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某金属地下矿山灰岩破碎巷道支护方案比选
2018-09-20
为保证金属地下矿山井巷工程的正常使用,避免过早的出现垮塌、冒落等现象,造成不必要的经济损失;需要根据金属地下矿山的井巷工程的使用年限、围岩的稳固程度,在考虑施工效率、施工安全、施工成本等因素的情况下,对井巷工程进行经济、合理、有效的支护;通过对主动支护形式和被动支护形式的种类及构成的分析及对形成的支护体进行现场监测,根据监测数据对各自的支护机理进行探讨;确立了主动支护方法在金属地下矿山井巷工程支护方面的先进性和合理性。
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为了保证金属地下矿山(以下简称矿山)正常的生产,每年都会发生大量的井巷工程(平巷、斜巷、硐室、竖井、天井、溜井等),为防止开挖的井巷工程发生冒落、垮塌,保证人员和设备设施的安全,并保证在合理的年限内正常使用,需要对这些井巷工程进行快速、合适的支护[1];长期以来,矿山工作者根据井巷工程的不同岩性、不同使用年限等探索了多种支护方法:如木支护、金属支架支护、管缝式锚杆支护、砂浆锚杆支护、锚(管缝式、砂浆锚杆)喷网支护、混凝土支护、钢筋混凝土支护等支护方法,如何优选这些支护方法成为矿山工作者需要研究的课题。

1  矿山常用支护方法介绍

     矿山常用的支护方法根据支护体受力情况可以分为传统的被动支护方法和主动支护方法两大类。

2  传统的被动支护方法

    传统的被动支护方法如木支护、金属支架、混凝土、钢筋混凝土支护的共同特点是在支护初期,支护体与围岩有一定的间隙,围岩初期变形后才能与支护体逐步接触,使支护体逐步产生抵抗围岩变形力的作用[2]。这种支护方法强调间隙的充填要密实,以期望在支护的初期阶段能最大限度的抵抗围岩的变形力,但往往都达不到预期的效果[3];支护体在支护初期会因围岩变形受到初步破坏,在围岩变形中后期在变形力持续增大的情况下被压裂或被压垮,使支护效果大大减弱。

3 主动支护方法

    主动支护方法如管缝式锚杆、砂浆锚杆、锚(管缝式、砂浆锚杆)喷网支护等[2],其最显著的特征是支护体在支护初期就能够和围岩紧密接触或和围岩形成共同支护体,在初期就能主动地抵消围岩变形力,使围岩变形力减弱或逐步释放,最终减弱对支护体的最大压力,减弱对支护体的破坏,达到较好的支护效果。

4 常用的支护方法现场监测和支护机理探讨

    传统的被动支护方法如木支护、金属支架、混凝土、钢筋混凝土支护是在对围岩的破环力和支护机理的认识不足的情况下形成的,这些支护方法施工效率低、工序繁琐、施工成本高,支护体经常被破坏,安全得不到保证。因而传统的被动支护方法逐步被管缝式锚杆、砂浆锚杆、锚(管缝式、砂浆锚杆)喷网支护等主动支护方法替代。

4.1、锚杆支护方法

锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体。用锚杆支护井巷就是当井巷掘进后,向围岩中钻孔,然后将锚杆安装在锚杆孔内,对开挖后的围岩进行人工加固。金属管缝式锚杆因其支护简便,施工速度快,为矿山经常采用[4]

4.1.1 管缝式锚杆支护方法

管缝式锚杆由纵向开 “缝”的钢管与垫板组成,并在外端焊有挡环。需要快速支护时,先用凿岩机施工钻孔,然后注入锚杆;管缝式锚杆的杆体材料用不低于20MnSi力学性能的带钢轧制而成,厚度为2.0~2.5 mm;管缝式锚杆的外径为30~45 mm,缝宽宜为13~18 mm,长1.5 m;采用碟形托盘(垫板),材料为Q235钢,厚度不宜小于6 mm,长宽尺寸不宜小于150 mm×150 mm。支护方法:先用凿岩机施工深度1.6~1.8 m的钻孔,钻孔一般宜垂直于岩石面(或节理面);再用专用连接器向钻孔内推入锚杆杆体,注锚杆体前须将孔内岩屑吹净,当锚杆杆体全部推入钻孔且托盘抵紧岩石面时,即完成工作任务并停止推压。管缝式锚杆钢管外径应大于钻孔直径2.0~3.0 mm,钻孔深度一般为1.6 m以上,钻孔间距一般不应大于其钻孔深度的一半,钻孔间距和排距一般宜为(0.9~1)m×(0.9~1)m,钻孔一般采用菱形布置;钻孔孔距的允许偏差为±150 mm,钻孔孔深应比锚杆体长10~30 mm。

