管缝式锚杆护顶技术在顶板管理中的应用

蔡锦仙

（江西彭山锡矿，江西德安 330408）

管缝式锚杆护顶技术在顶板管理中的应用

蔡锦仙

（江西彭山锡矿，江西德安 330408）

以江西某国营老矿山为例,介绍了锚杆作用机理及该矿使用管缝式锚杆护顶的技术要求、安全措施以及操作程序,并比对了使用锚杆护顶前后产生的巨大差异。实践证明,管缝式锚杆支护顶板材料价格低、施工简单、操作方便、锚固力强、护顶效果佳,是矿山企业较佳的护顶选择。

顶板；管缝式锚杆；护顶技术；孔网参数计算;支护网度

0 前言

某矿位于江西省德安县吴山乡境内,属国营老矿山。该矿矿石以锡矿为主,并伴生铜、铁、锌、砷、硫、金、银、铟等多金属,采用平窿+盲斜井开拓、两翼对角式机械通风;采矿方法为房柱法,矿石损失率为20%,贫化率为8.5%,设计采选能力为300 t/d。2008年之前,由于顶板没有采用锚杆护顶安全措施,该矿曾发生几起因顶板松石坠落或冒顶而导致的重大伤亡事故。2012年，该矿安全生产标准化达“二级”企业，2013年5月,完成了安全避险“六大系统”安装,运行状态良好。采用管缝式锚杆支护顶板以来,已经连续5年没有发生因顶板松石坠落和冒顶而产生的重伤事故[1]。

1 矿区地质

1.1 地层构造

震旦系陡山沱组(Z2d)是主要的锡矿赋矿层位。矿区地质构造主要为由东部的背斜轴及背斜两翼的“S”形单斜构造所组成的褶皱构造,次有梁家山断裂(FA1)和曾家垅断裂(FA2)破碎带、层间滑动构造和节理裂隙等构造,尽管矿区水文地质较为简单,但这些构造均不同程度地影响到采空区顶板管理工作。

1.2 矿带划分及分布特征

矿区根据成矿作用，控矿因素和空间分布规律自花岗岩侵入体由下往上划分出十个矿带(I～X矿带),每个矿带赋存于特定的层位和岩性段中,顶底板标志层界线清晰,其中Ⅳ-1、Ⅵ-1、Ⅶ-1锡矿体为主要矿体。矿体均为隐伏的盲矿体,一般距地表50～200 m,赋存标高为+16～+225 m,矿体呈层状,倾向和倾角与地层近于一致,倾向北西(323°),倾角平缓(15°～25°),平均23°,Ⅳ-1矿体分布于3～6号勘探线之间,沿走向长500 m,矿体平均厚度2.56 m；Ⅵ-1矿体分布在-6～16号勘探线之间，沿走向长500 m，矿体平均厚度6.19 m；Ⅶ-1矿体分布在-6～-18勘探线之间,沿走向长600 m,矿体平均厚度7.33 m。

1.3 矿体围岩

Ⅳ-1、Ⅵ-1、Ⅶ-1三个主矿体的顶底板岩石见表1所示。

表1 主矿体顶、底板岩石

Ⅶ-1矿体顶板的整体稳固性较好,Ⅵ-1矿体顶板整体稳固性次之,Ⅳ-1矿体所属地层存在古滑坡构造,其顶板较为风化破碎，尤其在0线～2线之间，采矿方法也有所改变（矿柱改为连续矿壁）。锚杆护顶的网度基本上由矿体的顶板整体稳固性所决定。

2 锚杆作用机理

采空区的顶板围岩呈层状叠加,每一层中又存在一定的节理裂隙、断层或风化破碎带,在矿体没有开采前,顶板岩石仅存在受压作用;当矿体开采完,形成采空区后,顶板岩石就受抗拉和抗剪作用(抗拉强度远远小于抗压强度),在没有采用锚杆护顶前,顶板围岩从外到里,都是单层受拉受剪。由于长时间暴露在空气中,受地压、爆破震动、空气中水分渗透等因素的影响,它的抗拉强度会急剧下降,在超过它的抗拉极限强度后,由于重力的作用便会一层一层地剥落下来。锚杆作用机理即是利用锚杆在孔眼内产生的强大膨胀力,使得锚杆外表与岩壁“粘”在一起,从而产生巨大的摩擦力,把围岩层与层之间“捆绑”起来,使围岩的单层结构变成了整体结构,把整个顶板合成为一体,形成三方受力状态,极大地增强了顶板围岩的抗拉和抗剪强度[1-2]。

3 锚杆护顶技术程序

3.1 材料技术标准

要达到预期的护顶效果和要求,锚杆的材质是关键,因此要选用国标产品。国标产品的技术标准如下：1)选用Q235A级冷轧钢材,壁厚2.5～3.0 mm。2)缝管锚杆表面应平整,无严重拉伤、锈蚀；挡环焊缝应无裂纹,无气孔夹渣。3)挡环焊缝拉脱力≥80 kN,杆体极限抗拉力≥110 kN,初锚力≥25 kN。4)管缝式锚杆长度根据顶板围岩的层厚而定,该矿一般选用的锚杆长度为2.0～2.2 m;管缝式锚杆直径根据钻孔的直径而定,一般要大于孔径2～4 mm,通常选用MF43,公差±0.5,缝宽在14 mm。

3.2 作业现场的要求

1)安全生产标准化要求。在作业现场要严格执行各项安全规范。除此之外,考虑到采场作业面的空间高度一般在2.0～2.3 m之间，因此要求放矿工不能把漏斗放得过空；耙矿工在下班前要把作业面尽量耙得平整一些,为凿岩护顶创造条件[3]。

