深部高硫破碎矿岩巷联合锚杆支护技术研究

马生徽，王文杰，马雄忠

(1.武汉钢铁集团开圣有限责任科技公司, 湖北武汉 430062；2.武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430074)

深部高硫破碎矿岩巷联合锚杆支护技术研究

马生徽1，王文杰2，马雄忠2

(1.武汉钢铁集团开圣有限责任科技公司, 湖北武汉 430062；2.武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430074)

研究采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护技术，应用于深部高硫破碎巷道支护，克服金属管缝锚杆易腐蚀、锚固力不足和支护时效短等问题。通过高峰矿深部高硫破碎巷道现场联合锚杆支护试验表明，联合锚杆支护有效保持巷道长久稳定，即先采用管缝锚杆挂网、后采用玻璃钢锚杆支护，能充分发挥两种锚杆的优势，有效控制巷道矿压。

锚杆支护；管缝锚杆；玻璃钢锚杆；联合支护

0 前 言

矿山深部开采面临矿山地压显著增大、地质及矿岩条件逐渐恶劣等难题,对井巷支护提出更高要求[1-2]。矿山常用的金属材质锚杆及支护形式在支护过程中出现如下问题:锚固力低；容易受地质环境影响发生腐蚀而失效[3-4]；在巷道变形破坏后进行二次返修维护时不易对金属锚杆进行清除[5-6]。

玻璃钢锚杆作为一种非金属锚杆,具有轻质、高强、耐腐蚀等优点,能有效消除矿岩硫化物对锚杆的腐蚀作用,从而提高锚杆支护效果[7-10]。有效地解决了金属矿山采用金属锚杆支护中存在的问题。但是玻璃钢锚杆支护在矿岩破碎巷道使用中存在明显的不足,主要体现在单独采用玻璃钢锚杆支护难以快速固定金属网和快速达到锚固强度,从而不能满足初期施工安全要求,给支护初期的锚网施工作业带来安全隐患。

综上所述,本文结合金属锚杆和玻璃钢锚杆的特点,研究采用全螺纹玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护,并在高峰矿进行试验。

1 工程概况

高峰矿主要回采水平为0～-200 m水平,井口海拔为+700 m,属于深部开采,受地质构造作用影响,矿体出现多个破碎带,局部矿岩破碎,巷道稳定性较差,维护困难。高峰矿主要采用锚杆支护技术维护巷道及采场稳定性,支护形式有锚杆支护、锚网支护、喷锚网支护等,采用的锚杆主要是直径40 mm、长度2000 mm的金属管缝式锚杆。

从现场锚网支护破坏现象来看,高峰矿巷道矿压的显现形式主要是巷道表层围岩破坏,表层围岩随金属网一起脱落或垮冒,高峰矿发生垮冒的地段,所支护的锚网支护体也发生破坏,部分支护锚杆随岩层一起脱落。这说明,现用的管缝式锚杆在支护中所提供的锚固力不足,不能有效阻挡离层岩体和金属网的脱落；总之,现用管缝式锚杆锚头破坏后锚固力不足,不能有效锚固并悬吊破碎冒落围岩或形成有效挤压拱；高峰矿为硫化物矿床,加之矿岩条件破碎,现用金属锚杆易被腐蚀而失去有效支护作用,导致巷道易发生变形垮冒。

因此结合高峰矿实际支护现状,支护方式依然沿用锚网支护,支护锚杆则选择非金属锚杆与金属锚杆配合使用,即采用管缝锚杆固定金属网,再采用玻璃钢锚杆形成完整支护结构,充分发挥非金属锚杆耐腐蚀、高强度、支护时效长的优点以及金属锚杆支护见效快、工艺简单的优点。

2 联合支护现场试验

为了在工程实践中检验采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合使用后的支护效果,在高峰矿井下进行了现场工业试验,通过监测巷道收敛变形量和观测裂隙发育程度验证玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护技术的可行性。

2.1 试验方案

试验巷道选择在高峰矿-123 m水平平巷和-151 m水平脉外巷。试验巷道围岩为礁灰岩,矿岩节理裂隙不发育,但在构造作用下,围岩相对较破碎,采用管缝式锚杆压金属网支护,形成典型的锚网支护形式,以维护其安全性。

试验方案一:管缝锚杆护顶,玻璃钢锚杆支护两帮。该方案下,每排锚杆的顶板2～3根锚杆安装管缝式锚杆,并对金属网进行固定,然后在巷道两帮金属网上安装玻璃钢锚杆,从而完成整排锚杆的安装支护。该试验方案地点位于-123 m水平东侧的脉外巷,巷道断面为2.7m×2.8m,巷道断面不平整,巷道围岩为中等稳固岩体。

试验方案二:管缝锚杆固定金属网,玻璃钢锚杆主体支护。即先采用管缝锚杆在金属网片四周将金属网进行固定,再安装玻璃钢锚杆进行主体挂网支护的施工顺序。此试验方案下,为充分发挥和验证玻璃钢锚杆的支护效果,每张金属网锚固的管缝锚杆数量不宜过多,以固定金属网为主,每张金属网片安装的管缝式锚杆最好不超过3根。此试验方案在-151 m水平脉外巷进行,巷道走向与矿体走向一致。巷道断面为3.2 m×2.9 m,巷道表面有破坏岩石,属于不稳固巷道。

锚杆及金属网安装后,为了监测两种支护方案下巷道支护效果及变形程度,在试验巷道中布置相应的监测点进行巷道收敛变形监测。

2.2 试验巷道收敛监测

巷道的变形与破坏都是地压作用的结果,巷道变形监测采用收敛计测量,收敛监测是井巷工程中重要监测内容之一,是巷道掘进和采场回采过程中,评定巷道稳定性及支护效果的一种重要尺度。本次现场试验使用JSS20A型数显收敛计监测巷道变形。

根据试验巷道长度不同,布置的测点监测断面排数也不同。每排监测断面安装3个监测点A、B、C,每个测点安装一根测杆,测杆插入围岩300 mm以上。根据所选择的试验进路实际长度情况确定测点位置。布置好测点后,分别按巷道编号对测点进行编号,以便于数据记录。测点布置见图1。监测目的是为了摸清在高峰矿复杂应力破碎矿段条件下巷道变形特征,研究玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护技术对控制巷道矿压显现的可行性。

图1 收敛监测点布置

在试验巷道掘进并完成相应的锚网支护后,根据收敛监测点布置方式布置好相应的监测点,由于试验巷道掘进与支护完成的时间不同,相应的监测时间也不同。高峰矿在-123 m水平和-151 m水平试验巷道均采用了玻璃钢锚杆与管缝式锚杆联合支护方式,只是玻璃钢锚杆与管缝锚杆使用数量比例不一致。不同试验巷道的不同监测位置上巷道收敛变形数据记录见表1～表4。

从表1和表2监测数据可以看出,-123 m水平平巷采用联合支护后,巷道变形量都较小,其中,1号监测点顶板变形量最大不超过1 mm,而两帮变形量最大不超过0.2 mm；而2号监测点顶板最大变形量没有超过2 mm,两帮最大变形量没有超过0.5 mm。说明-123 m水平试验巷道内巷道变形不明显,巷道整体较稳定,而较小的巷道变形量对整体巷道稳定性不会产生影响。

表1 -123m水平脉外巷1号监测点变形量统计

根据表1和2的数据,整理出-123 m水平试验巷道内各测点的两帮累计变形量和顶板下沉量的曲线,如图2和图3所示。

表2 -123 m水平脉外巷2号监测点变形量统计

表3 -151 m水平脉外巷1号监测点收敛变形量统计

表4 -151 m水平脉外巷2号监测点收敛变形量统计

从表3和表4监测数据可以看出,-151 m水平脉外巷采用联合支护后,巷道整体变形量也都较小。其中,1号监测点在41 d时发生较大变形,其顶板变形量达到54 mm,与其他测量值相差太大,应为试验员操作失误导致,而其它时间内,其顶板变形量均较平稳,最大变形量不超过5 mm；整个监测期内,两帮变形量比较平稳,最大变形量没超过2 mm。2号监测点顶板变形量随时间增长有所增大,其最大变形量为16.33mm,两帮最大变形量为0.57mm。因此, 从-151 m水平试验巷道变形量来看,虽然在第41 d 时1号监测点顶板变形量有突然增大现象,但其后监测周期内其顶板变形量都较平稳,而2号监测点以及整个巷道两帮变形均较小,这说明高峰矿采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护后,巷道变形不明显,巷道整体较稳定。

图2 -123m水平试验巷道两帮累计变形量曲线

图3 -123m水平试验巷道顶板累计变形量曲线

根据表3和表4的数据,整理出-151 m水平试验巷道内各测点的两帮累计变形量和顶板下沉量的曲线,如图4和图5所示。

图4 -151 m水平试验巷道两帮累计变形量曲线

图5 -151 m水平巷道顶板累计变形量曲线

2.3 联合锚杆支护效果分析

高峰矿采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护后,巷道变形较小,能有效维护巷道稳定性。从试验巷道支护后现场可以看出,高峰矿采用联合支护后,巷道没有发生大的岩体冒落或巷道变形,其支护的玻璃钢锚杆也未见发生松动或脱落现象,玻璃钢锚杆尾部螺母托盘也未见发生滑丝及破坏现象,现场试验表明,试验巷道稳定性状态良好。

3 结 论

高峰矿玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护现场试验及监测分析表明,在高硫破碎矿岩巷道条件下,采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护可以有效控制巷道矿压显现,有效维护巷道稳定性,试验中玻璃钢锚杆支护中没有发生锚杆被拉断或剪断现象,说明玻璃钢锚杆杆体本身力学性质能满足支护要求,玻璃钢锚杆与管缝锚杆也没有发生松动脱落或任何破坏现象,试验巷道收敛变形量较小。因此,采用玻璃钢锚杆与管缝锚杆联合支护技术在技术、经济、安全性上都是可行的。

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2014-11-22)