西石门铁矿北区破碎围岩锚网喷支护技术研究

2021-02-23宋德林陈飞宇郑文翔阚景文

中国矿业 2021年2期

宋德林，陈飞宇，郑文翔，孙明，阚景文

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头 014010；3.五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿，河北邯郸 056303)

西石门铁矿产于燕山期矽卡岩和中奥陶纪马家沟组灰岩的接触带中，为接触交代矽卡岩型磁铁矿床。矿体上盘围岩为灰岩，矿体为矽卡岩型磁铁矿，下盘围岩主要为闪长岩，在矿体与下盘间夹有薄层蚀变闪长岩与矽卡岩[1]。矿山掘进过程中遇到的破碎岩性主要有：蚀变闪长岩、矽卡岩、矿石。蚀变闪长岩：软弱，黏结性差，稍有扰动即成松散粉状或块状结构，开挖后容易发生大规模冒落。矽卡岩：岩性较软、泥质，充填有黑色金属光泽泥质物，有一定黏结性，掘进过程中容易发生小规模冒落，遇水易膨胀。矿石：较为破碎，有的部位矿石呈粉状或小块状散体状态。对于以上破碎岩性巷道，矿山一般采用拱架或超前锚杆+拱架支护[2]。对于蚀变闪长岩和粉状矿石部位来说，这种支护方式施工简便安全、支护用工少、用时短、有足够的支护强度，可以很好适应围岩开挖后短时间冒落的特点。而对于矽卡岩和完整性尚可矿石部位来说，拱架支护有些过度，如在无明显地压作用情况下，拱架支护可保证巷道3年内不发生明显变形，而一般回采进路存在时间不超1年。另外矽卡岩遇水泥化，泥化后的碎石从拱架间隙流出，造成巷道泥泞，通行条件差；拱架支护时，壁后会有较厚的松散体，给落矿时中深孔施工带来困难。从支护适度性和便于中深孔施工以及作业环境来看，认为拱架支护方式不够合理。为此，需要研究适合于北区矽卡岩和完整性较好的矿体围岩条件下的巷道支护措施。

针对西石门铁矿北区矽卡岩和完整性较好的矿石中巷道的支护问题，考虑支护适度、便于施工等要求，分析选用了锚网喷支护措施，并利用Q系统确定了支护参数。之后对确定的锚网喷支护方案进行模拟分析，并应用于现场进行实验。

1 巷道支护方式确定

在无明显地压作用的矽卡岩和矿体中的巷道采用拱架支护时，除了木背板被壁后的碎石压裂，支护3年后拱架几乎未变形，而一般回采进路存在时间较短，可见拱架支护足可满足支护强度要求，甚至有过度支护现象。拱架支护时，壁后会有较厚的松散体，给落矿时中深孔施工带来困难。另外，矽卡岩遇水泥化，从拱架间隙流出，造成巷道泥泞，通行条件差。从适度性和便于中深孔施工来看，拱架支护不作为首选。

从围岩情况看，围岩质地疏松泥质化，这时巷道用增强围岩的办法成本很大且不易实施，也就是说用注浆的方法增强围岩的方法难度较大：①水泥遇到泥土细颗粒后，黏结强度变差，水泥消耗量会较大；②注浆给水后，由于围岩遇水泥化，巷道围岩自身强度会变低；③巷道围岩泥化严重，节理裂隙被土封闭，注浆液将不易扩散，注浆范围受限。

围岩的大变形主要是深层次的围岩投入移动及围岩遇水后膨胀影响，如果将巷道开挖后的表层及时稳固，深层次的围岩不发生移动，巷道的稳定性将有很大改进，所以支护方式一定要及时提供支护抗力及封闭暴露面。为此，这类围岩初次支护应立足于锚网喷支护，然后选取合理的支护参数，以取得理想的支护效果。

2 岩体力学参数测定及估算

为了确定合理的支护参数并为支护效果模拟研究提供计算参数，在点荷载和结构面调查的基础上，利用广义Hoek-Brown强度准则对岩块物理力学参数进行工程折减处理，得到矿体和矽卡岩的岩体力学参数。

