预控顶支护在分段空场嗣后充填法中的应用

裴 斌， 王怀勇

(1.西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司， 内蒙古 锡林郭勒 026200；2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

国家对矿山开采的环境保护要求越来越严格，使得充填法成为了主要的采矿方法[1]。原来的空场采矿法也随之转变为空场嗣后充填法[2]。空场嗣后充填采矿法对于采场顶板稳定性有一定要求，以满足工人在空场下安全作业的需求，这一要求也成为该采矿方法推广应用的决定性因素之一。分段空场嗣后充填法具备生产效率高、开采强度大等优点，在许多矿山中得到了广泛的应用[3-6]。

在采用空场嗣后充填采矿法过程中，对于部分采场顶板稳定性较差的情况，可以建立合理的顶板管理制度，如在开采过程中采取控制爆破落矿工艺、按反倾节理层的厚度分布布置炮孔排距、采用分段爆破等方法进行采场顶板的维护[7]。西北某铜矿9号采场采用分段空场嗣后充填采矿法进行开采时，其上盘围岩节理裂隙特别发育，是采场发生大冒落的区域,采场顶板采用了喷锚网联合支护,但该种支护没有根据采场顶板稳定性进行适时的方案调整，导致部分采场出现冒落现象[8]。金山店铁矿西区分段空场嗣后充填采矿法，顶板上方存在一条断裂破碎带，造成顶板垮落，无法形成采空区，因此采用了长锚索预控顶支护方法，并通过理论计算与数值模拟确定了合理的顶板参数[9]。阿舍勒铜矿700 m水平采用分段崩落阶段空场充填采矿法，因采场顶板破碎，采用了锚索支护的预控顶支护方法，其7个采场得以顺利回采[10]。

内蒙古某多金属地下矿17#矿体走向85°，倾向北西，平均倾角85°，矿体平均厚度17.4 m，走向长度800 m左右。17#矿体主要为铜锡银锌矿体，属断裂构造控制的中低温热液型脉状铜铅锡银锌矿床。矿体主要赋存在F3断层带上盘黄铁绢英岩化碎裂岩内，矿化以脉状、网脉状产出，以黄铁绢英岩化、萤石化、高岭土化为主，从施工的沿脉工程来看，矿体最富集部位，高岭土化、萤石化较强，高岭土呈带状产出，遇水后呈泥状，巷道易冒落。矿体赋存于F3断层上盘断裂带内，构造发育，节理纵横交错，增加了开采难度，开采条件较为复杂。

针对内蒙古某多金属地下矿，采用空场嗣后充填采矿法时出现的局部顶板大规模冒落，本文采用了预控顶支护技术，该技术有效地解决了顶板冒落问题，使得矿山对该部分矿体实现了安全回采。

1 采场支护方法选择

目前采用沿走向布置的分段空场嗣后充填采矿法，分两步开采，一步回采矿柱，采场长度20 m，二步回采矿房，采场长度40 m。分段高度20 m，每个采场含两个分段，凿岩水平为820 m、840 m、860 m和880 m分段，出矿水平为820 m和860 m分段。

17#矿体中部的上盘围岩、矿体、下盘围岩整体稳定性条件较好，但存在局部稳固性差，且较破碎，况且目前820 m至860 m分段已基本回采结束，现场已有部分采场形成了较大的空顶高度，造成局部顶板冒落事故的可能性较大，这种情况下仅采用喷锚网支护还存在一定的风险，考虑到顶板下作业时间较长，因此需要采取更加安全的预控顶方案。

结合矿山的开采技术条件，对900 m分段、920 m分段17#矿体嗣后充填采场，以及800 m分段17#矿体扩帮采场，在喷锚网支护的同时，增加长锚索进行预加固的联合支护方式。该支护方式能通过锚杆、网片及喷浆体形成组合梁，再利用锚索把岩体连成一体，借助杆体的悬吊作用，来提高采场顶板的岩体稳定性，可以有效地防治冒落，从而为回采提供安全的作业环境。

金属矿山中，一般都采用钻孔台车等设备施工钻孔，使用注浆锚索在上向孔安装锚索时工序繁琐，锚索表面清洁处理困难，也不容易施加预应力，因此我矿在实际施工中采用了树脂锚索，由树脂锚索取代注浆锚索，且树脂锚索施工工艺简单，安装速度快，比较容易施加预应力，在顶板支护效果上比较明显。

2 锚索支护参数设计

锚索支护参数可运用数值计算方法确定：据岩层赋存状态确定合理的锚索锚固位置及长度；据简支梁和薄板理论计算所需要的加强支护强度；据所选锚索材料力学性质参数确定锚索布置参数[11]。根据上述计算方法，确定900 m分段采用长度为3.5 m、5 m，直径为15.2 mm锚索，支护网度为1.5 m×1.5 m；920 m分段采用长度为8 m，直径为15.2 mm锚索，支护网度为2 m×2 m；围岩较好地段只使用锚索进行支护，围岩较破碎段结合锚网索联合支护形式。

