地压与支护方式选择研究及应用

方自生

(芜湖文武玄武岩矿业有限公司，安徽 芜湖 241319)

1 基本概况

南陵县戴家汇铜矿为接触交代矽卡岩型铜矿，矿体主要赋存于花岗闪长斑岩与围岩接触带矽卡岩中，与石炭系黄龙组、船山组灰岩接触处矿体较厚、品位较好。

（1）工程地质条件。矿石及顶底板岩石为块状结构，围岩以层状结构。受F1断裂节理裂隙及地下水的影响，岩石常夹软弱夹层，易于膨胀，且具有强的高岭土化、绿泥石化岩（矿）石稳固性较差，井巷开拓时易于产生片帮、冒顶等不良现象，工程地质条件为复杂型。

（2）水文地质条件。矿床各含水层由于受F1断裂带影响，地层出露不全，矿床主要含水层为碳酸盐岩岩溶裂隙水～溶洞水，其次为构造裂隙水，根据地质资料预测-290m水平正常涌水量为7000m3/d；最大涌水量为12000m3/d，属大水矿山；水文地质条件较为复杂型。

（3）巷道地压显现情况。巷道主要布置于底板围岩中，围岩总体岩性较差，岩体强度低，裂隙较发育，完整性不好，易膨胀粘土质成分含量高，巷道掘出后松动圈半径较大，巷道变形持续时间长；巷道顶板下沉及两帮内移量大，受采动影响破坏严重，造成巷道维护困难；已施工稳定段两帮变形基本在400mm～500mm，二次支护后主要变形在底鼓，底鼓量600mm左右，中间喷层开裂严重，拱形顶板基本成为平顶。该巷道的维护特点为：①-190m回风平巷埋深大，距地表350米，沿矿体下盘布置，断面为2.2×2.5m2，穿过岩层为粉砂岩、白云质灰岩、矽卡岩，花岗闪长斑岩、角砾岩，其中穿过F1断层约60米，该断层为压扭复合断层。除了花岗闪长斑岩不含水外，其他岩层的涌水量30m3/h～400m3/h。②巷道平均允许暴露时间在8h～11h，施工控顶难度大，打眼、安装锚杆、锚索等工序操作相对困难，存在涌水现象，对施工队伍的操作水平、施工质量和现场的管理水平等要求相应较高。先期施工巷道采用了锚架联合支护、钢筋混凝土封闭支护、普通锚喷等支护巷道变形严重，顶板下沉、帮板收敛、底鼓，整个断面来压，维修周期仅为0.5年～1.2年，急需解决此类高压软岩巷道的支护方法和长期稳定性问题。

2 支护技术体系

2.1 强化锚杆及配套支护手段

提高钢筋梯、网等支护材料的刚度与锚杆、锚索承载性能的匹配，强化组合支护系统整体强度。

2.2 强化组合、注浆加固，提高围岩应力状态

除了采用组合支护外，辅助以高强并具有一定韧性的钢纤维混凝土喷层，并在靠近巷道表面200mm～500mm范围、破裂围岩内注入水泥浆液，对巷道表面、破裂松动岩体进行有效的修复与固结，改善围岩完整性、提高围岩强度；注浆与锚杆统一起来实现锚注一体化，提高岩体变形刚度。

2.3 关键技术手段

①采用高强配套支护材料。主要支护有：高性能超高强锚杆、大托盘、新型阻尼螺母和高预紧力锚索。②锚网索喷支护。锚杆（索）、高强预应力钢筋网、喷射混凝土的配比及标号要求。③特殊地质带，打孔注浆加固、底板加固。

3 支护方法工业试验

初步设计中给出断面为直墙三心拱，该类型的拱顶受力薄弱点在大圆弧和小圆弧的接点处，因此将实际施工断面形状设计为直墙半圆拱。因矿山各类用途不同的巷道断面尺寸大小不等，采用不同的支护方法。

（1）井巷工程规格。戴家汇铜矿为新建矿山，各类用途的地下工程都有，断面面积从5m2～18m2，其中提升机硐室9.2×5.6m2。

（2）确定巷道支护形式。按照毛断面面积在9m2以下、以上、提升机硐室来确定支护形式。9m2以下顶、帮板均采用锚网喷（钢纤维）联合支护，底板采用厚度为300mm单层钢筋混凝土浇底；9m2以上巷道顶板采用锚网+锚索+钢筋梯+喷，巷帮采用锚网（索）支护，底板采用厚度为400mm双层钢筋混凝土浇底；提升机硐室采用锚网+锚索+钢筋梯+钢纤维砼喷射+注浆；特殊地质采用自固式注浆锚杆加固底板（锚杆参数：长1.5m，间距0.8m，排距1m），形成反拱结构；底浇筑底板混凝土标号不低于C25。

①支护材料规格

顶锚杆：Ф18mm×1500mm螺纹钢锚杆；

1993年，刚刚30岁的王逸平被确诊患有克罗恩病，克罗恩病尚无法治愈，只能靠药物控制。在随后长达25年时间里，王逸平以抱病之躯，先后承担起国家科技重大专项、科技部专项、863项目、国家自然科学基金委项目、中科院重大专项等众多研究任务。2018年4月11日，王逸平因病在办公室离世，年仅55岁。

