三山岛金矿深井联合支护技术的研究与应用

张恒超

（山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261441）

三山岛金矿随着回采重心不断下移，地压逐渐显现，岩石节理裂隙发育，岩石整体性差，同时深井高温、高湿、高地压问题愈来愈烈。深部开采地应力和溶水压力大，片帮、冒落、塌方、岩爆等工程地质灾害增多，安全生产条件变差；开采深度大、地应力高，开采后空区处理时限缩短，支护与充填费用增大，生产成本变高；埋深大、地温高，设备磨损腐蚀严重，导致生产效率下降和生产能力降低[1]。随着原岩应力急剧增加以及围岩自身质量等级的不同，传统的单独的锚杆或者锚索很难达到支护效果，必须对不同质量分级的岩体进行有针对性的 。

1 矿区地质概况

三山岛金矿矿体属于破碎带蚀变花岗岩型大型金矿床。矿体内存在主裂面。其下盘矿体的蚀变矿化随着距离的拉大而逐渐减弱，主矿体走向为NE38°，矿体沿走向长度约为1000m，倾向SEE，倾角约为40°，矿体中间较为厚大，两翼逐渐变窄尖灭[2]。目前三山岛金矿深部揭露的地点巷道下盘大多为钾化花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩、局部为黑云母花岗岩。在施工深部中段巷道和分段巷道时，局部有煌斑岩穿插巷道，煌斑岩较脆。钾化花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩、黑云母花岗岩较硬，岩石硬度系数在10～12左右。

2 工程地质条件调查

近十年以来，三山岛金矿先后与中科院、中南大学、东北大学、北京科技大学等多家科研院所合作开展了矿区工程地质水文地质调查、矿山三维建模、岩石力学基础研究、地应力测量、围岩稳定性分析、开采优化等研究工作，所获取的矿山基础数据表明三山岛金矿深部以全面进入高地应力环境状态。通过对于三山岛金矿深部岩石强度试验及结构面分析，根据BQ法对深部中、分段巷道进行岩体质量分级：

式中: Rc-岩石饱水抗压强度；Kv-岩体完整性系数。

注：上式应遵循以下条件：①当Rc＞90Kv+30时，以Rc=90Kv+30和Kv代入计算；②Kv＞0.04Rc+0.4时，以Kv＞0.04Rc+0.4和Rc代入计算；

代入基础数据后得出三山岛金矿深部各中、分段普遍为Ⅲ级岩体，局部为Ⅳ级岩体。

3 巷道支护参数

3.1 锚杆参数

3.1.1 锚杆长度

对于锚杆长度的设计，既要保证其有效长度大于松动区，同时又要小于塑性区。尤其是巷道顶板围岩来说，其具有较大的变形可能性，设计方案应确保锚杆可以根据围岩变形情况而相应的移动。这样在围岩变形过程中，锚杆支护会逐渐增加抗力，提高支护结构的柔韧性。可按照加固拱原理确定锚杆参数；

其中:L -锚杆全长，m；L1-锚杆外露长度，一般取0.05-0.2m,包括垫板、螺母;为了进行拉拔试验通常取0.2m；L2-锚杆有效长度，m；L3-锚杆锚固长度,一般为0.3-0.5m；

其中:L2-锚杆有效长度,m；B-巷道掘进跨度，取4.2m；H-巷道掘进高度，取3.4m；W-围岩内摩擦角，取45°；f-岩石普世系数,取2.5；

则L2=[4.2/2+3.3＊tan(45° -45° /2)]/2.5=1.39

所以锚杆长度L≥L1+L2+L3=0.2+1.39+0.5=2.09m。

3.1.2 锚杆间距

国内矿山使用锚杆间距一般为0.5～2.0m，常用0.7m～1.5m。根据经验公式计算：

式中：a-锚杆间距；L-锚杆长度；

则锚杆间距为（0.5～0.7）L=1.0m～1.4m。

3.1.3 锚杆直径

国内外矿山使用的锚杆直径一般为12mm～42mm锚杆直径与锚杆种类有关：楔缝式锚杆直径为20mm～30mm，常用24mm～26mm；胀壳式锚杆直径为12mm～20mm，常用14mm～16mm；管缝式锚杆直径为32mm～42mm，常用38mm～42mm；钢筋砂浆锚杆直径为12mm～20mm，常用14mm～16mm。采用以下公式进行计算：