2.1 矿岩点荷载强度的测定

在北采区0 m水平和-40 m水平选取矿石和矽卡岩试样，进行了点荷载强度试验及数据处理。通过点荷载试验[3]，计算得到了北采区岩矿试样的点荷载强度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度，见表1。

表1 西石门铁矿北区点荷载强度计算结果

2.2 矿岩结构面调查

通过结构面调查确定的定量指标，能够反映岩体结构的特征。结合矿区的实际情况，分别对0 m、-40 m阶段的矽卡岩、矿石进行调查。根据调查结果整理计算，结果见表2。

2.3 岩体完整性系数Kv

由岩体结构面参数可计算岩体完整性系数，计算见式(1)。

Kv=1.0-0.083JvJv≤3

Kv=0.75-0.029(Jv-3) 3≤Jv≤10

Kv=0.55-0.02(Jv-10) 10≤Jv≤20

Kv=0.35-0.013(Jv-20) 20≤Jv≤35

Kv=0.15-0.007 5(Jv-35)Jv>35

(1)

式中，Jv为岩体体积节理数，指单位体积内所含节理(结构面)条数(条/m3)，可以用式(2)计算。

Jv=N1/L1+N2/L2+……+Nn/Ln

(2)

式中：L1，L2，……，Ln为垂直于结构面的测线长度，m；N1，N2，……，Nn为同组结构面的数目。

岩体完整性系数的计算结果见表3。

表2 结构面调查数据表

表3 岩体完整性系数

2.4 基于Hoek-Brown准则的岩体强度参数估算

为获取计算岩体力学参数，以点荷载实验及结构面调查得到的岩块物理力学参数、岩体完整性系数为基础，采用广义Hoek-Brown强度准则[4-5]对岩块物理力学参数进行工程折减处理。计算见式(3)。

(3)

式中：σ1为岩体破坏时的最大主应力；σ3为岩体破坏时的最小主应力；σci为组成岩体完整岩块的单轴抗压强度；mb为材料参数mi的折减值，由式(4)给出。

(4)

式中：GSI(geological strength index)为地质强度指标；mi可由式(5)估算得出[6]。

(5)

式中：σc为岩石的单轴抗压强度;σt为岩石的单轴抗拉强度。

s和a为岩体材料参数，由式(6)和式(7)给出。

(6)

(7)

式中，D为节理岩体遭受破坏和应力松弛受扰动程度的参数。对于未受扰动的岩体，D=0；对于严重受扰动的岩体，D=1[7]。

σ3=0时，由式(3)得到岩体的单轴抗压强度。

σc=σcisα

(8)

岩体的抗拉强度由式(9)给出(岩石力学里默认压为正，拉为负)。

(9)

岩体的弹性模量由式(10)给出。

Em(GPa)=

(10)

根据式(11)和式(12)可以分别求得岩体的摩擦角及内聚力。

(11)

(12)

式中，σ3n计算见式(13)。

(13)

(14)

(15)

北区岩体力学参数估算时，σc、σt通过点荷载试验换算得出；岩体扰动参数D按文献[5]中推荐值取0.7；岩体的地质强度指标GSI根据结构面调查获取的岩体参数Jv，参考文献[8]选取。岩体力学参数计算所需数据见表4。

通过计算、整理，西石门铁矿岩体力学参数汇总，见表5，其中泊松比按文献[9]中的测定选取。

3 锚网喷支护参数确定

确定采用锚网喷支护措施后，应选取合理的支护及施工参数，以取得理想的支护效果。

3.1 喷层厚度和锚杆参数选取

BARTON等[10]为了指导岩体支护设计，提出了Q系统岩体分类方法，该方法作为岩体质量指标的函数定义,见式(16)。

(16)

式中：RQD为岩体质量指标；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙度系数；Ja为节理蚀变系数；Jw为裂隙水折减系数；SRF为应力折减系数。

对于质强度指标GSI和Q之间的关系，HOEK等[11]对大量工程进行了对比研究，得出了GSI和Q间的经验关系见式(17)。

(17)