帮锚杆：Ф16mm×1200mm螺纹钢锚杆；

锚杆托板：150mm×150mm×10mm方形钢板；

锚索规格：Ф15.24mm×5000mm钢绞线；

锚索托板：300mm×300mm×10mm方形钢板；

锚索锚具：OVM15型单体锚具；

锚固药卷：S2360型双速树脂药卷；

金属网：网格为50mm的矿用方形金属网，规格为2.5m×1.2m；

钢筋梯：采用Ф12mm圆钢焊接而成宽度120mm长度3m钢筋间距约80mm～100mm钢筋梯。

②巷道支护参数

顶锚杆：间距为0.6m，排距为0.6m；帮锚杆：帮锚杆至顶板向下300mm处按间排距0.6×0.6m打安，切眼至顶板向下0.2m处按间排距0.6×0.6m打安；锚索在顶板正常段间距为1.6m，排距为2m（遇地质构造顶板不稳定时采用全锚索支护，间距0.8m，排距1m）。

此外，针对软岩在掘进时巷道顶板来压加大，届时根据顶板来压变化情况对巷道支护设计进行调整。

图1 锚网索喷支断面布置示意图

4 工业试验

4.1 锚网索喷支护

及时清理工作面浮石，定好锚杆的孔位，安装完所有的锚杆后及时初喷混凝土（钢纤维）封闭围岩，防止围岩风化潮解，喷层厚度50mm～70mm；厚度达不到要求的要进行二次复喷，混凝土配比：水泥：黄沙：石子=1:2:2。使锚杆（索）、金属网、钢筋梯梁与混凝土形成强度加固圈。

（1）锚杆安设要求。①锚杆螺纹外露长度为30mm～50mm；锚固力：顶锚不小于64KN，帮锚不小于50KN。②顶板不稳定段及巷道两帮挤压变形过大等特殊情况需调整支护形式和制定相关安全措施。③顶锚杆角度不小于75°，遇裂隙时尽量要与裂隙面垂直布置；帮锚杆要垂直巷帮布置，托板要垂直于顶底板。④锚杆间排距误差不得超过±0.1m。

（2）铺联网钢筋梯梁要求。及时清理工作面的浮石，先定中间顶部三根锚杆的孔位，用YT-28风钻打孔并安装，5分钟后将金属网及钢筋梯梁同时安装到位，上好托盘并用锚杆机拧紧螺母（扭矩不低于90N.m）,直到拧不动为止,使托盘紧贴岩面；然后钻孔安装其余钢筋梯梁的锚杆。顶网长边垂直巷道中线铺设（帮网长边沿巷道走向铺设），相邻网搭接不少于10cm，并用16#双股铅丝每隔15cm将网相连，且拧紧不少于3圈。

（3）锚索支护要求。①锚索承载能力应在230KN以上，张拉预紧力为95KN。②锚索外露长度从索具算起不大于350mm。

4.2 工业试验中的注意事项

（1）巷道交叉口均采用锚杆、金属网、钢筋梯、锚索进行联合支护，大型牛鼻子处采用锚索+槽钢钢带2～3排进行锁口、排距为1m。

（2）根据顶板情况，在破碎顶板或压力大时，适当加密锚索，加密补打帮锚杆。

（3）交叉点，网要连接合理，帮锚杆要垂直岩壁，抹角处控顶距超过30cm时要补打锚杆。

5 观测结果与结论

（1）巷道传统支护位移观测。矿山建设初期，巷道采用传统支护方式，部分巷道为素（钢筋）混凝土。开始两个月，素（钢筋）混凝土巷道顶板下沉速度和两帮相对移近速度明显，传统支护几乎全部破坏，巷道表面位移急剧增大。半年后，围岩处于稳定状态，但巷道仍有不小的变形量，由于深部围岩具有蠕变特性，巷道仍保持一定的变形速度，经测量最终巷道顶底最大移近量为370mm，两帮最大移近量为470mm。

（2）巷道（维修巷道）强化组合支护位移观测。依照强化控制理论和技术方案，对已破坏的巷道进行了修复，巷道整体支护状况良好，尤其在采用锚索强化支护后，顶底板、两帮相对移近速度快速降低并趋于稳定，两帮及顶底板相对移近量显著减小，巷道变形得到有效控制，变形稳定后，巷道顶底板相对移近量最大为82mm，两帮相对移近量最大为54mm，均处于可控制范围内。对后期施工的巷道按照本次论文中的支护技术参数进行了有效支护，施工过后的巷道至今没有出现明显裂纹、掉块、起层、变形等现象。

（3）结论。①传统支护体系承载能力不足以抗衡高地压软岩强烈的地压突出，致使巷道严重变形，维护困难。为较好地控制巷道的大变形和维持巷道的长期稳定，应积极研究采用新强化组合支护体系[2]。②强化组合支护体系，强化锚杆及配套支护手段、提高巷道浅部围岩应力状态、破裂围岩的注浆加固、提高强度、强化关键技术手段，较好解决了高地压软岩巷道的大变形失稳问题，对同类巷道的支护设计有借鉴作用。

[1]李宝玉.《高地压软岩巷道围岩组合控制技术》中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn

[2]司文.《高地压软岩巷道控制技术》中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn