深部阶段矿房层状板岩上盘长锚索预支护技术及应用

摘要：随着矿山开采往深部延伸，地压逐渐增强，致使深部层状板岩等复杂构造围岩下采场地压管理困难，导致采场生产效率无法提高等一系列深部开采难题。根据深部矿体上盘围岩实际地质情况，结合长锚索支护理论及普氏理论，提出了一种用于矿体上盘层状板岩预支护加固处理的长锚索支护技术，并根据现场实际情况进行了长锚索设计，如长锚索锚固力大小、锚固段长度、顶板长锚索支护参数及上盘沿矿体倾向长锚索支护参数等。该技术在新城金矿试验采场的应用，不仅对保障深部矿房安全开采具有重要意义，而且极大地提高了矿块的生产效率。

关键词：深部开采;层状板岩;长锚索;预支护;普氏理论;生产效率

中图分类号：TD35          文章编号：1001-1277（2021）05-0024-05

文献标志码：A   doi：10.11792/hj20210505

引 言

随着经济的高速发展，中国对矿产资源的需求日益增大，浅部易开采矿产资源已经开采殆尽，为满足国家可持续发展战略，对深部矿体及复杂地带矿体开采工作陆续展开。随着采深不断增加，地应力增强，围岩松动圈逐渐变大[1]，在巷道开挖或矿体开采过程中，矿（岩）体因机械或爆破扰动变得松散、破碎，使岩层内部应力场重新分布，对于成型较差、承载能力低的巷道或围岩较破碎、上盘出现断层等复杂地质构造时，需进行支護处理，以保证工作面的整体稳定性，确保施工安全。

深部矿体开采时，由于地压增大等原因，目前多采用上向水平分层充填采矿法或上向进路充填采矿法进行开采，矿块采矿效率较低。相应的地压管理方法也比较简单，即通过减小采场暴露面积，采用胶结充填体充填采空区，从而有效管理地压。

在深部矿体开采过程中，矿体上盘围岩成为采场地压管理的主要对象，特别是上盘围岩为层状板岩时，围岩的支护工作直接影响采场的生产效率。如何既能对上盘层状板岩进行有效支护，提高采场生产效率，又可以保证采场的稳定性及施工的安全性成为目前大多数矿山深部开采时需要探究的难题。本文通过研究实践提出了采用长锚索支护技术对上盘层状板岩进行预支护加固处理工艺，以保证在提高矿房生产效率的同时，对矿体上盘围岩进行有效支护。

1 长锚索支护

长锚索支护是一种把长锚索锚固入岩层深部，将主体结构支护应力传递到深部，稳定岩层的主动支护方式，它可以传递较大的拉应力。长锚索一般是锚杆长度的3～5倍，除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用和组合拱作用外，与普通锚杆不同的是可对巷道围岩进行深部锚固而产生较强的悬吊作用。近年来，国内外长锚索支护技术发展迅速，应用也越来越广泛[2]，在岩土边坡、交通隧道、矿山井巷、深坑基、坝基及结构加固等方面均有应用。在英国、澳大利亚等国家，长锚索支护技术的应用十分普遍，利用轻型锚杆钻机即可施工。新材料、新机具的不断出现，充实和发展了岩土锚固技术。长锚索支护技术在围岩稳定性较差的大硐室、交叉点、断层附近及受动力影响的巷道中应用前景比较广阔[3-11]。

1.1 普氏理论

目前关于长锚索参数设计的理论还不是很完善，工程实践中，普氏理论是长锚索参数设计的主要理论依据。长锚索参数设计过程中，通常会通过理论计算与工程经验相结合的方式，确定一组适合现有工程实际，又合理有效的支护参数。

普氏理论认为，梯形、矩形采场或巷道的顶板发生冒落后，采场顶部将会形成自然平衡拱，在拱顶部分会有围岩压力作用在硐顶上，形成自然平衡拱的硐顶岩体只能承受压应力，不能承受拉应力，其冒落示意图见图1。作用在深埋岩体硐室顶部的围岩压力仅为拱内岩体所受重力，在工程中为了方便，通常将硐顶的最大围岩压力视为均布荷载。冒落拱内岩体所受重力就是支护所要支撑的岩体压力，认为拱内岩体重力即是作用在长锚索上的力。

为了求得硐顶的围岩压力，首先必须确定自然平衡拱拱轴线方程的表达式，然后求出硐顶到拱轴线的距离，以计算平衡拱内岩体所受重力。按照普氏理论计算，抛物线拱可以简化为矩形拱，此时压力均布，则拱顶的压力强度为：

q=γh0（1）

顶板压力（p0）即冒落拱所受重力计算公式为：

p0=2aγh0l（2）

式中：q为采场顶板的压力强度（kN/m2）;l为采场的长度（m）;a为采场宽度的一半（m）;γ为矿岩的容重（kN/m3）;h0为冒落拱的高度（m）。

两帮不稳定时：

h0=a+htan45°-φ21f（3）

两帮稳定时：

h0=a/f（4）

式中：h为采场高度（m）;φ为岩石内摩擦角（°）;f为岩石的普氏硬度系数。

由于式（1）主要适用于浅埋情况，当埋深大于400 m后，要对普氏公式加以修正，其修正公式为：

p=Kp0（5）

式中：p为顶板压力（kN）;p0为普氏公式计算的顶板压力（kN）;K为修正系数。

1.2 长锚索数目计算

通常长锚索长度较长，在顶板安装长锚索时空间较为狭小，本次设计采用钢绞线材质的长锚索。承受空区顶部总压力是在顶板安装长锚索的主要目的，其安装数目（m）计算公式为：

m=p0F0=2aγh0lF0（6）

式中：F0为单根钢绞线抗拉荷载设计值（kN）。

在长锚索护顶设计时，钢绞线抗拉荷载设计值是一个重要的参数，其计算公式为：

F0=Sση（7）

式中：σ为钢绞线的设计抗拉强度（N/mm2）;S为长锚索截面面积（mm2）;η为长锚索效率（%）。

1.3 长锚索长度计算

在保证安全生产的前提下，长锚索安装长度过长会浪费资源，增加生产成本;长锚索安装长度过短，则会存在较大的安全风险，不利于矿山安全高效开采。根据长锚索支护结构，长锚索长度通常由3部分组成，其计算公式为：

lc=l1+l2+l3（8）

式中：lc为长锚索长度（m）;l1为长锚索锚固段长度（m）;l2为冒落拱高度和长锚索串联分层高度之和（m）;l3为长锚索外露长度，取0.3 m。

1.4 长锚索锚固段长度计算

长锚索锚固段长度的确定通常根据2个原则：①长锚索的悬吊和组合作用，长锚索锚固段长度不得小于采场顶板最大冒落高度;②按照等强度原理，岩层与锚固剂的内聚力应大于或等于冒落拱所受重力。其计算公式为：

G0=πdl1τ（9）

式中：G0为单根长锚索分摊的冒落拱所受重力（kN）;d为钻孔直径（m）;τ为岩层与锚固剂的黏结强度（Pa）。

整理式（9）可得长锚索锚固段长度为：

l1=G0πdτ（10）

2 长锚索预支护设计及应用

山东黄金矿业股份有限公司新城金矿（下称“新城金矿”）位于山东省莱州市金城镇内，矿山主要由山东黄金矿业股份有限公司Ⅰ#和Ⅴ#矿体组成，矿体赋存于燕山晚期花岗岩与二叠系大石寨组地层的外接触带上，呈似层状，平均厚度74 m，走向31°，倾向NW，平均倾角40°，根据地层顺序及岩性组合分为3个岩性段：第一岩性段以中性火山噴发岩为主，下部夹有零星凝灰质板岩;第二岩性段以泥质板岩为主，夹粉砂质板岩、大理岩、变质砂岩、粉砂岩、凝灰岩;第三岩性段由泥质板岩组成，斑点板岩系选择性蚀变而成，与上覆满克头鄂博组呈不整合接触。

随着采深增加，浅部Ⅰ#矿体厚大部分已基本回采结束，深部Ⅴ#矿体为矿山现阶段主要开采对象。矿山目前主要采用上向充填采矿法开采，局部采用分段凿岩阶段充填采矿法，但受断裂带及地压影响，顶板稳定性较差，尤其是阶段采场顶板暴露面积大。因此，确定合理的支护方法及参数是确保新城金矿深部矿体安全开采的关键。