在西石门铁矿北区，掘进掌子面有滴水，部分部位中等水流，取Jw为0.66。矽卡岩层含有黏土，矿石呈小块状，SRF值取5.0。按表4选取GSI值。经计算矽卡岩和矿石的Q值分别为：Q矿=0.15、Q矽卡=0.085，岩性描述为很差和非常差。开挖安全率ESR按1.6选取，Q系统法推荐的支护等级为5和6[12]，如图1所示。即西石门铁矿北区破碎部位推荐支护参数为：喷射钢纤维混凝土厚度9～12 cm；锚杆长度2.4 m，间距1.2～1.3 m。

表4 岩体力学参数计算所需数据

表5 岩体力学参数

注：CCA-浇筑混凝土拱；RRS+B-拱架+喷射混凝土+锚杆；Sfr+B-喷射钢纤维混凝土+锚杆；B+(S)-锚杆+喷射混凝土支护；B-系统锚杆支护；Sb-点锚支护。

3.2 锚杆类型选择

树脂锚杆的锚固力较大，胶凝固化速度快，从而迅速、有效地产生锚固作用，另外其属于端部锚固，锚固力不随表层围岩的剥落而降低。对于北区破碎围岩，树脂预锚杆比管缝式锚杆优越。

3.3 锚杆直径和钻孔直径

选择树脂锚杆进行支护时，“三径(锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷直径)”应合理匹配[13-14]，实现顺利安装及锚固力最佳的效果。结合矿区地质特征及影响因素，西石门铁矿北区支护选用直径28 mm的钻头，应用直径20 mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，直径23 mm的树脂锚固剂。选用加长锚固，锚固长度不小于800 mm。因此选择锚固剂的型号为K2350和Z2350，一个孔两卷，一个中速一个快速，安装时快速锚固剂放置在孔底。

3.4 西石门铁矿北区锚网喷支护方案

根据巷道施工要求和施工方便的特点，特拟定支护方案：混凝土厚度10 cm，强度等级C20，配合比1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂。选用Ф20 mm×2 400 mm的树脂锚杆，150 mm×150 mm×8 mm的拱型高强度托盘，锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，全断面布置9～10根锚杆，如图2所示。锚杆孔直径为Ф28 mm，采用树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于800 mm。

图2 锚杆布置形式及参数

同排锚杆用钢筋托梁连接，托梁由在两条直径Ф14 mm的钢筋之间焊接纵筋制成，钢筋间距为60 mm。纵筋位置与锚杆安装间距对应，在锚杆位置左右各焊一个，间距取60 mm。托梁长度在拱顶处为2 500 mm，帮部为2 000 mm。两相邻的钢筋托梁搭接，利用锚杆压紧搭接的两根钢筋托梁。

钢筋网采用Φ6.5 mm钢筋焊接，规格为顶板网片2 500 mm×1 800 mm，两帮网片2 000 mm×1 800 mm，网孔规格为100 mm×100 mm。网与网的搭接长度不少于100 mm，搭接处应采用铁丝绑扎，绑扎点间隔不超过150 mm。巷道支护紧随掘进掌子面，爆破出渣后顶板暴露时间不允许超过24 h。

4 支护效果

4.1 支护效果模拟研究

按照所设计的锚网喷支护参数，对巷道支护效果进行数值模拟验证，分别模拟无支护、1.4 m锚杆(矿山曾使用过1.4 m锚杆，但效果不佳)、2.4 m锚杆支护条件下塑性区分布情况，结果如图3所示。

开挖后不采取支护措施，如图3(a)所示，两帮塑性区最大深度可达1.5 m，顶板最大可达1 m。这种情况下若用拱架支护，背板后将充填大量碎石。另外，巷道表面未封闭，这种围岩剥落趋势将继续向深部发展，给中深孔凿岩带来不便。开挖后采用1.4 m锚杆支护时，如图3(b)所示，两帮塑性区深度有所减少，至1.2 m，顶板塑性区最大深度减少至0.8 m，范围仍较大。使用2.4 m锚杆支护后，虽然两帮塑性区最大深度未进一步减少，但范围明显缩小，顶板塑性区最大深度减少至0.5 m，并且影响区域缩小明显，如图3(c)所示。因此，考虑回采时中深孔施工，采用2.4 m长的锚杆进行锚网喷支护更适合北区破碎围岩的支护。