-398.

[6] 孔德森,蒋金泉.深部巷道锚杆支护参数优化设计[J].煤,2001,(6):1-3.