新城金矿深部全断面锚网喷支护技术研究

郭良银，安 龙

(1.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438；2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

0 引 言

金属矿山开采是金属重要的来源，把握着国民工业命脉[1]。近几十年来，随着金属矿山的逐步开采，大部分浅部矿产资源被开发利用完毕，逐渐向深部开采是现在及未来矿产资源开发利用过程中的重要环节，也是实现绿色矿山、实现可持续发展的必然要求[2]。但是，目前金属矿山深部开采仍存在很多难题，由于深部开采地应力过大，导致巷道断面变形大、顶板下沉量大、片帮严重、岩爆事故，严重限制着金属矿山的开采[3-5]。为了解决深部金属矿山巷道变形严重的问题，国内外专家学者利用锚杆、锚索、锚网等多种方式混合支护控制深部巷道[6-9]。全断面锚网支护由于价格低廉、支护效果好、安全性强等优点被广泛应用。但是全断面锚网支护对锚杆预紧力和金属网强度之间的耦合关系要求较高，所以正确认识全断面锚网支护、优化支护参数，对深部金属矿山的开采具有重大意义[10-13]。基于此，本文以新城金矿为工程背景进行研究，预期减少成本，控制巷道变形，改进并提出了适合具体工程现场全断面锚网喷技术参数。

1 工程背景

新城金矿是山东黄金集团有限公司单体生产规模最大的矿山之一，该矿山位于山东省莱州市境内。当前开采深度已达到-1 030 m，开拓深度接近-1 070 m。该矿山岩石具有典型的蚀变特征，其类型主要为钾长石化、黄铁绢英岩化和碳酸盐化，并且还存在绿泥石、高岭土化等。

随着矿山开采深度的增加，特别是开采深度大于-900 m后，受高地应力以及相邻采场频繁爆破扰动影响，巷道围岩变形明显，破坏现象频繁发生，极大程度地影响了巷道的稳定性，为深部矿山安全高效回采带来隐患。

通过现场实地踏勘，统计新城金矿深部巷道变形破坏特征可知，巷道开挖后，顶板围岩破碎，锚网形成网兜，有整体下沉现象，局部下沉量较大；片帮现象严重，个别巷道出现整体垮塌，严重影响生产。分析新城金矿深部巷道围岩变形破坏的特征与规律，得到以下结论。

1) 巷道所受地应力水平较高。闫振雄等[14]研究了新城金矿地应力特征，发现其具有以下特点：岩体垂直压力与所处深度成正比，巷道埋藏越深，所受垂直应力越大；水平应力与地质构造运动有关，地质条件复杂的地区水平应力要明显高于垂直应力；新城金矿-930 m及以下中段最大主应力均超过了30 MPa，-1 030 m中段最大主应力超过42 MPa，属于较高地应力状态；最大主应力方位角介于260°～285°之间，倾角在4°～16°之间，以水平构造应力为主。

2) 无法实现耦合支护。锚网支护作为一种主动支护方式，优点是支护效果好、支护成本低、成巷速度快、断面利用率高，但是很多情况下锚杆无法发挥出支护作用巷道就已经被破坏，其主要原因是巷道支护参数不合理，无法实现巷道围岩与支护结构间的耦合支护，存在支护参数不合理使得锚杆附近围岩脱落产生的锚杆锚空的现象；钢筋金属网强度和刚度较低，使得锚杆无法有效发挥作用，不能有效控制围岩变形。

3) 原有支护结构不合理。原方案没有对巷道围岩的薄弱部位进行针对性结构补偿，围岩条件比较差，节理裂隙大量发育时，原有锚网支护质量无法保证，难以在巷道浅部围岩形成稳定、有效的承载结构，难以控制破碎围岩巷道的急剧变形，最终巷道顶板下沉严重，两帮破坏，无法满足安全生产要求。

