金属矿巷道掘进支护技术工艺

肖利金，冀 虎

（山东华新建筑工程集团有限责任公司，山东 泰安 271219）

在金属能源需求不断扩大的前提下，对金属矿山的开采力度也在持续加大，运用各种机械设备、开采技术大大提升了金属矿开发的效益。在金属矿资源开采中巷道掘进十分关键，其决定着是否能顺利获取金属能源，但巷道掘进也是极具危险性的环节，因承载地表压力与面临地下不确定因素影响而容易出现塌落现象，不仅带来开采安全隐患，威胁施工人员和财产安全，还会影响金属矿资源的开采质量与效益，因此就必须重视巷道掘进支护技术的运用，根据巷道掘进情况合理选择支护技术，为金属矿开采工作的有序进行提供保障，维护人员安全，保障经济效益。

1 金属矿巷道掘进支护技术的应用要点

在金属矿巷道掘进支护技术的探讨中，需考虑两个技术方面，一是巷道掘进技术，二是巷道支护技术，只有同时保证这两项技术合理运用的前提下才能确保金属矿巷道掘进施工的安全性，因而需分别把握两项技术的应用要点。

对于巷道掘进技术，常见的技术方式有两种，即综合机械化掘进与掘锚一体化掘进，综合机械化掘进的系统包括工程电缆、通风设备、钻机、掘进机和运输机等，组成较复杂，操作也有一定难度，要求较高，在实际应用中受到系统性能因素影响会干扰施工效率，继而影响金属矿开采的工程进度。掘锚一体化掘进将掘进技术与支护技术相结合，如锚杆支护技术，在相互协同下促使金属矿巷道掘进施工效率提升，也让金属矿开采进度的时间在一定程度上缩小。在巷道掘进技术的运用中，关键要点需重视爆破环节和装矿环节，为此设备的选择非常重要，扒装机能在爆破后将金属矿资源安全高效地运送出巷道，而其选型则根据巷道的实际情况决定。此外，金属矿巷道掘进的施工是较为复杂的，所涉及的方面较多，相关管理人员和技术人员要把握关键理论，如力学理论、地理理论等，合理规划巷道掘进施工，科学运用掘进技术。

对于巷道支护技术，一般有临时支护技术和永久支护技术两类，临时支护技术顾名思义是临时性的，在完成施工后会进行拆除，仅为满足巷道掘进的施工需要，在对此技术的应用中需要把握要点，其一要对所使用的原料特性进行全面了解，不同材料的性能差异明显，所发挥的作用作用不同，巷道支护需根据巷道掘进的实际情况评估选择合适的支护材料，把握其所有特性、特征，确保支护技术能发挥最大作用保护巷道掘进安全性。其二要对巷道掘进施工的整体情况进行检查，施工人员对支护技术的运用过程进行重点监督，工序是否有序、流程是否合规、技术是否规范等都是需严谨关注的，其中支护材料质量检查更为重要，不符合质量标准的材料不能进场和使用，施工人员在进入施工现场之前也要穿戴安全装备，完成支护施工后还要进行全面、细节的检查，确保巷道支护技术的应用质量。永久支护技术则是施工后可持久地提供支护作用，不用拆卸，如钢筋混凝土支护、锚杆支护等是比较常见的永久支护技术类型，其中在钢筋混凝土支护技术应用中要关注钢筋的选型、尺寸、弯度、结构涉及以及混凝土的配置、配比等要点，锚杆支护技术应用中要关注锚梁的设置，需评支护网薄弱处并适当增加锚梁，同时对螺母质量、螺杆与螺母匹配度、锚杆托板厚度等进行严格检查，在综合质量控制的基础上保证巷道掘进支护技术的有效应用，以及保障巷道掘进支护施工安全性，在金属矿巷道掘进中发挥其可靠的支护作用[1]。

此外，在金属矿巷道掘进支护技术应用中还要把握还几个注意事项，一是要坚持安全原则，以人员安全、财产安全为根本，综合考虑巷道掘进中可能产生的各种情况，把握巷道掘进支护实际需求，基于可行性、适用性，以及在了解支护技术特点、操作等方面基础上制定巷道掘进支护技术方案，其中还需考量到潜在的安全风险隐患，对重点区域进行安全风险识别，做好相关风险防控预案。二要深入分析巷道的围岩情况、区域内地下水文情况，借助信息技术支持加强动态监测，调整支护技术应用方案，同时要求相关管理人员和施工人员严格按照规定开展统一标准且规范的施工，从而确保巷道掘进支护技术的运用质量和效果[2]。

2 金属矿巷道掘进支护技术工艺分析

2.1 锚杆支护技术

锚杆支护技术是巷道支护施工中最为常见的技术工艺，其主要是通过对整体结构的加固、悬吊减跨与挤压等方法达到稳定结构的目的，减少巷道掘进过程中对周围结构的影响。此支护技术具有灵活性强、支护能力强、机械化程度高等优势，但在具体应用中也会受到地应力与巷道围岩强度等因素的影响干扰支护效果。对于巷道掘进中锚杆支护技术应用的设计可利用信息技术为辅助，通过动态收集巷道掘进信息、地质数据信息等依照参数分析技术应用条件的优劣，根据参数分析调整锚杆支护技术实施方案，确定合理的参数，再据此进行技术施工，在实践中检验锚杆支护技术实施效果，进一步优化支护技术的运用方案，确保发挥锚杆支护技术的有效支护作用。

