矿山采掘中高强支护技术研究

2023-01-09贾延坤李振标周家亮

中国金属通报 2022年18期

贾延坤，李振标，周家亮

当前我国的矿山主要是采用深部开采的方式，其开采难度较高，矿山开采成本大幅提升，采掘难度较高，极易产生因围岩失稳、支护不足造成的安全事故，产生严重的危害性。高强支护技术被大量地应用到矿山开采掘进施工中。高强支护在矿山采矿施工中，具有一定的系统性、复杂性，所以技术人员对于高强支护技术的重视度较高，伴随高强支护的推广应用，未来还要进一步探讨和分析矿山开采高强支护的各项技术要求，以满足不断变化的实际需要。

1 矿山开采掘进时高强支护技术的优势

从目前高强支护技术原理展开分析，矿山巷道支护中，适应性比较好，可以完全达到矿山掘进施工的技术要求。高强支护技术在正式运行中，技术人员分析了解其巷道运行环境，特别是勘察了解掘进坍塌的问题，在规定的部位上设置必要的预警装置，随时关注整个巷道的稳定性，作为控制的要点。此外，在高强支护技术环节，技术人员应结合现场的具体情况，了解巷道所处位置环境要素，灵活确定锚杆长度参数，促进结构承载性能的提升，如果存在超过承载重量的情况后，技术人员应该分析了解支护自动预应力的作用，保证其抗变形能力完全符合要求。根据目前实际情况分析发现，在使用高强支护技术时，利用抵消垂直作用力的方式以提高侧壁承载性能，使巷道安全性满足要求，大幅提升使用的效果。高强支护技术优点包含下述几点：①高强支护技术是先进施工技术发展之下的产物，以物理、数学的相关知识作为出发点，使用优势明显，特别是在矿山深部采掘过程中，能够发挥出技术优势，完全满足运行的要求，尤其是在复杂、矿层松软的地质条件下，使用效果更好。②从实际应用效果分析，高强支护技术的使用让围岩应力充分发挥出来，防止存在严重的变形或者位移的问题，支护成本也比较低，自然环境影响比较小，巷道变形得到充分的控制，且采掘施工中结构材料比较简单，劳动强度较低，能够提升矿山采掘的效率和安全保障效果。③高强支护技术在最初应用到矿山巷道顶面后，支护效果达到要求，承载性能合格，垂直应力不会出现集中的情况，促进围岩结构变形控制能力提升，满足支护运行要求。

2 矿山开采掘进工作中高强支护技术类型

2.1 锚喷网联合支护

锚喷支护结构的主要施工部件是锚杆、喷射混凝土、金属网，经过组合后形成稳定的支护结构。和锚喷结构对比分析，其主要优势是设置有金属网结构，增加锚喷混凝土的整体性，具备较高的抗弯、抗拉性能。锚喷网支护方式的应用，消除周边围岩稳定性不足的情况，尤其是针对风化、稳定性不足的围岩结构，总体运行效果更好；喷射混凝土之后，和围岩结构形成整体的结构，喷层承受的弯曲剪切性能较高，提高围岩结构性能，达到矿山采掘安全性标准。

2.2 喷射混凝土支护技术

喷射混凝土支护技术是目前矿山采掘环节较为常见的高强支护技术类型，保证结构支护强度性能合格。在具体的使用中，选择最佳的混凝土材料，保证巷道支护强度合格，保证支护性能合格。就当前应用效果来说，喷射混凝土支护技术应用中，使用的材料主要是拌和水泥、速凝剂以及混凝土，然后通过相应的设备直接喷射到支护的部位上。该方式施工技术类型较多，比如应用水泥裹砂喷射混凝土技术来说，其重要的工作原理是应用水泥包裹砂砾，然后通过泵送的方法将其传输到规定部位上，形成符合实际需要的支护体的结构。根据喷射混凝土支护施工要点，在具体的施工中，要做好如下几项工作：一是在施工前进行勘查，对于巷道内容易发生坍塌的情况有充分的了解，选择合适的应对措施。坍塌部位上加强防护处理，通过使用干式喷射混凝土施工方式，该方式的稳定性较高，达到施工的要求。二是要保证围岩薄弱区域结构稳定性合格，可以选择应用水泥裹砂喷射的方法，从而达到支护的效果。三是保证支护区域内加固处理，通过应用空气压缩与泵送的方法，考虑到采掘工作的要求，实现技术优化和改进。