以1 m宽度范围内的顶板围岩为例进行受力计算。由于新城金矿的围岩稳固性相对较好，强度较高，故选择索体为1 860 MPa级1×7-15.24 mm钢绞线的树脂长锚索锚固围岩，长锚索主体示意图见图2。钻孔直径为32 mm，长锚索托盘规格为15 cm×15 cm，托盘厚度为8 mm。

2.1 锚固力计算

根据分段凿岩阶段充填采矿法采场结构参数，计算矿体开采后冒落拱高度。空区半宽a=9 m，高度h=12 m，矽卡岩岩石普氏硬度系数f=9，岩石内摩擦角φ=50°。根据式（3）可得围岩松动圈冒落拱高度为1.97 m。

由于岩体密度为3 100 kg/m3，则岩体容重为31 kN/m3;岩石普氏硬度系数f=9;取单位宽度内围岩进行力学计算，即l=1 m;普氏修正系数K取1.1;根据式（2）、式（5）可得采空区冒落拱范围内围岩总压力，即冒落拱所受重力为1 209.19 kN。

由于矿体倾角为70°，因此在矿体开采完成后，围岩具有一定的自承作用，通过计算可得作用在长锚索上的总压力（p1）为413.57 kN。

矿区采空区围岩力学简化模型为简支梁模型，见图3。

简支梁两端的锚固力（F1，F2）计算公式为：

F1=F2=p12（11）

经计算：F1=F2=206.79 kN。

由于顶板围岩已被长锚索锚固，因此对采空区顶板进行弯矩计算时按固支梁来计算顶板内围岩受弯情况。由材料力学梁的受弯理论计算空区两巷道连接长锚索承受力，最大正应力发生在冒落拱范围内最下端中心点处。计算公式如下：

σmax=ηMymaxIz（12）

M=ql212（13）

Iz=lbb312（14）

式中：M为弯矩，M=620.36 kN·m;Iz为轴惯性矩，Iz=0.64 m4;ymax为固支梁顶端到中性层距离（m）;lb为固支梁截面长（m）;b为固支梁截面宽（m）。

经计算：σmax=479.81 MPa。则下部底板所受拉力（F3）为：

F3=0.5σmaxA（15）

式中：A为受拉底板面积（m2）。

经计算：F3=236.31 kN。

2.2 长锚索设计

1）顶板长锚索数目计算。1 860 MPa级1×7-15.24 mm钢绞线的设计抗拉强度1 320 MPa，取η=0.99，则钢绞线抗拉荷载设计值由式（7）计算为237.0 kN。

经计算可得采场顶板总压力即冒落拱所受重力为413.57 kN。由式（6）可得采场顶板共需要安装的长锚索根数为1.39，取2根。

2）顶板长锚索长度计算。长锚索承受的设计荷载即是每根长锚索所承受的冒落拱所受重力，由式（9）可得每根长锚索分摊的冒落拱所受重力为165.43 kN。

根据矿区矿（岩）体情况并参考GB 50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》，由式（10）可得长锚索锚固段长度l1=1.65 m，取l1=1.7 m。

根据式（8）可得长锚索设计长度lc=13.2 m，取lc=14 m。

3）沿倾向长锚索数目计算。空区倾向方向总压力为236.31 kN，根据式（6）可得空区倾向方向共需要安装的长锚索根数为0.99，取1根。

长锚索承受的设计荷载即是每根长锚索承受的冒落拱所受重力，由式（9）可得每根长锚索分摊的冒落拱所受重力G0=232.31 kN。

4）沿倾向长锚索锚固方案。倾向长锚索锚固端需要进行固定。现有2种端部锚固方案：①采用单根长锚索锚固;②采用多根锚杆锚固。采用单根长锚索连接，长锚索长度较大，造成材料浪费，施工工艺较为复杂;采用多根锚杆支护，不仅可以实现材料的节省，且施工便利，同时由于倾向长锚索受力较大，可以通过增加锚杆数量来减少锚杆承受的拉力，安全性更高。因此，在该方案中选择多根锚杆对倾向长锚索端部进行固定，选取的锚杆数量为3根。

根据矿区矿（岩）体质量情况并参考GB 50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》，长锚索端头采用3根注浆式锚杆连接，锚杆长度1.8 m，采用公称直径为18 mm的HRB335螺纹钢，由此可计算单根锚杆锚固段长度l1=0.77 m，取l1=0.8 m。

