沃溪坑口深井开采支护工艺优化与实践

2021-06-18徐家庆健3

现代矿业 2021年4期

程勃徐家庆覃健3

（1.湖南辰州矿业有限责任公司；2.中南大学资源与安全工程学院）

沃溪坑口是湖南辰州矿业有限责任公司的核心矿产资源基地，位于湖南省沅陵县官庄镇境内。近年来沃溪坑口2座千米深井先后投产，标志着该矿逐步进入深井开采阶段。深井采矿面临的主要问题是深部巨大的地压［1-3］。在深部地压的作用下，巷道变形更加严重，部分巷道在开挖后断面规格快速缩小，许多开挖时间较长的巷道需要进行二次支护，原有支护工艺无法满足深部开采的要求［4-5］。国内外诸多学者都针对深部支护做了相关研究，李利峰等［6］针对金川矿区深部巷道围岩高地压、破碎的特点，通过分析其变形特征引入锚杆+TECCO网的支护技术，解决金川矿区深部的支护难题；高明仕等［7］针对义马矿区深部高地压下围岩破碎情况，采用多种支护方式组合的“内支—外卸”支护技术，有效维护了巷道围岩稳定性，保证了深部采场正常生产；单仁亮等［8］采用数值模拟的方法对传统联合支护和锚杆（索）协同支护进行对比分析，证明了协同支护具备良好的支护效果；冷建民等［9］针对三山岛金矿深部巷道围岩破坏现象，改进传统支护工艺并通过数值模拟的手段优选最佳支护参数，保证了巷道的稳定性。针对深部矿区地压以及围岩破坏特点，专家们或对原有支护进行优化改进，或提出新的联合支护方式，或采用数值模拟的方法探讨最优支护参数。

鉴于此，在沃溪深部矿区探索应用新的支护工艺［10］，逐步淘汰落后的工艺，提高支护质量，缩短作业时间，确保支护效果，尽量避免多次返修带来的不利影响［11-12］，对促进沃溪坑口安全可持续发展具有重大意义。

1 支护现状及存在的问题

1.1 平巷支护现状

矿山平巷目前主要的支护方式有传统木支护、速凝水泥药卷配合普通螺纹钢锚杆支护及金属架支护。其中传统的木支护已逐步淘汰，金属架支护常用于局部岩石破碎、断层发育的地质条件，水泥药卷锚杆支护则主要应用于普通地质条件下的新掘进巷道。

1.2 存在问题

通过长期的施工现场调查，沃溪坑口支护工艺主要存在以下几个问题。

（1）作业人员对平巷支护的重要性认识不足，难以把握支护最佳时机，经常在巷道顶板和两帮问题突出的时候才施工水泥药卷锚杆，达不到支护效果时再增加金属架支护，巷道的支护工作比较被动和盲目。

（2）金属架支护一般采用木头接顶，导致金属架至巷道顶板堆积大量的木头，木材和钢材消耗量大，支护成本高。

（3）使用年限较长的巷道，因支护无法适应巷道的大变形，经常需要返修，影响矿山的正常生产。

（4）金属架支护和木支护使得巷道的可利用断面大幅度减小，断面利用率低，对井下大件运输和通风产生不利影响。

（5）水泥药卷的浸水操作比较困难，如果浸水时间过短，药卷内部仍然干燥，无法产生作用；如果浸水时间过长，则药卷过早凝结，使锚杆与钻孔报废。现场情况表明，确实有部分锚杆没有达到要求，杆体没有完全埋入岩体中。

（6）部分支护工艺老旧、不规范，特别是木支护，国内较多矿山都已经放弃这种支护方法。

2 新支护工艺设计与实践

2.1 新支护工艺的提出

矿山深部支护主要特点在于巷道开挖后，高地应力使支护体系快速产生扭曲变形，同时带来片帮、冒落以及岩爆等深部灾害；此外，在高应力环境下岩性也有所改变，在浅部表现为脆性的岩石在深部则可能转化为延性，适用于浅部的支护方式在深部无法满足服务年限的要求。因此，应根据矿区深部实际情况，针对围岩条件设计新的支护工艺。矿山井巷支护应满足以下设计原则：①满足相关法律规程要求；②符合井下实际生产情况；③工艺简单、便于实践推广；④技术先进，节约成本；⑤淘汰落后的支护工艺。