(1)管缝式锚杆支护机理:悬吊、组合梁、挤压加固联结作用[5]

悬吊作用。锚杆将软弱岩层吊挂在上面坚固稳定岩层上,防止离层脱落;上面的坚固稳定岩层对软弱岩层起到了悬吊作用。

组合梁作用。层状岩层的巷道顶板中,通过锚入一系列的锚杆,将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁,从而提高其承载能力。在相同的荷载作用下,组合梁比未组合板梁的挠度和内应力大为减小。

挤压加固联结作用。锚杆将井巷围岩挤紧,对岩石施加预应力,阻止裂隙的继续扩大,而且对于松散岩石也能起到挤压联结和加固作用;松散碎石在预应力作用下围绕每根锚杆形成一个两头带圆锥形的筒形挤压区或压缩应力区,在系统排列的锚杆群中,这些挤压区便组成了一个具有相当宽度的均匀压缩加固带,它相当于一种承载结构而支承相当大的荷载;井巷周围安装成组排列和径向布置的锚杆后,便在围岩的一定厚度范围内形成了一个拱形压缩带或挤压加固拱,它使井巷围岩由原来是支架上的“荷载”变成了“承载”结构。

(2)管缝式锚杆支护的优缺点。管缝式锚杆支护有很多优点:工作安全轻便,降低劳动强度;使用范围广,适应性强;节约坑木和钢材,降低支护成本;井巷变形小,维修费用低;操作简便,施工速度快。

由于金属地下矿山环境潮湿,有些部位伴随出水,使用管缝式锚杆一段时间后发现有锈蚀现象,降低了管缝式锚杆的强度和使用寿命。为了解决这个问题,采取对管缝式锚杆表面涂油防护,该方法短期似乎有效果,时间长了还是无法解决金属体锈蚀问题。后采取对管缝式锚杆支护部位进行喷射混凝土封闭,也是短期(1 a内)似乎有效果,长期(超过1 a)由于潮气的逐步侵蚀,仍然无法根本解决金属体锈蚀问题。为解决这些问题,开始推广应用砂浆锚杆支护。

4.1.2 砂浆锚杆支护方法

砂浆锚杆的杆体材料宜采用HRB400钢筋,钢筋直径宜为16~32 mm,锚杆杆体使用前应平直、除锈、除油;砂浆锚杆的抗拔力不应低于5 t/根;钢筋保护层厚度应不小于8 mm。砂浆中的沙子宜采用中细砂,粒径不宜大于2.0 mm,使用前应过筛;水泥和砂的比例宜为1:1~2(质量比),水和水泥比例宜为1:0.38~0.45;砂浆应拌合均匀,随拌随用;一次拌合的砂浆应在初凝前用完,并严防石块、杂物混入;水泥砂浆的强度等级不应低于M20。

(1)砂浆锚杆支护要求。砂浆锚杆的锚固深度和间距应视围岩结构和工程跨度而定。锚固深度一般为1.6~2.5 m,与岩石面垂直,砂浆锚杆间距一般不应大于其锚固深度的一半,间距和排距一般宜为(0.8~1.0)m×(0.8~1.0)m,成菱形布置。

当局部加固围岩时,砂浆锚杆的长度可加长,间距可加密,具体视情况而定。

钻孔注浆时,注浆管应插至距底孔50~100 mm,随砂浆的注入缓慢匀速拔出;砂浆锚杆杆体插入后,若孔口无砂浆溢出,应及时补注;杆体插入孔内长度不应小于设计规定的95%;锚杆安装后,未凝固前不得随意敲击。砂浆锚杆孔距的允许偏差为150 mm,锚杆孔深允许偏差为50 mm,砂浆锚杆孔径应大于杆体直径15 mm;金属网可以现场绑扎或先制作成金属网片后直接绑扎到砂浆锚杆上面。

(2)砂浆锚杆支护的优缺点。砂浆锚杆施工工序与管缝式锚杆对比,多了一道注浆工序,但由于金属体在密闭的砂浆中,避免与潮湿气体的接触,解决了金属体锈蚀问题。砂浆锚杆在砂浆未凝固前,严禁对锚杆进行敲击,以免影响支护效果。砂浆锚杆只有在砂浆初凝后才提供对围岩的作用力,这点与管缝式锚杆在注入完成即提供对围岩的作用力相比有不足之处。 4.1.3  变形数据监测

矿山生产时,在井巷工程(平巷、硐室、竖井)岩石面较破碎、矿山井巷开挖变形力较大时,被动支护方法与主动支护方法哪种方法更优越呢?

