破碎软岩中长锚索支护参数设计及其应用*

2013-11-12刘斯忠王洪江吴爱祥黄明清

铜业工程 2013年2期

刘斯忠，王洪江，吴爱祥，黄明清

(北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

1 引言

长锚索支护技术在世界上已有90年历史［1］。最早使用锚索技术的国家是阿尔及利亚，1933～1935年该国用其加固舍尔法大坝，并一举获得成功。进入70年代以后，由于锚索理论有了较大发展，世界各国应用锚索相关理论指导支护设计，使锚索支护技术又有了新的发展。澳大利亚蒙特艾萨矿［2-3］1973年以后引进了长锚索支护技术，开始对分层充填法中的顶板进行预加固，在实践中获得成功并改善了经济效益;位于芬兰中部的科塔拉蒂矿［4-5］对两盘围岩进行长锚索加固后，回采的实际贫化率比原有不加固时减少将近一倍，有效的提高了企业效益，改善了安全条件。

近几十年来，我国的长锚索技术研究和使用也得到了长足的进步［6］。焦家金矿破碎顶板用注浆长锚索预加固，锚杆金属网联合支护，对防止顶板冒落、确保安全生产、提高矿石回收率等方面均取得了良好的效果［7］。此外，我国的凤凰山、铜录山、湘西金矿、金川有色金属公司、红透山铜矿及安庆铜矿［8］均在长锚索应用方面做了突出的研究和实践。云南某铜矿4#矿体和上盘围岩均为黑色碳泥质白云岩夹板岩，较破碎且含泥量高，均不稳固。经过矿山多年的摸索和生产经验，现行的浅孔留矿法及中深孔分段矿房法对开采4#矿体虽有一定的适用性，但仍然存在凿岩成孔率低、矿石损失分化率高、采场放矿困难等一系列问题。为了改善现场施工条件、提高企业经济效益，考虑采用长锚索预加固技术对其上盘围岩、巷道顶板及顶柱进行支护。

4#矿体回采之前，用长锚索加固矿体上盘围岩，然后在预锚固的围岩下回采矿石，长锚索能在矿块回采过程中限制岩体位移，调整岩层内部应力场，能有效提高采场顶板围岩的稳固性;同时，锚索注浆过程中对破碎岩体加以胶结也能提高岩体自身的强度。

2 长锚索预加固作用机理分析

长锚索本身具有柔性、能充分利用锚索较高的抗拉强度、增大正向拉力、改善岩体力学性质、增加岩体的抗剪强度、提高抗震性能，锚入矿岩的锚索沿其全长与矿岩之间的粘结力或摩擦力进行锚固，改变了矿岩自身的力学状态，防止了岩层节理分离，增强了整体性和稳定性，提高了矿岩的自身支承能力，控制或阻止矿岩变形、移动，防止矿岩的破坏和冒落。

破碎矿岩进行长锚索预加固后，注入的砂浆能与破碎矿岩胶结成一体，增加矿岩抗拉能力，且其裂隙将被所穿过的长锚索缝合起来，增强矿岩整体性和稳定性。通过注浆泵注入的水泥砂浆有些沿着孔内壁渗入到一些张开的断层，裂隙之中发生胶结凝固，从而增加了构造弱面的内摩擦力。

通过锚索加固综合作用，能提高矿岩自支承能力，起到控制或阻止矿岩变形和移动、防止矿岩破坏和冒落的作用。

3 支护材料选择与参数设计

3.1 支护材料与设备

(1)锚索。根据现场经验及计算实际费用发现，清洗和处理旧钢绳的费用几乎抵消了废旧钢绳的明显成本优势，同时也认为用专门购置的新钢绳制造长锚索是比较价廉和更有效的。因此试验采用新购置的6 ×25TSFC 结构钢绞绳。

(2)注浆材料

根据《水利水电地下工程喷锚支护施工技术规范》要求，采用32.5R 滇北水泥，骨料为经过2.5mm 过筛后的中细沙。纯水泥浆浆液水灰比:1∶2～1∶2.5;水泥砂浆为:水泥:砂=1∶1～1∶2，水泥:水=1∶0.38～1∶0.45。

(3)主要施工设备。在现场经验、工程模拟的基础上确定采用的最佳钻孔、注浆设备分别为YGZ-90 凿岩机和UB3C型压力注浆机。

3.2 长锚索支护参数

(1)锚索长度。矿山现采用中深孔凿岩分段矿房法，采场尺寸长× 宽× 高=36m × 矿体厚度×60m，其中矿房长24m，分层高度10m;回采进路垂直走向布置，规格为2 ×2m。

锚索长度视矿体形态、采场布置参数和距上盘围岩高度而定。对于上盘围岩预加固锚索，锚索必须打入上个分层上盘围岩内，一般不小于1m，切割平巷设计尺寸为3m ×3m，故其距上个分层围岩高度为7m，为安全起见，锚索尺寸设计为10m，打入上个分层围岩的锚索长度可达到2m～3m;对于矿体分层锚固锚索，凿岩巷道距上个分层距离为7m，锚索长度根据边孔角大小设计为7m～9m 不等;而对于顶柱预加固锚索，长度设计原理与矿体分层锚固锚索类似，为13m～15m。

