长锚索预锚固控顶在谦比希铜矿中的应用*

2013-10-29施发伍王贻明刘晓辉张晋军胡文达

铜业工程 2013年4期

施发伍，王贻明，刘晓辉，张晋军，胡文达

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.中色非洲矿业有限公司，赞比亚，基特韦)

1 引言

中国有色集团非洲矿业有限公司谦比希铜矿位于世界著名的赞比亚－刚果铜矿带上，其由主矿体、西矿体以及东南矿体三个矿床组成，主矿体位于卡伏埃背斜西翼，谦比西－恩卡纳盆地的北翼。矿体走向近东西，倾向南，倾角 15～75°，走向长约2280m。目前，主矿体已开采至地下900m，主要采矿方法包括上向分层充填法，分段崩落法以及嗣后充填法。其中，分层充填采矿法被应用于500m以上东区及500m～700m以西部分矿体，在开采过程中，由于上盘围岩节理裂隙发育，在采动影响、爆破震动以及地下水的作用下，极易导致顶拱的坍塌和上盘围岩失稳，单纯的锚杆支护难以满足要求，有效的顶板支护措施成为亟待解决的问题。

2 工程概况

2.1 开采技术条件及结构参数

目前，分层充填法采场主要集中于矿体500m～700m以西部分矿体。此区段内矿体倾角小于55°，平均厚度3～10m，且位于剪切破碎带内，矿岩稳固性较差，区段内矿石品位一般高于3%，甚至达4%。矿体直接上盘围岩是矿化泥质板岩，该岩层厚度约10m，其岩性与矿体相近，稳定性较差。直接下盘为砾岩，包括泥质石英岩、卵石砾岩等，稳定性较差。采场沿走向布置，长60m，每2个采场间留3m永久间柱，每2个采场为一个盘区。采场分层高度3.3m，每5个分层为一个分段，分段高度16.5m。回采进路沿矿体走向布置，断面为3.6×3.3m，然后回刷至矿体水平厚度。

2.2 采场顶板冒落形式

根据地质资料分析，谦比希矿体属于沉积型矿床，其矿体和围岩均为未风化的坚硬岩石，层理极其发育，层理面非常平整，其间充填有蚀变矿物，在水的作用下，将转变为既有滑腻性，无任何强度的物质，对岩层之间的稳定起到一定的“润滑”作用。在地压活动、采动影响及爆破震动条件下，将造成岩层之间无剪切力作用。通过现场调查，采场顶板破坏形式主要表现为以下两种:(1)在巷道刚开挖之后，由于倾斜层状节理的存在以及与矿体走向正交节理的存在，剪切倾斜层状节理，通常造成采场顶板出现倒楔形岩体冒落;(2)在层理发育的层状岩体中，上盘围岩岩体沿层理弱面发生剪切破坏或拉坏，形成局部塌落，如图1所示。

图1 顶板破坏形式

2.3 支护现状

矿山目前采取的支护方式主要为管缝锚杆+金属网条支护，如图2所示。现场支护效果表明，此种支护方式与区域内岩体的破坏类型明显不符，支护之后，由于节理裂隙切割岩体，同时受爆破震动及自重的影响，在锚杆周围出现松散破坏，造成绝大部分锚杆“悬挂”在岩体表面，其支护作用不能得到充分发挥，如图3所示。因此，探寻有效的顶板支护措施成为亟待解决的问题。

3 长锚索预锚固控顶技术

近年来，长锚索护顶技术不论在巷道还是在采场均得到越来越广泛的应用[1－2]。会泽铅锌矿在顶板不稳定的采场中应用长锚索护顶，基本杜绝了大块冒落事故的发生，提高了矿石回收率[3]。南京栖霞山铅锌矿通过长锚索护顶，有效地控制了上向分层充填采场的顶板冒落问题，矿石回收率达到85%以上，矿石贫化率在3%以下[4]。此外，在红透山铜矿，铜录山铜铁矿，金川等矿山，长锚索亦取得了明显的应用效果[5]。由此，根据以上矿山实践经验，结合谦比希矿具体情况，决定采用长锚索对矿体顶板围岩进行预先锚固，从而提高采场顶板稳固性，控制采场顶板冒落问题。