2)安全技术措施[4]。(1)确保按设计要求留好矿柱：厚矿体(矿体厚度≥5 m)矿柱直径为5 m,矿房暴露面积为136 m2;薄矿体(矿体厚度≤5 m)矿柱直径为4 m,矿房暴露面积为88 m2。(2)采用YSP-45型凿岩器具,护顶作业前,要把顶板浮石处理干净。(3)认真检查顶板的断层、节理裂隙发育情况,记录它们的走向、倾向和倾角,以确定孔眼的位置和角度。(4)如顶板较为风化破碎时,需留30～40 cm厚的矿体护顶,以隔绝水蒸汽。

3.3 孔网参数计算公式[5]

孔网参数计算公式：a＝Kf／5（n﹢1）

式中：a表示钻孔间距,m；K表示顶板平整度系数与钻工的凿岩技术相关,一般为0.1～1.0，若未破顶,顶板的平整度光滑略成微拱形,则系数为1.0；f表示顶板围岩坚固性系数,Ⅶ-1矿体的顶板围岩为硅质岩、互层灰岩、矽卡岩,且未风化破碎,故f＝12～14；n表示单位面积内的节理裂隙、断层、破碎带的条数。

举例说明：1)Ⅶ-1矿体顶板支护网度。由于其顶板平整度好,围岩坚固,K＝0.8，f＝14,有两条节理,n＝2,则a＝0.75 m；2)Ⅳ-1矿体顶板支护网度。由于顶板较风化破碎不平整,K＝0.5，f＝10，假设有两条节理n＝2,则a＝0.33 m；

总之,支护网度视顶板稳固性和平整度而定,一般顶板平整、整体稳固性好,坚固、节理裂隙发育少,无风化破碎现象,孔网参数偏大,反之偏小。护顶前采矿和地质工程技术人员要到作业现场,根据设计要求和现场实际情况,确定支护网度和钻孔的位置、角度,并作好标记。表2是该矿多年支护顶板的经验数据。

表2 Ⅳ-1、Ⅵ-1、Ⅶ-1矿体顶板支护网度

钻孔深度要超过锚杆长度5～10 cm,钻孔的位置要偏离节理裂隙,破碎带30～50 cm,一般钻孔的角度以垂直层面为佳,但如果存在节理裂隙面或断层的情况下,钻孔与构造面的角度＞45°为佳。

3.4 后期监管[6]

由于该矿矿区不允许地表塌陷，因此做好采空区的管理工作是矿区环境恢复治理的一项重要内容。必须做好原始记录的收集工作:包括支护网度和钻孔角度、位置、数量等数据的真实填报,并做好交接班记录等。另外,在地压监测和采空区观测方面,地质和测量技术员选择几个采空区,进行布点。每个采空区在重要的位置设立4～5个可伸缩的标有数据刻度的标杆尺,定期进行观察,记录数据,加以比对和分析,为今后的顶板护顶和采空区的管理提供参考。

4 结语

采空区的顶板是地下开采矿山的重大危险源之一，它甚至超过民爆器材和斜井提升的危险程度。该矿重伤以上的安全事故,绝大部分都是来自顶板松石坠落和塌方所致,而且都是在以前作业面顶板没有锚杆支护的情况下发生的。管缝式锚杆支护顶板是较佳的护顶方式,它与其它锚杆护顶相比,具有材料价格低、施工简单、操作方便、锚固力强、护顶效果佳等优点。采空区顶板管理工作是作为地下矿山安全生产管理工作的重要环节和重要工作,要引起企业的高度重视,必须加大安全投入，推广管缝式锚杆支护顶板和支护技术。管理好采空区的顶板,对矿山企业长治久安，降低风险、稳步发展具有重要意义。

[1]杨双锁,康立勋.锚杆作用机理及不同锚固方式的力学特征[J].太原理工大学学报,2003,34(5):540-543.

[2]张长根,黄汉富,宇黎亮.管缝式锚杆的应用[J].矿山压力与顶板管理,1997(2):22-24.

[3]AQ2007-2006,金属非金属矿山安全标准化规范[S].

[4]GB16423-2006,金属非金属矿山安全规程[S].

[5]王延国,任涛,褚学超.锚杆、锚索联合护顶在采场顶板管理中的应用[C]//鲁冀晋琼粤川辽七省金属(冶金)学会第十九届矿山学术交流会论文集(采矿技术卷),济南:山东金属学会,2012.

[6]谢开维,颜恩泽.楔管式锚杆在采场中的应用[J].化工矿山技术, 1986(2):14-16.

App lication of Tube Seam Anchor Bolt Canopy Guard Technology in Roof Management

CAI Jin-xian
(Jiangxi Pengshan Tin Mine,De'an,Jiangxi 330408,China)

Taking a state-run old mine in Jiangxi as an example,this paper elaborates mechanism of anchor bolt and technical requirement,safety precautions and operational procedure of tube seam anchor bolt canopy guard adopted in this mine,and makes comparison on the large difference of before and after using anchor bolt canopy guard.It is proved by practice that tube seam anchor bolt canopy guard is of low material price,simple construction,convenient operation,strong anchoring force and good guard performance,which is the best choice of canopy guard for the m ine enterprise.

roof plate;tube seam anchor bolt,canopy guard technology;hole net parameter calculation;supporting net

TD353.6

B

1004-4345(2014)02-0009-03

2014-01-26

蔡锦仙(1964—),男,工程师,从事采矿工程设计和技术管理工作。