2.3 光爆锚喷支护技术

光爆锚喷支护技术和其他高强支护技术对比分析，优势明显，特殊性也比较明显，尤其是在应用条件相对较高的情况下，应该做好技术参数的分析和控制，比如炸药量、耦合结构、炸药结构、炮眼间距等。比如在装药连线环节，工作人员应该结合具体的爆破图来进行合理装填作业，不能随意地增加炮眼内药量。在具体的炮眼装药连线中，使用后的雷管掘进面作业中，保证周边眼的中部炮眼爆破之后需要使用单独装载的方式。使用毫秒雷管时应该保证周边眼使用相同段雷管控制。为了使得掘进作业安全、稳定性合格，在进行光爆锚喷支护环节，做好下述几点工作：①在开始施工前，工作人员先要明确具体的矿井周边的情况，落实岩石位置的控制，先确定更具体的高强支护技术应用方案，还要做好巷道位置的控制，促进结构稳定性提升。②加强关键部位的加固处理，选择合适的锚杆结构，且应用相应支护体系以达到结构支撑效果的提升，消除危险性因素的影响。为了使得锚杆结构性能良好，应选择最佳的组合结构形式，可以应用光爆锚杆技术。长期应用中，光爆锚杆技术应用可以保证锚固结构的性能合格，保证稳定性达标，可以全面的提高巷道支护效果，符合运行的标准。此外，光爆锚喷支护技术是防御性支护的方式，应对岩层坍塌和滑移的问题，预防发生围岩风化严重的问题，保证结构的总体性能合格。

2.4 联合支护技术

联合支护技术为近年来技术发展之下所形成的高强支护技术类型，在施工中应用可伸缩性的U 型钢组合形成整体的结构。该技术应用下，可以有效地弥补喷射混凝土支护技术的缺陷，其技术成本较低，支护强度性能高。从实际情况分析，其主要包含如下两种：其一，锚背支护技术和U 型钢可伸缩技术联合应用，较之传统技术应用来说，巷道支护的性能提升较为明显。其二，锚梁网联合支护技术，该技术的安全性较高。在锚梁网联合技术应用之下，发挥出光面爆破技术的优势，可以保证其运行中初喷和打锚孔的方式，在锚杆、钢丝网与钢梁等材料支护结束后，即可利用混凝土喷射的方式进行锚梁网的加固处理，从而提高加固的效果。在使用联合支护技术的过程中，必须加强灌浆施工的管理，巷道打眼必须符合技术标准要求，将注浆锚孔直接固定到孔内，确保锚杆数量符合要求。此外，在现场进行水泥材料的搅拌处理，达到均匀性的要求，且要在搅拌的同时进行注浆施工，一般来说，搅拌地点和注浆施工的地点距离不会超过5m。联合支护技术施工中，全面落实质量监测工作，实现系统化监控和管理，保证各项参数有效控制，从而提高采掘巷道运行安全性。

2.5 锚杆和锚注支护

锚杆支护技术施工中，其总体成本较低，是目前矿山开采的核心技术之一，但是在施工中，需要全面调查和了解现场的环境，分析支护技术的要求。比如，矿山采掘环节，如果支护施工的难度较高，应该进一步再提高锚杆支护强度性，避免出现岩石结构变形的问题，保证岩石达到稳定的状态。同时，还要分析了解软岩变形的情况，保证支护强度合格。只有全面落实锚杆支护的强度性能标准，预防出现岩石断裂的问题，就能够消除软岩拉伸变形的情况。锚杆支护结构施工中，考虑到具体的支护安全顺序，一般可以分为主动支护与被动支护的方式，通过给锚杆施加应力，提高围岩承载性能，促进支护质量的全面提升。