对于锚杆支护技术的实际施工，要适当增加锚杆托板的厚度，考虑到成本因素、施工要求因素等，增加托板厚度以提升矿压能力，让支撑保护作用充分发挥，为巷道掘进施工安全提供保障；要合理把控锚固剂的使用时间，锚固剂作用是加固支护效果，但使用时间较长会对锚杆质量造成损伤，因而在对锚固剂使用前应开展实验测试分析使用时间因素对支护的影响性，根据巷道掘进施工实际情况选择合适的锚固剂，依照使用要求控制使用时间，发挥其对支护效果的提升作用；要选择合适的锚杆丝，锚杆丝主要使用在锚杆拉脱环节，在选择时需考虑到支护强度，由技术人员综合分析后尽量选择强度大的锚杆丝，如滚丝机滚丝，其能增强支护效果，规避安全事故；要分别做好巷道内和巷道旁的支护管理，对于巷内在进行支护技术施工前调查巷内的具体情况，锚杆强度高时增加巷内支护，存在裂缝现象时加强锚杆强度，切实增强支护效果，为巷道掘进提供安全保障；对于巷旁支护的管理，从地质变化方面考虑可能造成的变形后果，选择合适材料保证锚杆支护强度，并加强地质活动预测工作，发现异常能快速采取措施应对，防止支护变形，提高锚杆支护的安全性与有效性；要完善动态监测，对锚杆支护施工过程进行全过程监督，依托监控设备、电子设备等获取巷道掘进的信息和支护情况，具体分析问题，实现巷道掘进与支护工作的整体控制，强化巷道掘进施工管理，保证锚杆支护技术的有效应用[3]。

2.2 U型支架支护技术

U型支架支护技术通常被应用在岩石较为松软的巷道中和支护难度比较大的巷道中，另外当喷锚网支护效果不够强时也可以与此支护技术相结合。U型支架支护技术的支护强度受到支架尺寸、支架材料强度和支架结构等因素的影响，支护载荷效果直接影响支护技术的支撑效益，不同载荷下支架支护技术的承载能力与支护阻力不同，如以型号为28kg/m、排间距为0.8m的U型钢为例，当载荷均匀分布时其承载能力为689kN、支护阻力为83.5kN·m-2、支撑效益为2.4kN·kg-1；当载荷分布顶压大于侧压且比值为3：1时，其承载能力为317kN、支护阻力为38.5kN·m-2、支撑效益为1.03kN·kg-1；当载荷分布侧压大于顶压且比值为3：1时，其承载能力为251kN、支护阻力为29.95kN·m-2、支撑效益为0.78kN·kg-1；当载荷分布在一侧且两侧之比为3：1时，其承载能力为108kN、支护阻力为13.41kN·m-2、支撑效益为0.33kN·kg-1，由此可见不同的载荷分布情况之间承载能力有着明显的不同，支护技术的实际应用要合理明确承载需要，调整荷载分布。U型可缩性钢支架支护技术是U型支架支护技术的一种类型，其在巷道支护中起到有效作用，具有较高的支护强度、较大的支撑力与可重复使用等优势，在具体应用过程中重点关注钢材的质量和壁后充填施工，对于钢材的选择需确保面对不同受力情况都能保持稳定性，以及面对高压发生变形不超过可允许范围等；对于壁后充填需确保充填强度，能加固支架对围岩的支撑，优化支架的受力，提高支护技术对巷道的支护效果[4]。

2.3 混凝土支护技术

混凝土支护技术是一种成本较低的支护工艺，混凝土构件是混凝土支护技术的关键，一种是预制件结构形式，主要用于存在较大面积淋水、涌水的巷道位置，也可以用于围岩破碎位置，有着施工安装便捷、防水防火性强、整体性好的优点，但其成本相对较高。另一种是现场浇筑混凝土支柱结构形式，直接在现场进行浇筑，对地表压力可提供有力支撑，不用再依靠矿石点柱为支撑，支撑强度更大、更稳固。对于混凝土支护技术的应用，常见为喷射混凝土，需从两个方面考虑，一方面需考虑混凝土的抗压强度，喷射混凝土之前浆体的配置十分关键，影响着抗压强度的强弱，为提高其抗压强度，可在喷浆体中加入速凝剂，能在2～3小时内快速封闭，并在18～24小时内增强强度到80%，有效支护的抗压强度指标一般为25MPa。另一方面需考虑喷层变形受破坏的机理，在受力作用下喷层通常会经过黏结抵抗、挠曲和薄壳效应三个阶段的变形，不同变形阶段需考量不同影响因素，采取合理方法控制变形破坏，保证喷射混凝土支护可靠性，如黏结抵抗阶段，受力变形的产生多与巷道围岩表面的清洁度以及喷浆的厚度相关，为确保喷浆体强度，需在喷浆前对围岩表面进行冲刷，喷浆时将厚度控制在5cm左右，达到较稳定的喷浆强度效果。喷浆厚度的确定要视情况而定，但最大不能超过25cm，当厚度大于10cm后每次继续增加50%的厚度就能再增强15%的喷浆强度，加固围岩[5]。