锚杆锚固力（F4）验算可由下式进行：

F4=3Sσ（16）

經计算：F4=243 kN>236.31 kN，满足要求。

2.3 参数确定

1）顶板长锚索。长锚索数量为2根，长度为14 m，间排距1 m，长锚索锚固长度1.7 m。

2）倾向长锚索。长锚索数量为1根，长度为18 m，间排距1 m。长锚索连接端采用3根长1.8 m、直径18 mm的HRB335螺纹钢树脂锚杆连接，锚杆锚固长度0.8 m，长锚索托盘规格10 cm×10 cm，托盘厚度6 mm。

2.4 工艺流程

该支护工艺已应用于新城金矿，主要工艺流程如下：

1）锚孔设计。在安装长锚索预支护装置时，采用MQT-130/2.8气动锚杆钻机在采场顶板内钻凿孔深14 m的垂直上向中深孔，若有特殊情况，如遇三角节理、人行通风天井等，钻孔倾角可适当调整，钻孔允许偏差为±50 mm。采场顶板稳固的情况下，钻孔网度为1.0 m×2.0 m;如遇不稳固采场，根据顶板实际情况，还可适当加密，长锚索支护采用交错梅花布置。

2）锚孔检查。中深孔钻凿完成安装预支护装置前，测量技术人员应检查孔位、孔径、孔深及布置形式，孔内积水、石屑及岩粉是否吹洗干净，并做好验收记录，达不到设计要求的孔要返工处理，直至达到设计要求。

3）安装树脂锚固剂。按“作业规程”规定的规格、顺序将树脂锚固剂送入锚索孔，用长锚索将锚固剂缓慢推至孔底。

4）搅拌锚固剂。将钻机与锚杆连接、开动钻机，边搅拌边将锚杆推进至孔底，然后继续搅拌。搅拌时间和等待时间按照规范执行。

5）紧固长锚索。等待时间过后，开动钻机、上紧螺母，使托盘贴紧岩面，长锚索达到规定预紧力。

3 结 论

1）结合矿区围岩实际情况，确定采用索体为1 860 MPa级1×7-15.24 mm钢绞线，托盘规格为15 cm×15 cm，托盘厚度为8 mm的树脂长锚索锚固围岩。

2）以分段凿岩阶段充填采矿法采场结构参数为参考依据，根据计算出的开采后冒落拱高度及采空区宽度确定了详细的支护参数。

3）实践证明：长锚索支护在新城金矿上盘层状板岩预支护的应用十分有效，长锚索支护施工较简单，锚固深度及区域大，可将矿体上盘不稳固的岩层锚固在上部稳定的岩层中，安全性能良好，与顶板形成的“组合梁”结构大大提高了顶板的整体稳定性。

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Long bolt cable pre-support of the upper wall of layered slate

in deep stage ore rooms and its application

Liu Zaitao

（Sanshandao Gold Mine of Shandong Gold Mining （Laizhou） Co.，Ltd.）

Abstract：With the extension of mining to the deep，the ground pressure increases gradually，which makes it difficult to manage the stope ground pressure under the complex structural surrounding rocks such as deep layered slate and results in a series of problems in deep mining，for example，the production efficiency of stope can not be improved.According to the actual geological conditions of the surrounding rock in the upper wall of the deep ore body，based on the long bolt cable support theory and Platts theory，a long bolt cable support technology is put forward for the pre-support and reinforcement of the layered slate on the upper wall of the ore body.The long bolt cable is designed according to the actual situation，such as the bolting force of the long bolt cable，the length of the bolting section，the support para-meters of the long bolt cable on roof and the support parameters of the long bolt cable along ore body inclination on upper wall and so on.The application of the technology in the test stope of the mining area not only is of great significance in ensuring the safe mining of the deep ore room，but also greatly improves the production efficiency of the ore block.

Keywords：deep mining;layered slate;long bolt cable;pre-support;Platts theory;production efficiency

收稿日期：2020-11-16; 修回日期：2021-03-15

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51974043）

作者简介：刘再涛（1969—），男，山东莱州人，高级工程师，从事金属矿山采矿技术研究及管理工作;山东省莱州市三山岛街道三山岛村，山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，261442;E-mail：liuzaitao@sd-gold.com