3 项目资料

某矿山项目所处地区的平均海拔是2800m，该地区高寒缺氧，环境比较恶劣，并且空气稀薄，植被的数量比较少，自然环境非常恶劣。因为风化问题，矿物运输巷道上存在着严重的脱落、掉石的问题。技术人员展开现场的调查和分析，考虑到地质条件要素，选择使用锚喷网联合支护方式对破碎区域内进行加固处理，经过一定时间的观察，其总体处理效果良好，完全满足巷道运行安全性要求。

3.1 地质概况

通过技术人员对现场地质勘查可以发现，该矿区的地质条件为千枚岩，其中钙质千枚岩是主要组成部分，岩石则是石英、绿泥石、绢云母等为主，还分布着比较少的碳酸盐矿物。现场的岩石材料的抗风化性能较差，软岩占比较大，容易发生破碎的问题。现场运输巷道的宽度尺寸为5m，并且现场存在长期掉石的情况。

3.2 巷道设计参数

锚杆应用的是粘结型端头锚杆的方式，其长度为4m，直径为14mm 的HRB400 螺纹钢筋制作，锚杆孔径50mm，锚固剂是RH-2000 型树脂锚固剂，抗拉强度超过60Mpa，该类型的锚固剂的凝结速度较快，效率高，且具备较高的安全性，同时不会受到人工干扰因素的影响，且安装环节只需要通过设备搅拌处理，锚杆的安装稳定性、安全性符合要求。且水泥固化剂的亲水时间无法有效控制，质量难以满足要求，并且价格高，所以综合分析后选用树脂固化剂的形式。金属网应用直径为4mm 的镀锌铁丝制作菱形网。混凝土的制作中，选择应用硅酸盐水泥材料，强度达到42.5，使用中砂材料，粒径在12mm，顶拱厚度为10cm ～15cm，两边墙的厚度为20cm ～25cm。

3.3 锚喷网联合支护的技术要点与操作管理

矿山巷道锚喷网联合支护施工难度较高，对于施工人员技术要求高，特别是海拔高度较高的区域，很多因素都会产生影响，且昼夜温差较大，所以必须加强施工管理，考虑到矿山生产的具体情况，加强现场管理和控制。

第一，巷道建设投入运营时间较长，且第一次开挖后没有初次支护，基岩完全裸露在外，没有及时封闭处理，围岩初始应力破坏严重，巷道开挖后有较多的坑洼面，铺网施工难度高，所以先进行作业面清理处理，并且应用高压水枪冲洗处理，对于凹凸不平位置进行处理，然后才能开始锚杆设置，喷射混凝土。

第二，锚杆是施工单位自制的，选择使用的螺纹钢筋材料性能合格，其主要是锚杆杆体、锚固头、托板等结构，此项目巷道软岩较多，容易发生破碎的问题，应用粘结型端头锚杆的方式效果良好，质量性能较高，且锚杆剂粘度低，快速穿过锚杆，等待10s ～15s 即可满足要求。经过实际经验分析，粘结型端头锚杆应用效果良好，支护强度较高。因为锚杆在长期使用中，容易受到围岩挤压的作用，导致锚杆和围岩的接触更加紧密，摩擦力升高，使得结构稳定性得到有效提升。此外在锚杆制作环节考虑到稳定性，对于采取的材料要进行详细分析，了解材料的抗压强度与抗温强度。

第三，树脂锚杆锚固力会超出杆体强度极限值，所以在确定锚杆长度时，应该以锚固效果展开分析。有很多的工程实际应用效果都可以发现，杆体出现延伸或者拉断的情况，锚头比较稳定，很少出现位移的问题，表示锚固效果比较好。树脂锚杆可以使用的范围较大，多个岩石或者锚杆条件下都可以使用，总体质量和安全性高。