根据上述设计原则，结合深部支护思路，采用联合支护技术来面对不同的围岩条件。在支护中通过钢丝绳或者整体网，将锚杆连接形成支护整体，代替原有的单一锚杆支护，增强锚杆悬吊、组合梁等方面的作用效果。同时替换掉水泥药卷锚杆，避免此类型锚杆操作时间难以把控的问题，提升施工效率。综合以上条件，提出2种新支护工艺：钢丝绳锚杆支护和整体锚网支护，并分别对这2种支护工艺进行井下工业试验。

2.2 钢丝绳锚杆支护

钢丝绳锚杆支护属于主动支护，可充分利用围岩的自承能力，提高围岩稳定性。钢丝绳锚杆支护与木支护相比，延长了支护服务年限，减少了安全隐患；与金属架支护相比，节约了成本，提高了效率。所以，采用钢丝绳锚杆支护代替原有的木支护和金属架支护，在深部矿区展开应用。

工艺流程：水泥药卷锚杆在装填即将完成时，将直径8～10 mm的钢丝绳缠绕在锚杆杆体上（一般缠绕一圈），卡入锚杆托盘和岩体之间预留的空间，然后冲击锚杆杆体，使得托盘、钢丝绳和岩体紧密结合，完成一根钢丝绳锚杆的施工。

工程实践表明，钢丝绳锚杆主要适用于整体性较好、块度较大的围岩条件，通过钢丝绳能够有效地将可能冒落的围岩连接形成整体，增加支护强度，提高支护质量（图1）。在长期应用过程中，钢丝绳锚杆逐渐暴露一些问题，首先是适用范围受限制。沃溪坑口井下工程地质复杂多变，大部分区域围岩整体性较差，典型紫红色板岩围岩块度为50～300 mm，采用钢丝绳锚杆支护时有大面积支护盲区存在，脱锚现象时有发生（图2）。特别是当断层面与钢丝绳平行时，钢丝绳难以发挥其应有的效果。由此可见，钢丝绳锚杆支护适用范围有限，适用于在深部围岩整体性较好的区域使用。

2.3 整体锚网支护

根据沃溪坑口井下实际情况，提出用树脂锚杆取代水泥锚杆，并配置锚网使其成为整体锚网支护，如图3所示。该工艺强化了围岩完整性，克服了钢丝绳锚杆只适用于围岩完整区域的限制，效果优良。该工艺推广应用后，井下尚未发生一起冒顶片帮事故。

工艺流程：根据井下工程实际需要，加工或采购整体网、螺纹锚杆和管缝式锚杆、树脂药卷、锚杆推进器、螺旋支柱；用螺旋支柱将整体网贴紧岩面初次固定，按照从顶板中间至两帮的顺序依次施工树脂螺纹锚杆，再次固定整体网；最后检查整体锚网质量，在局部施工少量管缝式锚杆来进一步固定整体网，使其与岩面贴紧。

经过多次现场试验和不断改进，确定了适合于沃溪坑口的整体锚网支护参数，见表1。在整体锚网试验过程中获得一些宝贵经验。

（1）因整体网紧跟作业面设置，直径4 mm以下的铁丝网在下一作业循环爆破后会严重损坏，所以选取直径5 mm以上的铁丝，经过强焊制作，能够有效抵抗爆破损坏。

（2）整体网规格可根据实际需求加工，一般宽度为1.0～1.2 m，与锚杆的排距保持一致，便于整体网之间顺利搭接。

（3）通过锚杆抗拔力测试，减小锚杆钻孔直径，并配置对应规格的树脂药卷，提高支护效率的同时，又能够达到预期的锚杆抗拔力。沃溪坑口整体锚网支护现场试验过程中，将原锚杆钻孔直径38 mm减小至28 mm，单孔（孔深1.65 m）钻孔时间从4～5 min缩短至2～2.5 min，钻孔效率提高近一倍。锚杆推进器代替人工装填水泥药卷，施工一根锚杆的时间由原来8～10 min减少至3～5 min，大幅度提高劳动效率，降低劳动强度。

（4）针对地质条件复杂的区域，采用整体锚网和长锚索联合支护，能达到良好的效果。在沃溪坑口深部竖井井底车场破碎带进行整体锚网和长锚索联合支护，有效控制该区域地压显现，确保井底车场安全。

（5）针对永久工程，采用整体锚网支护后，可增加喷射混凝土层（图4），或将整体锚网预先进行镀锌防腐处理（图5），可大幅延长整体锚网支护寿命。

整体锚网支护工艺效率高，劳动强度小，支护效果好，2 a来井下已基本杜绝冒顶片帮事故，且单根锚杆配2根树脂药卷成本远小于配置6～8根水泥药卷，同时整体锚网可有效规范锚杆数量，避免锚杆布置过密，对比原有支护每年可节约大量锚杆及药卷成本。