安徽和睦山铁矿-300 m水平运输巷道锚索加强支护技术

李国平 朱文龙

(马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司)

安徽和睦山铁矿-300 m水平运输巷道担负后和睦山矿段以及后观音山-250，-300 m中段溜井出矿与运输任务。该水平运输巷道处于软弱岩层中，围岩软硬极不均匀，局部存在软弱裂隙带，部分围岩具有高节理化、软化、泥化、膨胀性等特征[1]。巷道围岩物理力学性质较差，现有的锚网喷支护无法有效改善巷道围岩力学性质，使得运输巷道变形逐渐加剧，导致支护结构发生破坏，巷道周边围岩位移较大，顶板破碎、两帮内移，严重影响了采出矿石的连续运输，无法满足巷道长期稳定要求。因此，有必要对该矿-300 m水平运输巷道支护方案进行合理设计，确保巷道服务期限内安全与稳定。

1 预应力锚索支护方式确定

巷道围岩收敛曲线是以围岩特性曲线和支护控制线为根据确定的[2-4]，采用收敛控制法作为巷道围岩收敛线确定的理论基础。收敛控制法认为围岩破坏特征为剪性破坏，以围岩弹塑性本构关系为基础，遵循库伦-莫尔准则，来推导收敛控制方程。通过对巷道围岩与支护相互作用的弹塑性分析，可以得出巷道塑性区半径以及围岩周边位移的表达式。巷道塑性区半径Rp的计算公式为

(1)

式中，a为巷道半径，m；C为围岩黏聚力，MPa；φ为围岩内摩擦角，(°)；p0为巷道围岩的原岩应力，MPa。

巷道周边围岩弹塑性位移u0的计算公式为

(2)

式中，G为弹性切变模量。

综合考虑围岩力学性质、支护强度等因素，本研究利用收敛控制法设计和睦山铁矿-300 m运输巷道支护方案。引入应力释放系数概念，将该巷道断面荒径的2倍作为应力影响范围。应力释放系数的计算公式为

(3)

式中，Ki为应力释放系数；ηi为量测点的临空系数。

利用应力释放系数Ki对式(1)、式(2)进行了修正，可得

(4)

(5)

根据式(4)、式(5)，可进一步分析巷道围岩位移u0与巷道开挖临空系数ηi在不同支护抗力p1作用下的关系，如图1所示。

图1 围岩位移与临空系数的关系

由图1可知：当p1≤3.0 MPa时，表明支护抗力偏小，围岩位移u0伴随开挖临空系数ηi的增大而加速发展，该支护方式无法有效控制巷道围岩变形，最终会导致围岩发生破坏；当p1=3.5 MPa时，表明支护抗力p1为巷道围岩与支护结构趋于稳定的临界值，巷道位移u0的发展趋势随着开挖临空系数ηi的增大而逐渐趋于匀速变化；当p1≥4.0 MPa 时，巷道围岩u0的发展趋势随着开挖临空系数ηi的增大呈减速增长，表明支护力p1已经达到使巷道围岩与支护结构维持稳定的抗力值。

根据收敛控制法确定的围岩收敛线进行分析可知，和睦山铁矿-300 m水平运输巷道围岩属于大松动圈中的不稳定围岩，维持巷道围岩与支护结构稳定所需的支护抗力p1不宜小于3.5 MPa。根据现场施工经验与相关测量资料，巷道围岩与锚网喷支护混凝土喷层的接触应力一般为1～3 MPa，锚索托盘承受的接触力为3～7 MPa。

综上所述，根据围岩与支护结构的相互作用关系，考虑到和睦山铁矿-300 m水平运输巷道所穿岩层的具体地质特征，确定采用锚网喷支护+预应力锚索的联合支护方案。

2 预应力锚索支护参数计算

为确保支护结构的合理性，应对巷道顶板冒落范围(巷道帮部破碎深度C和潜在冒落拱高度b)进行分析计算[5-8]。

2.1 巷道顶板冒落范围分析

巷道顶板破碎深度C的计算公式为

(6)

式中，K为自然平衡拱角应力系数，2.39；L为巷道宽度，4.5 m；h为巷道掘进高度，3.5 m；γh为上覆岩层平均容重，3.75 kN/m3；H为上覆岩层厚度，30 m；B为固定(残余)支撑压力影响系数，2；fc为岩石普氏系数，1.955；α为矿体倾角，50°；φ为矿体内摩擦角，25.2°。

经计算，C=6.08 m。

潜在冒落拱高度b的计算公式为

(7)