2 深部全断面锚网喷支护技术研究

支护参数是影响锚网支护效果的重要因素，锚杆长度、锚杆预紧力等参数明显影响锚网支护效果。为改善新城金矿深部锚网喷支护结构，获得适合新城金矿深部地质条件的支护参数，采用FLAC3D数值分析软件就锚杆长度和锚杆预紧力对锚网支护的影响展开模拟研究，并针对新城金矿深部工程特点，对原有工程软弱位置加强支护，改善受力结构，为深部安全开采提供保障。开展室内和现场岩石力学试验，得到了计算模型所需的围岩物理力学参数见表1。参考文献[15]给出树脂锚杆材料的计算力学参数，见表2。

表1 围岩物理力学参数Table 1 Principal and mechanical parameters of surrounding rock

表2 锚杆材料参数Table 2 Bolt mechanical parameters

2.1 锚杆长度对支护效果的影响

已有研究结果表明，对锚杆支护而言，锚杆长度在某种程度上将决定锚杆形成的承载结构的厚度。为分析锚杆长度对锚网支护承载结构稳定性的影响，采用FLAC3D软件5.0建立数值模型，对比研究锚杆长度为1.5 m、1.8 m、2.3 m、2.8 m时试验巷道围岩应力变化规律，不同锚杆长度下围岩主应力分布云图如图1所示。当锚杆长度为1.5 m时，巷道浅部存在明显低应力区，且围岩表面出现拉应力，达到了0.94 MPa；随着锚杆长度增加，巷道浅部低应力区范围逐渐减小，围岩表面拉应力减小至0.10 MPa。

图1 不同锚杆长度下围岩主应力分布Fig.1 Principal stress distribution of surrounding rock under different bolt length

不同锚杆长度下围岩变形情况如图2所示。随着锚杆长度的增加，巷道顶板和两帮的变形量呈现减小趋势，其中，顶板变形量由37.86 mm减小至32.43 mm，顶板变形量由47.59 mm减小至40.26 mm。说明增加锚杆长度对锚固效果具有一定影响，但并非呈正比关系。锚杆长度增加可以改善围岩的受力环境，除了可以限制岩体的径向和切向滑移之外，通过将锚杆锚固端打入深部稳固岩层，可以起到悬吊作用及组合梁作用。但是锚杆长度也不是越长越好，只要能够保证锚杆锚固端可以越过松动圈或者破碎带即可，既能起到锚固效果，又可兼顾经济效益。

图2 不同锚杆长度下围岩变形量Fig.2 Deformation of surrounding rock under different bolt length

新城金矿现行支护方案中锚杆长度为1.5 m，经现场调查发现，试验巷道存在诸多片帮地段，片帮深度超过锚杆长度，导致支护完全失效。新城金矿在后期支护中，根据工程情况试验1.8 m和2.3 m锚杆，取得了较好支护效果。

2.2 锚杆预紧力对支护效果的影响

据统计，新城金矿深部锚网支护中锚杆间排距一般在1.0 m左右，但是许多锚网支护的巷道发生冒顶垮塌、片帮破坏时锚杆受力却很小。经调查发现，这些巷道发生破坏并不是因为锚杆支护密度和锚杆强度不够，预紧力不足是导致锚杆失效的重要因素。

在巷道围岩中，锚杆由于受到拉、剪、扭等多种力的共同作用，加上受采动影响，其发挥作用的机理比较复杂。预紧力在锚网支护中的作用可总结为以下几点：①提供足够的表面支护阻力，限制围岩早期变形、表面破坏，抑制围岩剪胀变形的继续发展；②预紧力通过锚杆作用于围岩，阻碍围岩岩体裂隙发育、增大滑移面摩擦阻力，可以有效提高破碎区围岩岩体的整体性；③围岩残余强度同围压密切相关，通过增大锚杆预紧力增大围压可以有效增大巷道围岩岩体的残余强度；④施加合适的预紧力，可以使得支护体中锚杆和围岩共同发挥作用，避免因受力不同步，无法形成统一的支护结构而被各个击破，提高支护体的最大受力水平，达到耦合支护的效果。为了研究不同预紧力对锚网支护作用效果的影响，根据新城金矿深部的实际地质条件对预紧力分别为0 kN、30 kN、100 kN、200 kN不同情况的锚网支护巷道进行模拟，数值模拟结果如图3所示。

由图3可知，通过对锚杆施加预紧力，巷道表面围岩拉应力减小。当预紧力由0 kN增加至100 kN时，巷道表面围岩拉应力由0.21 MPa减小至0.16 MPa；当预紧力由100 kN增加至200 kN时，巷道表面围岩拉应力没有变化，其量值仍然为0.16 MPa。由此可知，当锚杆预紧力为100 kN时，锚杆锚固效果最好。

图3 不同预紧力条件下最大主应力分布图Fig.3 Distribution diagram of maximum principal stress under different pre-tightening conditions

2.3 断面尺寸影响作用分析

新城金矿深部斜坡道及中分段大巷属于大断面拱形巷道，巷道尺寸为4.5 m×4.0 m，为了探究大断面巷道相对于小断面巷道的软弱位置从而进行针对性支护，分别模拟3.2 m×2.8 m巷道和4.5 m×4.0 m巷道进行对比分析。不同断面巷道围岩主应力分布特征与塑性区分布特征如图4和图5所示。对比不同断面巷道围岩主应力分布图可以发现，小断面巷道浅部低应力区范围明显小于大断面巷道，其围岩表面拉应力为0.001 MPa，而大断面巷道为0.010 MPa，这主要是由于大断面巷道深部围岩受到的开挖扰动更为剧烈。

图4 不同断面巷道围岩主应力分布云图Fig.4 Distribution nephogram of principal stress in roadways with different sections

图5 不同断面巷道塑性区分布图Fig.5 Plastic zone distribution map of roadways with different sections

由图4可知，小断面巷道帮部、顶板、底板塑性区深度分别为3.75 m、2.30 m、4.50 m，大断面巷道塑性区深度分别为7.30 m、3.50 m、70.00 m，巷道四周塑性区范围明显增大，其中帮部塑性区增加的程度最大，顶板次之，底板最小，因此对于大断面巷道支护时应针对性加强两帮和肩窝位置的支护。

3 现场应用

根据树脂模拟结果，结合现场实际施工条件，针对深部岩体高地应力破碎的现状，在深部巷道掘进过程中，采用1.8 m树脂锚杆Φ6 mm金属网+喷浆的全断面支护方式，在围岩破碎区段，进一步优化深部工作面联合支护施工工艺：在破碎区域出渣前对顶板及两帮素喷3～5 cm，出渣结束后继续向前施工炮孔，并在素喷区域施工树脂锚杆钻孔；爆破后，对已素喷区域进行全断面锚网喷支护(喷浆厚度10 cm)，并对新掘巷道素喷3～5 cm，工作面进入下一循环。通过优化施工工艺，为施工人员提供全断面支护作业条件，保证施工安全。

现场施工效果如图6所示，采用新的支护方案后，巷道围岩没有发生明显的变形和破坏，保持了巷道的稳定性。

图6 现场施工效果Fig.6 Site construction effect

4 结 论

1) 锚杆长度与锚杆锚固效果并非呈正比关系，当锚杆长度超过2.3 m时，锚杆锚固效果不再发生明显变化，因而锚杆长度只要能够保证锚杆锚固端可以越过松动圈或者破碎带即可，既能起到锚固效果,又可兼顾经济效益。

2) 预紧力不足是导致锚杆失效的重要的因素，当锚杆预紧力为100 kN时，锚杆锚固效果最好。

3) 小断面巷道围岩表面拉应力明显小于大断面巷道，且其破坏区范围更小。

4) 根据数值模拟结果，结合现场实际条件，提出了全断面锚网喷支护，从现场实践结果可以看出，采用全断面锚网喷支护方案后，巷道围岩没有发生明显的变形和破坏，能够保持巷道的稳定性。