(1)被动支护方法与主动支护方法的变形数据监测与对比分析。某矿山由于井巷工程开挖后围岩变形较严重, 在同水平7#穿脉选取类似围岩地段对被动支护方法(选取混凝土厚度250 mm ,混凝土强度C20,支护体后充填密实)与主动支护方法(锚喷网支护厚度150 mm,喷射混凝土强度C20)进行变形监测,锚杆采用管缝式锚杆,钢筋网选取HPB300钢筋,主筋采用Φ10 mm的圆钢,副筋采用Φ8 mm的圆钢,主筋沿巷道横断面方向布置,副筋沿巷道走向布置,钢筋网间距为150 mm,绑扎钢筋网的搭接长度为20倍钢筋直径,钢筋网之间及锚杆与钢筋网间用细铁丝绑扎牢固。

对7#穿脉混凝土支护体与锚喷网支护体在支护凝固后28d、60d、120d、180d,各选取12 m巷道设1.5 m高的混凝土监测点,每个监测点现场制成长×宽×厚=30mm×30mm×20mm的混凝土点,将钢钉埋进C20水泥砂浆内,进行水平位移监测;7#穿脉混凝土支护监测点表面水平位移数据见表1,7#穿脉锚喷网支护监测点表面水平位移数据见表2,这次开展的支护巷道水平位移监测是用观测仪器对巷道有代表性的点位进行的水平方向位移量的量测,通过监测数据分析水平位移的规律,目的在于了解巷道开挖并支护后在各种应力作用下的变形特点,为寻找合适的支护方法提供依据。

(2)监测结果。7#穿脉混凝土(厚度250 mm)在支护后28d,开始出现裂缝,120d有1个观测点碎裂破坏, 6个观测点在支护后180d后全部碎裂破坏(见表1);而7#穿脉锚喷网支护(厚度150 mm)观测发现:只出现宽度不一的裂缝,没有出现碎裂破坏(见表2)。

表1 ×矿山×水平7#穿脉混凝土支护(厚度250 mm)监测点表面水平位移(mm)

表2 ×矿山×水平7#穿脉锚喷网支护(厚度150 mm)监测点表面水平位移(mm)

7#穿脉混凝土支护厚度比锚喷网支护厚度加厚了100 mm,但破坏要严重,各监测点的裂缝宽度要比锚喷网支护监测点要宽,说明主动支护形式-锚喷网支护具有支护优越性。

(3)混凝土与锚喷网支护机理分析。混凝土支护属于被动支护形式,混凝土强度是混凝土硬化后的主要力学性能,反映混凝土抵抗荷载的量化能力;混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度,其中以抗压强度最大,抗拉强度最小。混凝土在支护初期未完全凝固前属于被动承受围岩的变形力,在初期的破坏变形就比较大,再加上中后阶段在围岩变形力最大时很容易遭到破坏。这些从7#穿脉混凝土支护28d的监测数据都偏大可以得到验证,这些也是被动支护形式的薄弱点。

而锚喷网支护是锚杆+喷射混凝土+金属网几种支护形式复合的支护形式,喷射混凝土与锚杆(或加入钢筋网)形成一体。不仅具有喷射混凝土的特点,而且也具有锚杆支护的组合梁作用、悬吊作用和挤压加固联结作用等特点,大大增强了围岩的整体性和坚固性,提高了围岩的自身承载能力。配置金属网还具有使混凝土应力分布均匀、加强支护体抵抗围岩变形的作用。在初期锚杆施工完成时,就开始主动抵抗围岩的变形力,喷射混凝土后对变形围岩进行密闭,也有利于缓解井下空气侵蚀围岩、诱导围岩进一步发生变形,属于支护效果好的主动支护形式,这一点从7#穿脉锚喷网支护体(表2)的监测数据都普遍较优可以得到验证。

5 结 论

(1)主动支护形式要优于被动支护形式,优先选用管缝式锚杆、砂浆锚杆、锚喷、锚喷网支护等主动支护形式。

(2)较稳固围岩条件下优选单一支护形式。单一支护形式施工简易,可以快速支护,成本低,效率高,劳动强度小。而联合支护形式施工工序多,成本高,支护效率低,劳动强度大。

(3)不稳固围岩优先选用锚喷网支护方法,该方法可以把锚杆、喷射混凝土、金属网各种支护效果联合发挥,最大限度的抵抗围岩的变形力,从支护刚开始就可以消弱围岩的变形力,提高支护体的支护效果, 保证井巷工程在合理的支护年限内正常使用。


作者:张国强 刘红岩 王成龙(五矿矿业控股有限公司)本文发表于《现代矿业》2018年第8期

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