第四，本次工程中，应用了菱形网，这种网的网格尺寸较小，和锚杆组合应用，可以拦截分化碎石，避免岩石出现掉落的情况，保护行人与设备的安全。菱形网的强度高，连接性好且施工方便，与混凝土结合性能好，能够提高喷射混凝土极限荷载，也保证了混凝土结构的稳定性，且运输方便、成本较低，弯曲操作效果好，和巷道形状可以紧密贴合。与锚杆配合使用，抵抗围岩应力的持续作用。菱形镀锌铁丝网需要在顶部开始安装，逐步延伸到两侧，保证结构形成整体，同时也是柔性的形式，达到运行性能要求。

第五，喷射混凝土按照1：2：2 进行制作，通过潮式喷射法进行，其不会产生严重的环境污染问题，应用到巷道内优势明显，且施工方便、快捷，通过压缩空气进行混凝土的喷射施工，混合料与高压水联合作用之下直接喷射到巷道表面，在材料内加入一定比例的速凝剂，其回填量小，也不会产生过多的粉尘材料，达到绿色施工的要求。喷射施工中，采取分片的作业方式，按照从下到上的顺序逐步进行。喷射施工前，需要先进行喷射表面的湿润处理，清理掉浮渣、粉尘，空洞、凹陷的部位填充处理，尤其是裂隙，必须填充达到密实度的要求。喷射施工阶段，喷头和被喷射表面保持有1.5m 左右的距离，以达到喷射的标准要求。

第六，软岩锚杆支护的方法。锚杆制作形成的锚固层组合拱为重要的承载结构，同时也是巷道支护的核心部件。喷层和金属网的同时作用之下，组合拱的运行效果，不会出现岩块冒落的风险。锚杆间存在松弛的岩石材料，应该及时应用喷层与金属网达到支护的效果。软岩结构变形较为严重，脆性也比较高，容易发生开裂、损坏的问题，所以通过铺设金属网的方式，有效防护锚杆，提升锚杆抗变形的能力；还可以通过多个锚杆联合后形成锚杆群，提高支护的效果，保障整体稳定性，达到最佳的支护条件。

第七，锚杆托板的尺寸为200mm×200mm×10mm，这是核心组成部件，和整个锚杆受力条件是一致的，达到结构稳定的标准。同时在进行布设环节，需要结合矿山采掘的需求，对涉及的结构稳定性进行分析，从而保证整体工程的质量满足需要。

第八，围岩变形是力学特点的显现，所以在施工中，技术人员需要随时观察和检测应力的变化情况，了解现场的影响因素，结合软岩的特点，做好现场支护结构的控制，保证支护工艺过程得到有效控制，进而达到结构现场维护管理的要求，促进支护围岩质量的提升。

4 高强支护技术应用注意事项

在矿山采掘过程，对于高强支护技术的应用需要做好技术的工艺控制，同时对施工过程的质量问题与安全问题进行详细分析，对技术的应用要点进行探讨。

第一，在支护结构构建初期，工作人员需要对巷道进行全面的检查，查看是都存在变形、裂缝等问题，若存在此类问题则先采取混凝土喷射方式进行初步加固，在保证变形问题得到有效控制的基础上在进行后期支护结构的布设。同时在支护技术应用环节还需要对支护方案的稳定性与经济学进行科学评估，选择具备针对性的支护手段。

第二，在具体支护施工之前，需要进入到现场做好地形地貌与地质条件的综合分析，安排专业工作人员做好各项参数的科学计算，必要时采用BIM 技术建模，衡量支护技术的可行性。第三，支护工程开展时需要做好基础材料性能的分析，要对混凝土强度进行检测，保证混凝土强度达到承载力，同时做好钢筋直径长度的控制，如此才能给后续工程的开展奠定基础。

第三，在支护工程开展环节要求工程人员按照工艺规范的要求进行施工，减少违规施工出现的质量问题与安全问题。同时要构建出科学的管理方案，将安全管理制度落实到工作实际环节，要责任落实到个人，如此才能切实提升矿山工程的质量。