霍邱某铁矿巷道支护参数优化设计

李晓刚 熊贤亮 张小波

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.烟台东方冶金设计研究院有限公司)

无论新建、扩建或生产矿井中，都需要开掘大量井巷工程[1]。当围岩较破碎时，就需对开挖的巷道施加支护措施。巷道支护是一个传统课题，目前主要的围岩稳定性控制理论有新奥法[2]、共同支护理论[3]、能量支护理论[4]等。但由于地质条件的复杂性和多变性，在采矿巷道支护理论与实践中，仍有许多问题值得研究。

1 矿山简介

霍邱某铁矿南北走向长约4 000 m，为均衡生产规划，矿山以7#勘探线为界，沿矿体走向将矿区分为南、北2个采区进行开采。井下生产集中在南区。矿山采用竖井开拓，设出矿、凿岩、运输和回风水平。出矿水平有-290、-410、-530 m，凿岩有-170、-230、-290、-350、-410、-470 m；回风水平有-170、-350 m。

1.1 存在的问题

(1)生产揭露中发现，矿山南区围岩较破碎(图1)，岩体完整性较差，采掘过程中易发生垮落现象。

图1 南区破碎围岩

(2)凿岩过程中常发生堵孔，卡钻，开孔困难等情况，局部地区掘进凿岩困难，施工效率较低。

1.2 巷道支护现状

(1)矿山原设计支护参数。矿山沿脉巷尺寸为4.5 m×3.5 m，穿脉巷尺寸为3.6 m×3.2 m，设计采用锚喷支护，支护参数见表1。

表1 矿山巷道原设计支护参数

(2)矿山采取的措施。沿脉巷规格缩小至4.0 m×3.33 m，穿脉巷道尺寸为3.3 m×3.1 m。锚杆间排距减小至500 mm×500 mm，但支护工程量依然很大，成本较高，效果并不理想。巷道存在变形大、顶板掉块的现象，见图2。

图2 巷道现状(顶板处掉块)

2 支护参数优化及模拟分析

2.1 支护参数优化

从图2可以看出，锚杆大致位于巷道顶板冒落块的中心位置，推测原因是锚杆长度不足，未能完全将破碎的岩体整体锚固在完整岩体上。此外，从落下的冒落块呈破碎状来看，施工的喷混凝土可能强度不够，如图3所示。

图3 碎状冒落混凝土块

2.1.1 锚杆长度计算

锚杆长度L按式(1)进行计算：

L=L1+L2+L3,

(1)

式中,L1为锚头长度，mm；L2为自由段长度，mm；L3为锚固段长度(深入坚固岩体长度)，mm。

(1)L1的计算。锚头由锚杆外露长、托盘厚度、螺母厚度3个部分构成。根据规定，锚杆外露长度不应超过10～50 mm。该矿山选用的锚杆托盘尺寸为120 mm×120 mm×10 mm；螺纹钢用螺母厚度为30 mm。经计算，L1长度不应超过90 mm，取90 mm。

(2)L2的计算。锚杆自由段长度L2的计算方法较多，由于矿山南区岩体较为破碎，局部区域曾发生过多次冒落，因此L2的值以实际统计数据为准。据统计，南区冒落岩体厚度为1.5～2.3 m，且多数冒落区可见坚固岩体；为了确保安全，L2取3 m。

(3)L3的计算。L3按锚固力(π×D×Tc×L3)等于杆体屈服/拉断承载力(π×D2×σ/4)进行计算，得出计算式如下。

L3=(D×σ)/(4×Tc) ,

(2)

式中，D为锚杆直径，22 mm；σ为锚杆屈服强度，取235 MPa[5]；Tc为锚杆与砂浆强度，取2.0 N/mm2[6]。

经计算，L3=646 mm。

所以L=3 746 mm，取4 000 mm，则L3=900 mm。

2.1.2 确定锚杆间距

原设计锚杆间排距为600 mm×600 mm，后缩减为500 mm×500 mm，优化设计拟对这2种方案进行模拟。

2.1.3 喷混凝土质量

原设计采用C20混凝土，喷混凝土厚度50 mm，满足规范要求，不作改变。最终确定支护参数如表1。

表1 巷道支护方案参数

2.2 模拟分析

(1)模拟模型建立。为便于分析并减少模型边界对计算结果的影响，模型边界距开挖边界选取3倍左右巷道大小。选择+170 m中段凿岩硐室建立模拟模型(图4)。

图4 +170 m中段凿岩硐室模型

(2)模拟结果分析。在模拟过程中，就+170 m中段凿岩巷道内表面布置21个监测点，各方案监测点沉降曲线如图5所示。从图5中可以看出，巷道不支护时，各监测点沉降值在3.0～4.0 cm，此时巷道可能已经发生破坏。当采用支护方案Ⅰ、Ⅱ进行模拟时，巷道内表面沉降值有大幅下降，而支护方案Ⅰ效果最好。

图5 不同模拟方案支护结果曲线

3 生产验证

根据以上模拟结果，确定在矿山南区+170 m中段凿岩硐室采用方案Ⅰ进行支护。经过生产验证，确定方案Ⅰ能够满足生产要求，如图6所示。

图6 +170 m中段凿岩硐室实际支护效果

4 结 论

(1)矿山南区围岩破碎，导致锚杆长度计算不足。经调整至4 m后，达到了较好的支护效果。

(2)矿山原设计锚杆间排距600 mm×600 mm，满足支护要求，因破碎围岩尺寸较小，需挂网支护。

(3)经模拟，采用2种支护方案，巷道顶板变形值均不超过，满足要求。

(4)矿山最终选择方案Ⅰ进行生产验证，取得了较好的效果。