现在17#矿体900 m分段Ⅰ-6、Ⅰ-8、Ⅰ-12采场及920 m分段Ⅰ-10采场、13-1线至1-1线之间的采场，均进行了锚索预控顶支护，900 m分段Ⅰ-8采场和920 m分段Ⅰ-10采场已回采结束，900 m分段Ⅰ-6、Ⅰ-12采场正在回采，现空区顶板都比较稳定，没有出现较为严重的片帮和顶板垮塌现象。

3 采场预控顶支护方案

针对矿体厚度不同，采场预控顶支护采用全断面支护和预留间柱两个方案。

(1)全断面支护方案

920 m分段17#矿体采场当矿体厚度小于8 m，采场沿走向进行拉底扩帮，扩帮时采用锚网支护，锚杆采用长度3 m的树脂锚杆，间排距均为1 m，中间采用直径15.2 mm、长度8 m的树脂锚索，网度为2 m×2 m，采场两帮采用60°～70°倾角钻孔，安装长度8 m的树脂锚索，局部辅以短锚杆支护，如图1所示。

1.采场边界 2.联络道 3.保安矿柱 4.长锚索 5.锚杆图1 全断面支护方案

(2)预留间柱支护方案

矿体厚度大于8 m或扩采采场面积大于200 m2以上的采场，应留设间柱。如800 m分段17#矿体扩帮拉底采场，以沿脉巷或出矿进路作为自由面，选择合适位置预留4 m宽的间柱，其余将矿体全部扩帮到采场边界位置，间柱附近的长锚索向外倾斜一定角度。扩帮时采用喷锚网支护，树脂锚杆长3.0 m，排距、间距均为1.0 m。正常锚索孔采用竖直钻孔，间柱处采用60°～70°倾角钻孔，锚索参数与全断面支护方案相同，如图2所示。

1.采场边界 2.联络道 3.保安矿柱 4.长锚索 5.锚杆图2 预留间柱支护方案

4 锚索施工

8 m锚索选用直径Φ21.5 mm的钢绞线，树脂药卷选用2350锚固剂，锚索钻孔使用华泰CYTC70型潜孔钻机，改装后施工孔径45 mm，每孔装入3卷树脂锚固剂；3.5 m和5 m锚索选用直径15.2 mm的钢绞线，树脂药卷选用2335锚固剂，钻孔使用YT 28凿岩机，孔径32 mm，先用短钎钻一浅孔，再用长钎钻孔达到要求孔深，每孔装入3卷树脂锚固剂。锚索孔施工完成后，安装锚索前必须进行洗孔，将钻孔内的岩粉碎渣冲洗干净，现将树脂锚固剂送入孔内，再将锚索穿入钻孔，锚索送入孔内后，使用锚索钻机进行边送边搅，通过杆体搅破锚固剂卷，使用锚索钻机送进时速度要均匀，搅拌要充分，待搅拌结束15 min后方可进行拉拔安装锁具。

5 支护监测

(1)锚索测力计

为了掌握长锚索的受力情况，采用锚索测力计对锚索的受力变化情况进行监测。选用了MCJ- 200系列振弦式锚索测力计。MCJ- 200系列振弦式锚索测力计由优质弹性合金钢制作的弹性圆筒、密封壳体和3(或4)根振弦及电磁线圈、电缆等组成。

当被测载荷作用在锚索测力计上，将引起弹性圆筒的变形并传递给振弦，使振弦的张力发生变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至MCJ- 200系列振弦式读数仪上，即可测读出频率值，计算出作用在锚索测力计相应的载荷值。连续观测1个月，每1～3天观测一次并记录压力值。

(2)顶板离层仪

选用了YHW150型顶板离层仪，监测长锚索支护采场顶板的沉降量。YHW150型顶板离层仪用井下监测顶板沉降的智能化仪表，具有监测和光报警的功能。长度20 m采场布置4个，竖直安装，孔深约5 m，配套一个数据采集器，每天启记录一次数据，直到采场全部采完。YHW150型顶板离层仪的量程为0～150 mm，也可以设置报警值，一旦位移量超过设定值，离层仪会发出红光报警。

6 结论

(1)在该矿17#矿体应用喷锚网+长锚索预控顶联合支护方式是成功的，针对不同矿体厚度和采场面积大小分别采用了不同的支护方案，在采场顶板支护中取得了良好的效果。

(2)实践证明，该种采场预控顶支护方法在改善顶板力学性能、提高顶板自承载能力、控制顶板位移，保持顶板的稳定性上发挥了较大作用。

(3)对于采用分段空场嗣后充填采矿法时产生的局部顶板冒落现象，采用预控顶支护是一种行之有效的措施。