(2)锚固间距。依据普氏松散体理论，认为在采场顶部(或巷道顶部)会形成自然平衡拱，在这个拱内矿岩的重力即为作用在设计计算的长锚索上的力。则普氏计算式中沿采场长度方向顶部1m 长度的顶压为:

式中:a 为采场宽度之半，m;b 为冒落拱的高度，b=a;r 为矿岩的体重，t/m3;f 为普氏硬度系数。则:

在采场往往会碰到矿岩组分分布的不均匀性，也就是r 值会有不均衡性，这时应对压力公式进行修正，其修正公式为:

式中:k 为矿岩的不均匀系数，0 ＜k ≤1。

采场顶部的总压力P 为:

式中:L 为采场的长度，m。

在采场顶部矿岩中安装锚索就是要承受住顶部的总压力P，则采场顶部需要安装锚索的根数为:

式中:m 为安全系数，取m=1.5;R 为钢绳破断拉力，t。则:

锚索网度D 为:

式中:S 为采场顶部面积(S=2 × L × a)，m2。

在4#矿体的矿岩条件下，采场宽度为20m，故a=10m，矿岩的体重r=2.8/m3，普式系数f=5。不均匀系数k 和安全系数m 分别取0.6 和1.5。锚索眼直径为65mm，锚索破断力按6 ×19 -Φ23 的钢绳计算，R=34.2t。锚索的设计安装网度通过计算得出:

由以上公式可计算出，4#矿体锚索的理论安装网度为1.9m ×1.9m，即锚索排距和间距均为1.9m，为达到支护强度要求，巷道内锚索排距设计为1.9m，由于扇形布置的锚索锚固没有垂直布置效果好，锚索孔底间距应小于1.9m，故孔底间距设计为1～1.9m，且从扇形中央至两侧孔底间距逐渐递减，切割平巷内每个扇形面布置7 根锚索，凿岩巷道内一个扇形面布置9 根，具体设计参数见表1。

表1 锚索布置参数设计表

4 工程布置及其施工

4.1 长锚索支护工程布置

应用长锚索加固顶部矿岩，视矿岩的情况而定，只有采场顶部矿岩局部需要加固时作局部布置，整个顶部矿岩都需加固时作全面布置，仅仅只需要加固个别松脱块体时，可作单根(或少数几根)点布置。4#矿体的上盘围岩较破碎，为防止开采过程中新爆露出来的围岩发生冒落，降低出矿品位，采用长锚索预加固技术，在每个分层的切割平巷中布置数排锚索，与矿体走向垂直的那个面的锚索呈扇状布置，如图1 所示。

图1 围岩预支护开采采场长锚索设计图(上下分段锚索交错布置)

由于4#矿体稳固性差、较破碎，因而对其进行分层整体锚固，提高岩体的完整性，从而提高岩体的抗应变能力，保护岩体稳定。锚索布置在每个分层的两条凿岩巷道内，布置方式与切割平巷内的锚索布置方式相似，只是边孔角和锚索长度发生略微变化，如图2 所示。

图2 采场分层锚固锚索设计图(上下分段锚索交错布置)

为维护矿房开采完毕后顶柱的稳定与安全，与支护上盘围岩方法一样，采用长锚索预加固技术，对每个中段最上一个分层与顶柱进行联合锚固，以避免掘进顶柱护巷巷道，锚索布置方式如图3 所示，其中锚孔水平投影图与分层锚固类似，不予重复给出。

图3 采场顶柱长锚索支护设计图

4.2 长锚索支护施工工艺

长锚索施工过程示意图如图4 所示。施工工艺如图5 所示。

图4 普通锚索安装示意图

图5 锚索施工工艺图

采用矿山已有的YGZ -90 钻机垂直向上进行钻孔;为排出孔壁上的岩粉，采用空开钻机清孔;孔塞的规格尺寸如图6 所示，孔塞上边要钻三个孔，一个用来插入排气管，一个用来插入锚索，一个用来插入注浆管。

图6 锚索孔塞工作原理示意图

5 分析与讨论

长锚索加固时间为3 天，养护时间为10 天。由于加固前采场保留有足够的存矿，锚索加固并未对出矿进度造成影响。

根据观测孔的数据，顶板加固区非常稳定，最大垮落高度小于1m;爆破作用下上盘围岩冒落得到明显改善，矿石贫化率显著降低;凿岩巷道完整性良好，未发生明显变形。进行注浆预支护或长锚索锚固后，接近上盘的由于欠挖欠爆进而造成永久损失的矿体可以得到回采，矿石损失率得到一定程度的控制;注浆加固后爆破矿石含泥量降低、流动性增加，有利于采场放矿;同时，出矿后工人可以安全的在已受锚固的顶板下进行作业，因而提高了采场的回采效率。

试验矿块支护后结果表明，与矿山现行方案相比，采用新方案矿石回收率可从55% 提高到近75%，即回收率提高近20%;矿石贫化率由之前的25%降为17%，经济效益显著。长锚索支护所创造的安全作业条件也必将减少现场的人员伤亡，践行生产过程中人本主义的思想。