3.1 长锚索预锚固控顶原理

所谓长锚索预锚控顶，就是在矿块回采之前，利用长锚索对矿体的顶板围岩预先进行锚固，然后在其预先锚固的顶板围岩下进行矿石的回采。由于长锚索是在顶板原岩应力状态下锚固的，这就使得在矿块开采过程中，长锚索一直起着限制岩块位移，调整岩层内部应力场，以及使顶板围岩及时形成完整稳固岩体的作用，有效提高了采场顶板围岩的稳定性[6－7]。

在采场顶板围岩揭露后进行支护，由于原岩应力分布的变化，支护前已经产生单个岩块的移动，松弛和机理裂隙的膨胀等，其结果是降低了节理岩块之间的结合强度，使支护后采场顶板围岩的整体稳固性，远不如在原岩应力状态下长锚索预先锚固的整体稳固性好[8]。

3.2 锚索支护参数

长锚索的长度在使用时应针对具体情况的支护要求进行确定。谦比西矿分层充填采场分段高度为16.5m，第1分层回采时采幅控制在5m以内，则上部分层的高度为12m左右，矿体倾角为55°左右，为保证注浆质量，设计一次支护能够保证上部2个分层的回采，即锚索长度为6.5～9m。同时，根据采场顶板揭露的地质情况，综合考虑节理、裂隙发育程度、矿体内接触面分离状态等因素，结合国内其他矿山经验，设计确定施工网度为:锚索排距为3m，孔口间距2.0 ～2.4m，孔底距不大于 3.0m，锚孔倾角 60～70°，如图4 所示。

3.3 锚索布置方案

根据上述分析，则锚索布置方案如图4所示，为保证施工安全，第1分层回采时采幅控制在5m以内，充填到要求的高度后(2m)，采用手抱钻施工到设计宽度，即可进行锚孔施工;第3分层回采完充填到要求高度后，即进行上两分层支护施工。

图4 长锚索布置方案

4 长锚索施工工艺

4.1 材料要求及施工设备

锚索孔采用YQ－90型钻机施工，锚孔直径56～60mm。长锚索采用Ф15.2mm钢丝绳。托板尺寸为200mm×200mm×8mm的方形托盘，采用Q235钢板或其他同等强度钢材;注浆管内径应不小于18mm，最大承压能力应大于1.5MPa，以防止注浆过程中造成爆管伤人事故，其长度在1.5m左右;排气管内径应大于10mm，采用硬质塑料管，长度与锚索长0.5m。注浆用水泥砂浆采用标号为425的普通硅酸盐水泥、水和细砂组成，水灰比为0.4～0.45;灰砂比为1∶1 ～1∶1.5。砂浆的搅拌及注浆采用GSV40B变量灌浆泵，该机器自带搅拌装置，能实现搅拌和注浆同时进行，注浆压力为0.5～1Mpa。

4.2 施工工艺

施工时根据设计确定的锚孔网度、直径、孔深、倾角进行施工。锚孔孔位误差应小于20cm，倾角误差在±5°内。锚索与水平面的夹角一般应为90°，不宜小于75°，终孔后应使用压缩空气或压力水进行清洗，以免孔壁上的粉尘影响注浆质量。

安装前应将排气管、注浆管以及锚索进行绑扎，安装过程中，注浆管应塞入孔内0.8～1m，排气管则需插入孔底，距孔底距离在0.5m之内，并用纱布、编织袋、木楔等材料封口和固定钢绞线，确保注浆过程中无漏浆。锚索采用前进式连续注浆，当稀浆从排气管中流出时，表示水泥浆已充满钻孔。

注浆完成24小时以后，再安装垫板和锚具。锚具安装时，利用千斤顶进行张拉，可以使长锚索立即承载，充分发挥锚索的支护作用，避免由于锚具安装不合格导致锚索失效的弊病。

5 支护效果

经过长锚索锚固后的矿块，顶板稳固性有显著提高，但由于矿岩的节理裂隙、断层发育，采场爆破震动的影响，在锚索之间仍有发生小的矿石掉块，因此，在实践中采用管缝锚杆进行辅助支护，锚杆直径为40mm，长 2.0m，网度(排距 × 间距)为 1.2 ×1.2m，对于局部极不稳定地段加钢筋条网，如图5所示。经过长锚索和锚杆联合对顶板进行主动加固，顶板掉块的现象大大减少，极大地提高了采场作业的安全程度，提高了采场的出矿能力。