缓倾斜中厚矿体顶板安全管理研究

刘敏

(北京博鼎诚工程设计有限公司涿州分公司， 河北 涿州市 072750)

0 引言

湖北宜昌地区的矿山对以缓倾斜薄至中厚矿体一般采用房柱法、全面法等空场法进行地下开采[1]，随着矿山开采深度逐步加深，其采场顶板的稳定性是急需解决的主要问题。

宜昌某磷矿Ph22矿层的顶板稳定性较差，尤其是遇断层破碎带时更易出现塌顶事件，必须予以高度重视并采取有效的顶板管理措施。在保证回采作业安全的前提下，提出顶板岩体分级管理制度，针对不同级别的采场顶板采用不同的支护方式。

1 开采技术条件

该磷矿自上而下依次赋存 Ph22、Ph21及 Ph133个磷矿层，其中Ph22为本矿段主要工业磷矿层，其平均厚度为9.32 m，矿体倾角为4°～10°，属缓倾斜薄至中厚矿体。

本矿段的水文地质边界条件较复杂，属无限补给的边界类型。工业磷矿层顶板围岩以坚硬～半坚硬碳酸盐岩为主，直接顶板为层状夹薄层状泥质云岩和云质泥岩，其中较软或相对软弱结构面发育，属于稳定性较差围岩。

矿山于 2011年开工建设，经建设施工揭露，发现矿段内工程地质、水文地质条件复杂，矿岩结构及稳固性较差，断裂构造复杂且控制程度较低，坑内涌水量大。

2 采场顶板安全管理

2.1 采场顶板稳定性分级

影响矿岩稳定性的因素不仅多而且较复杂，大部分参数不能被准确的量化。在回采过程中，根据实际揭露后的岩体结构类型、地质构造、结构面特征和破碎程度，参照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）、《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB 12719—91）中关于岩体分级的规定，将该矿段顶板岩体稳固性分为3个级别[2]，见表1。

在回采前加强探矿工作，明确顶板软硬、稳固程度、地质构造和破碎程度、顶板的透水情况等地质条件，对岩体完整性指标进行预估。参照顶板岩体级别分类表，将揭露的顶板岩体划分等级，按照顶板安全管理制度采取相应的支护方式。

2.2 顶板支护方式

通过理论计算，并参照类似矿山采场顶板支护方式及其支护参数，推荐采场顶板的主要支护方式为锚杆+长锚索联合支护。针对稳定性较差的顶板，采用钢筋网+喷射混凝土配合锚杆、锚索联合支护。根据顶板岩体分级，不同级别的顶板采用不同的支护参数[3]。

2.3 支护方式及支护参数的确定

2.3.1 锚索支护参数设计

根据普氏理论及秦氏公式，上覆岩层压力按公式（1）计算。

表1 顶板岩体的分级

式中，P为上覆岩层压力，kN；a为采场宽度的二分之一，m；b为坍落拱的高度，m；γ为上覆岩层的体积密度，kN/m3；L为采场长度，m；h为采场高度，m；φ为岩石的内摩擦角，°；f为普氏坚固性系数。

锚索设计承载力Nt、锚索锚固力Nm分别按式（3）、式（4）计算。

式中，Nt为锚索设计承载力，N；Nm为锚索锚固力，N；m为锚索张拉应力控制系数；n为钢绞线根数；S为单根钢绞线参考截面面积，mm2；Rm为钢绞线抗拉强度，MPa。

应用悬吊理论，按式（5）计算锚索支护数量。

式中，n为锚索数量，根；P为采场内锚索应承受总压力，kN；Ns为预应力锚索锁定后的预应力值，kN。预应力锚索锁定后的预应力值不应小于设计值的90%。

预应力锚索主要包括内锚固段、张拉段、外锚头3部分，锚索长度按式（6）确定：

其中内锚固段长度按式（7）确定：

式中，L1为内锚固段长度，m；γ0为结构的重要性系数，0.9；ψ为设计状况系数，0.95；γd为结构系数，1.3；γc为黏结强度分项系数，1.2；γp为单根预应力锚索张拉力分项系数，1.15；Pm为单根预应力锚索超张拉力，kN；D为锚索孔直径，mm；c为胶结材料与孔壁的黏结强度，MPa，取 1.2～0.8；L2为自由端长度，按被锚固围岩的厚度计算，m；L3为外锚头长度，m，取0.75～1.0。

2.3.2 支护参数确定

施工前首先要探明矿层直接顶板内泥质泥晶白云岩厚度及位置，根据软弱层的厚度，调整锚杆及锚索网度；根据软弱层的赋存深度，调整锚杆长度，保证锚杆能够穿过软弱层并有足够的锚固长度。锚杆的锚固深度应深浅不一，类似锯齿状，避免锚杆端部形成应力集中。

针对不同的顶板分级采取相应的支护方式和支护参数，见表2。

3 数值模拟验证

运用数值模拟软件对采场顶板锚杆、锚索支护进行了模拟分析，通过比较顶板的沉降量可看出，采场顶板锚杆、锚索支护效果明显，能有效地提高顶板稳定性[6-7]。

顶板最大沉降量出现在采场顶板中部，顶板未支护时最大沉降量达到 3.52 cm，采用短锚杆、长锚索联合支护后，采场顶板沉降量明显减小，最大沉降量减小为 1.95 cm，而且顶板岩层受开采扰动的范围明显缩小，顶板稳定性得到有效提高。采场顶板未出现明显的破坏。

顶板在支护与不支护情况下，顶板各监测点顶板沉降量见表3。

4 结语

采用顶板分级管理制度，针对采场顶板稳定性的差异采用相应的支护方式和支护参数，顶板位移减少30%，围岩收敛率降低，有效解决了采场冒落和坍塌问题，提高了工人作业安全性；矿石损失率减少11%，贫化率降低20%，采场支护成本降低7%，既节约支护成本又达到理想的支护效果，提高了矿山经济效益。

表2 顶板支护参数

表3 支护与不支护情况下顶的板沉降量