磷矿采空区顶板联合支护方案的优化研究

2022-07-13胡高见陈松巍

现代矿业 2022年6期

胡高见陈松巍

（湖北大峪口化工有限责任公司）

随着经济社会的发展，对磷矿资源的需求日趋增大，由于多数磷矿的赋存地质条件较为复杂，因此在开采过程中需要进行大量的支护，确保在综采作业过程中的稳定性［1］。目前多数磷矿的井下支护均采用了锚杆支护方案，但在顶板结构破碎性大、节理发育等复杂地形条件下，矿压波动大，再加上综采扰动的影响，极易导致巷道顶板的失稳，给井下磷矿的综采作业造成了严重的影响，因此迫切需要对复杂地形条件下的顶板支护方案进行研究，提高支护稳定性和可靠性。

王集磷矿赋存条件较为复杂，在采用锚杆支护的过程中，顶板的最大变形量达到了275 mm，需要不断进行加固，严重影响了井下综采作业的效率和安全性。项目组在对井下实际地质情况进行分析的基础上，提出了一种新的采空区顶板联合支护方案，根据顶板的稳定性对顶板进行分类，然后采用不同的支护方案对其顶板进行加强。

1 磷矿顶板支护现状分析

以我国目前储量大、矿层厚度大、矿层赋存条件复杂的磷矿为例，其探明储量超过1.8亿t，磷矿矿层的最大厚度超过20 m，矿层的平均倾斜角约为15.4°，目前主要采用了切顶房柱法进行综采，采用锚杆支护的方案对巷道顶板进行支护。矿层厚度大，回采后的采场空顶极高，而且采区的体积巨大，采用强制放顶的方案危险性高、稳固性差［2］。目前该磷矿所面临的问题主要包括顶板冒落、矿柱片帮剥落、地质灾害威胁等。

（1）顶板冒落。由于在磷矿综采区域的地质条件较为复杂，存在着顶板结构破碎、节理裂隙发育等问题，在矿压波动和综采扰动的情况下极易发生顶板冒落。通过对顶板冒落情况的分析，在冒落区的锚杆均发生了显著的变形，变形比例达到了44.3%，通过对来压情况的监测，来压时的冲击远大于目前锚杆支护时的支护力，因此综合分析后，顶板冒落主要是由于锚杆支护强度低，不足以抵抗顶板来压时的冲击导致的。井下采空区顶板冒落情况如图1（a）所示。

（2）矿柱片帮剥落。通过对发生片帮的矿柱的分析，矿柱的破坏是以剪切破坏为主，在剪切力作用下矿柱表面发生裂纹，最终在应力集中或者波动的情况下裂纹逐渐扩大，引起片帮和剥落，使矿柱有效断面面积逐渐减小。随着时间的增加，矿柱有效面积不断降低，在应力的作业下矿柱片帮的情况迅速恶化，最终导致矿柱失稳，失去支撑作用，井下发生严重片帮剥落的矿柱如图1（b）所示。

（3）地质灾害威胁。主要是由于采空区的面积大，一旦发生塌陷将导致地面上的岩体和地表下沉，造成局部的地质危害，影响安全。

2 顶板联合支护方案研究

2.1 井下巷道顶板分类

井下巷道内不同区域的顶板稳定性不同，因此若全面采用锚网索联合支护方案，会导致井下巷道支护效率低下、支护成本高昂，难以满足综采效率和经济性的需求。因此需要对井下巷道顶板进行分级并根据实际情况有选择性的进行支护，在确保支护安全的前提下，提高支护的效率和经济性。技术攻关小组通过钻井勘探、电法勘探等手段，对井下巷道内的岩石状况进行了研究，编制了岩层稳定性勘探报告，再结合《岩石锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）［3］，最终将井下巷道顶板主要分为3级，根据不同的地质情况，针对性的在井下进行了模拟验证，确保对井下不同顶板区域支护的可靠性。

一级顶板的结构完整性最好，不存在节理发育，仅允许存在少量的断层和锥体，稳定性最好。因此整体稳定性较高，在支护时可以选择较宽的间距，在保证支护可靠性的情况下提升支护效率。

二级顶板的岩层相对比较坚固，存在一定的层、节理发育，在围岩的区域还会存在一定的渗水，稳定性一般。该类型顶板处虽然存在一定的节理发育，但整体的结构稳定性能较高，因此在支护结构选择时可以参考一级顶板的支护，但由于稳定性不及一级顶板，因此在支护时需要增加支护密度（实际验证支护密度应为一级顶板支护的2～3倍），而且为了提高井下支护的通用性，支护方式应和一级顶板一致。