2.4 土钉墙支护技术

土钉墙支护技术主要是利用土钉来加强巷道稳定性的工艺，该技术的具体操作是：根据巷道围岩的实际情况评估分析结构，确定合理的孔深、孔间距，使用钻孔设备在巷道墙壁上按照规格钻孔，确保所钻孔的深度和分布符合计划要求，根本上保证支护施工质量。之后，对所孔进行编号，逐一将土钉打入孔中，同时进行拉拔实验，依照实验数据分析结果确定合适的注浆力度、速度和注浆量，以及结合实际情况判断是否需要增加添加剂，考虑各种添加剂对土钉墙支护效果的影响，再进行注浆，加固土钉的稳定性，以土钉墙技术方式为巷道稳定性和安全性提供保障。

2.5 巷道分级支护技术

金属矿巷道掘进支护中巷道分级支护技术是应用较常见的，其指的是对巷道中的岩体进行分级，对应不同级别分别采用不同支护技术，旨在达到最优的支护效果。在巷道分级支护的设计中，需要考虑几个关键方面，一是矿岩质量，其对巷道周边稳定性产生影响；二是巷道的暴露面积，其对巷道自身的稳定性产生影响，如当巷道交叉处存在较大暴露面积时会对整个巷道稳定性造成影响；三是巷道的服务年限，其对支护材料选择、支护参数确定产生影响，一般服务年限越长支护的强度越高；四是巷道失稳影响性，不同用途的巷道稳定性变差后会对开采工程产生不同程度的影响，鉴于以上，则需进行级别划分，针对性采取支护方法有效解决巷道掘进中的支护不足、不全面问题，形成更稳固的支护体系。在把握以上四个关键因素基础上，可通过公式计算确定具体的支护等级指标值，继而再进行具体等级划分，其公式为：（[Q]为矿岩工程质量指标；为使用年限因数，时间与呈反比；为暴露面积，面积与成反比；为巷道影响程度，影响能力与呈反比），根据RQ值划分支护级别，当RQ值>40为级，当RQ值在10～40之间为Ⅱ级，当RQ值在4～10之间为Ⅲ级，当RQ值在1～4之间为Ⅳ级，当RQ值<1为Ⅴ级。

以某金属矿开采工程巷道掘进为例，在巷道掘进过程中遇到裂隙密集带和溶蚀裂隙带，岩石较为疏松，容易破碎，对其采取巷道分级支护技术，此巷道的失稳模式有三种，分别是强氧化带“一线天”高冒顶、全断面垮塌变形、结构面控制楔形体冒顶，据此将岩体进行分级，并分别采取针对性的支护技术。对于内聚力为2.8MPa、内摩擦角为39.1°、泊松比为0.26、弹性模量为11.9MPa、抗拉强度为0.65MPa的Ⅱ级岩体，采用喷射混凝土支护技术，使用C20规格、50mm厚度的混凝土；对于内聚力为1.5MPa、内摩擦角为30.1°、泊松比为0.30、弹性模量为3.2MPa、抗拉强度为0.10MPa的Ⅲ级岩体，采用喷射混凝土方式支护顶板结合端锚式锚杆支护，其中混凝土规格为C20、厚度为50mm，锚杆长度为2.1m，锚杆间排距为1.0m，以及使用Φ22mm规格的端锚式锚杆；对于内聚力为0.7MPa、内摩擦角为17.0°、泊松比为0.39、弹性模量为0.7MPa、抗拉强度为0.01MPa的Ⅳ级岩体，采用管缝式锚杆帮部支护、锚杆顶板支护、喷射混凝土支护结合钢筋网支护，其中使用Φ42mm规格的管缝式锚杆，Φ22mm规格的锚杆，C20规格且厚度为100mm的混凝土，Φ6mm规格且100mm×100mm规格的钢筋网[6]。

3 结语

综上所述，金属矿是当前社会与经济发展中一种重要的资源，开采更多金属矿资源尤为重要，在金属矿资源开采中巷道掘进是关键工程环节，确保巷道掘进施工安全性直接影响资源开采效率和效益。

为保证巷道掘进施工顺利推进，需重视支护技术的应用，合理把握巷道掘进技术要点与支护技术要点，按照巷道掘进实际情况选择合适的支护技术，如锚杆支护技术、U型支架支护技术、混凝土支护技术、土钉墙支护技术和巷道分级支护技术等，不同技术有不同优势，科学选择并应用，有效控制巷道掘进施工安全问题，提高巷道掘进开采的安全性，促进金属矿开采工程整体效率提升。