式中d-锚杆直径；L-锚杆长度

经综合计算分析，三山岛金矿采用Φ20mm的右旋螺纹钢锚杆，长度2.2m；托盘采用150×150×8mm（长×宽×厚）钢板，中部要冲压成碗状；钻孔直径为Φ32mm，孔深不小于2.15m；锚固剂使用快速、中速两种树脂药卷（快速凝固时间约40～60秒，中速凝固时间约90～120秒），药卷直径为28mm，长度为700mm，每孔装两卷、装药长度不小于1400 mm，以保证锚杆安装后的锚固长度不小于1500mm。

3.2 钢带参数

钢带采用Φ10mm圆钢加工，净长1.5m或2.4m，净宽5cm,每50cm增加一处连接横筋，所有焊接须采用双面焊接。安装过程中，钢带采用锚杆固定，保证紧贴岩壁，与岩壁距离最大不超过3cm，相邻钢带必须用锚杆搭接。

3.3 金属网参数

金属网采用Φ5mm金属网，网孔100mm×100mm，规格2.0m×1.0m；或者镀锌金属网，网孔50mm×50mm，规格3.0m×1.2m或2.0m×1.0m。安装过程中，金属网之间搭接10cm，搭接位置必须由锚杆固定，金属网要紧贴岩壁，金属网与岩壁距离最大不超过3cm。

4 支护方案

基于三山岛金矿深部巷道围岩普遍为Ⅲ级岩体、局部为Ⅳ级岩体的地质条件[3]。现对不同围岩等级的围岩采用针对性的支护方案[4]。

4.1 Ⅲ级岩体支护方案

巷道成型后，根据围岩破碎情况，采取不同的临时支护措施：围岩较稳固区段采用管缝式锚杆对顶板及两帮临时支护，锚杆网度2.0m×2.0m；围岩较破碎区段：先对顶板及两帮进行临时喷浆支护。

临时支护完成后，对顶板及两帮进行树脂锚杆、钢带全断面联合支护。每排施工6根树脂锚杆，间距1.2m～1.6m，排距1.2m～1.6m；对于巷道顶板可采用十字钢带交叉支护，帮壁采用平行钢带支护。顶板及两帮锚护后，对锚护区域喷浆支护，喷浆厚度至少50mm，强度C20，喷浆体必须将钢带严密覆盖。

4.2 Ⅳ级岩体支护方案

巷道成型后，根据围岩破碎情况，采取不同的临时支护顺序：围岩较稳固区段采用管缝式锚杆对顶板及两帮临时支护，锚杆网度2.0m×2.0m；围岩较破碎区段先对顶板及两帮进行临时喷浆支护。

图1 Ⅲ级岩体中分段巷支护断面图

图2 Ⅲ级岩体中分段巷支护俯视图

成巷区段临时支护完成后，对顶板及两帮进行树脂锚杆、金属网、钢带全断面联合支护。每排施工9根锚杆，间距0.7m～1.3m，排距0.7m～1.3m；对于巷道顶板可采用十字钢带交叉支护，帮壁进行平行钢带支护；金属网之间搭接不得低于10cm，金属网四个角重叠搭接后必须采用树脂锚杆固定，金属网中间部分可采用管缝式锚杆固定，按照“先凹后凸”的原则进行帮壁挂网，保证金属网紧贴岩壁，确保支护质量。顶板及两帮锚护后，对锚护区域喷浆支护，喷浆厚度5cm～10cm，强度C20，喷浆体必须将钢带严密覆盖。（见图3、4）。

图3 Ⅳ级岩体中分段巷支护断面图

图4 Ⅳ级岩体中分段巷支护俯视图

5 结论

对于三山岛金矿深部巷道的支护，应先根据地质条件对围岩进行质量分级。对于不同质量等级的岩体进行有针对性的支护措施。对Ⅲ级岩体进行“锚杆+钢带+喷砼联合支护”；对Ⅳ岩体进行“锚杆+钢带+金属网+喷砼联合支护”。在支护过程中应保证支护材料与围岩紧密咬合，以达到较好支护目的。