三级顶板的岩层较为疏松，层、节理发育较为严重，存在大范围的断层或者构造错动，而且在顶板上还会存在大量的角锥体和碎石块，有较严重的渗水和陷落情况。该类型顶板稳定性最差，且有大量的碎石块，因此需要采取措施，对碎石区域进行补强加固，同时在进行锚索支护的基础上需要增加金属网，防止出现碎石垮落情况。

2.2 锚网索支护机理分析

针对现有锚杆支护无法确保巷道顶板稳定性的情况，在对多种矿井支护方案分析后，确定采用锚网索联合支护的方案。

锚网支护是利用锚杆将金属防护网固定到岩体的表面，形成一个包括岩石、金属防护网、锚杆共同组成的整体，当围岩变形后对锚杆和金属网形成一个作用力，在金属网和锚杆反作用力的作用下降低围岩的变形。单根锚杆在支护时，通过锁紧力会在疏松的地层中产生一个锥形的挤压区域，从而使锚杆周围岩层的密实度和强度增加。多组锚杆功能组作用的情况下，会在支护区域形成一个均匀的压缩条带，在该压缩条带的组合下，在围岩破碎地带形成一个完整的组合拱，从而提高了对围岩破碎区域的支护效果，锚杆组合拱支护机理如图2（a）所示［2］。

在锚网支护的基础上，针对破碎区域更严重的地方，需要进行锚索补强，在岩层内设置锚索并对锚索施加一定的预应力，锚索和岩层的角度呈45°角，使椎体范围内的岩层相互挤压，形成一个整体且均匀的挤压区域，增强对破碎岩石的加固效果。当在一个区域内设置多个锚索后，各个锚索的有效作用区内就形成了一个稳定的加固条带，进而改变了整个岩层内的应力环境，和锚杆、金属护网一起形成了一个稳定的支护体。磷矿井下锚网索联合支护作业机理如图2（b）所示。

3 井下顶板支护方案

根据井下顶板的实际情况，结合对综采作业过程中巷道内矿压波动和综采扰动的分析，对3种不同的顶板设置了不同的支护方案。

一级顶板的稳定性较高，因此可以先采用锚杆组合挂网进行临时支护，然后在利用锚索进行永久支护，在布置时，锚索需采用梅花形布置结构，可以提高锚固区域的锚固强度，在支护时可选用规格为φ43 mm×1.8 m的高强度锚杆，锚杆之间的距离设置为100 mm，所使用的钢筋挂网则可选用孔径为50 mm×50 mm的双层金属网。锚索设置时锚索深度需要按照顶板的实际厚度确定，一般要比顶板厚度大1 m，锚索的间距设置为4 m，排距设置为2 m，在施工时候需要根据顶板的硬度情况灵活调整锚索的间距，保证锚固区域内的岩层的强度，在进行锚索孔钻进时可采用YT-29型凿岩机［4］。一级顶板下锚杆、锚索支护结构如图3所示。

二级顶板的整体稳定性相对较好，为了降低井下支护材料的数量和种类，因此二级顶板的支护方案和一级顶板相同，但由于其稳定性不及一级顶板，因此将锚索的间距由4 m降低到2 m，锚索排距保持不变。

三级顶板的整体稳定性极弱，因此在支护时需要采用锚网索联合补强支护，同时要根据井下的实际情况调整矿柱大小、位置，特别是在节理面和破碎面要采用喷射混凝土［5］对破碎的顶板进行加固，然后在利用长锚索和锚杆进行补强加固，在三级顶板处的联合支护结构如图4所示。

4 井下矿柱加固

根据煤矿井下矿层的构造情况，不同区域矿柱上的节理发育程度不同，因此为了提高矿柱的稳定性和防片帮剥落性，需要根据矿柱的稳定性进行针对性的加固。稳定型的矿柱一般不需要进行专项加固，而不稳定性的矿柱［6］需要根据矿层的松散程度及节理裂隙的发育程度，选择锚网和锚杆联合支护，一般锚杆选用规格为φ40 mm×1 600 mm，对应的加固软钢筋的尺寸则选择100 mm×100 mm，不稳定矿柱的加固结构如图5所示。

5 应用效果分析

为了对采用新采空区顶板联合支护方案的实际效果进行对比，在井下巷道顶板及围岩处设置位移监测仪，对在综采过程中的顶板变形量进行研究，为了提高监测的准确性，在井下设置了3组监测仪，实际监测结果如图6所示。

由图6可知，采用新的采空区顶板联合支护方案后，井下顶板的变形量得到了显著的控制，实际测量的最大变形量仅为33 mm，与传统锚杆支护时275 mm变形量相比，顶板变形量降低了88%，显著的提升了磷矿井下巷道的稳定性。而且由于采用了分级分类的灵活支护方案，井下的实际支护效率并未降低，对提升磷矿井下综采经济性和灵活性具有十分重要的意义。