式中，a为巷道有效跨度的1/2，2.25 m；k为顶板岩性系数，0.8。

经计算，b=3.42 m。

为确保预应力锚索具体施工参数的可靠性，应确定巷道顶板潜在冒落高度。根据该矿-300 m运输巷道拱顶破碎围岩的冒落高度，确定的预应力锚索的具体施工参数，应确保预应力锚索施工至巷道稳定岩层中，将巷道顶板松动圈内的不稳定岩层或冒落拱内的破碎岩层固定于上部稳定的岩层中。

2.2 锚索支护参数确定

巷道拱顶潜在冒落区整体载荷的计算公式为

Q=γbDSH，

(8)

式中，γ为拱顶冒落区岩体容重， 37.5 kN/m3；b为巷道宽度，4.5 m；DS为锚索排距，1.6 m；H为巷道潜在冒落区的高度，3.42 m。

经计算：Q=923.4 kN。

该预应力锚索材料由φ17.8 mm低松弛预应力钢绞线制作，其破坏力为353 kN。巷道每排施工锚索数量可按下式计算，

n=k′Q/Q1，

(9)

式中，k′为安全系数，1.2；Q1为每根锚索的极限承载力，353 kN。

经计算，n=3.13，本研究n=3。

锚索可承受的荷载可计算如下

Q′=Q/n=923.4/3=307.8 .

(10)

根据悬吊理论，锚索总长度应按下式计算，

L=L1+Lp+L2，

(11)

式中，L1为锚索锚固段长度，m；L2为锚索外露长度，200 mm；LP为锚索有效长度(巷道潜在冒落区高度)，3.42 m。

锚索锚固段长度L1可根据锚固剂与钢绞线的黏结长度或岩体的黏结长度确定。锚固剂与钢绞线黏结长度的计算公式为

(12)

锚固剂与岩体的黏结长度可按下式计算，

(13)

式中，τa为树脂与钢绞线的黏结力，5.0 MPa；τb为锚固剂与岩孔的黏结力，3.5 MPa；K为安全系数，2.0；Q′为锚索设计荷载，307.8 kN；da为预应力钢绞线直径，17.8 mm；db为锚索孔直径，30 mm。

经计算：La=2.2 m，Lb=1.85 m，为提供足够的锚固力，取L1=2.2 m。故锚索的总长度为L=5.82 m。

综上所述，预应力锚索直径为17.8 mm，长度为6 300 mm；施工孔径为32 mm，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型树脂药卷进行加长锚固，其极限承载力为353 kN，伸长率为4%[9]；预应力锚索托盘采用规格为300 mm×300 mm×20 mm(长×宽×高)高强度可调心托盘；采用专用锚具与设备对其进行张拉、固定和切割；锚索预应力不低于150 kN，间排距为1 400 mm×1 600 mm。

3 工程应用

3.1 支护方案

根据计算出的预应力锚索的间排距(1 400 mm×1 600 mm)，按“2-3-2”形式或均匀布置3根的方式在2排锚杆之间布置预应力锚索进行加强支护[10]，采用MDS3型电动锚杆钻机(φ32 mm钻头、φ19 mm钻杆)进行钻孔，孔径与孔深应与锚索规格相符，锚索规格为φ17.8 mm×6 300 mm。钻孔完毕后，钻孔无泥岩时可用清水清孔，压风复清，如遇泥岩或泥岩互层时，宜采用压风多次清孔，以提高锚头锚固力。树脂药卷与锚索进行同步安装，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型树脂药卷进行加长锚固。

锚索采用规格为300 mm×300 mm×20 mm(长×宽×高)的高强度可调心托盘进行固定，利用OVM15型锚具与YCD-180型千斤顶、GQ-190型液压切断器进行张拉和切割。锚索预应力不小于150 kN，达到设计预应力值时可停止拉张。张拉时若发现有锚固不合格的锚索，必须立即在其附近补打、安装合格锚索，或者用张力器将不合格的锚索拔出，而后用钻机将原来的钻孔清一遍，重新安装锚索。本研究巷道锚索加强支护结构如图2所示。

图2 锚索加强支护结构断面(单位：mm)

3.2 支护效果

和睦山后观音山矿段-300 m水平运输巷道应用锚网喷+预应力锚索加强支护方案后，对该支护巷道进行了60 d的巷道位移监测，观测结果如图3所示。

图3 -300 m运输巷道顶板与两帮位移变化情况

分析图3可知：-300 m水平运输巷道顶板与两帮的位移变化量分别为30，20 mm，混凝土喷层未有发生明显变形，表明本研究设计的锚网喷+预应力锚索加强支护方案能够有效控制该矿-300 m水平运输巷道围岩变形。

4 结 语

通过采用巷道围岩变形机理分析与理论计算相结合的方法，设计了安徽和睦山铁矿-300 m水平运输巷道锚网喷+预应力锚索加强支护方案，并确定了合理的锚索支护参数。根据巷道围岩变形监测结果，验证了该方案的有效性，可供类似矿山参考。