李國(guó)平 朱文龍

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

安徽和睦山鐵礦-300 m水平運(yùn)輸巷道擔(dān)負(fù)后和睦山礦段以及后觀音山-250，-300 m中段溜井出礦與運(yùn)輸任務(wù)。該水平運(yùn)輸巷道處于軟弱巖層中，圍巖軟硬極不均勻，局部存在軟弱裂隙帶，部分圍巖具有高節(jié)理化、軟化、泥化、膨脹性等特征[1]。巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)較差，現(xiàn)有的錨網(wǎng)噴支護(hù)無法有效改善巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)，使得運(yùn)輸巷道變形逐漸加劇，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，巷道周邊圍巖位移較大，頂板破碎、兩幫內(nèi)移，嚴(yán)重影響了采出礦石的連續(xù)運(yùn)輸，無法滿足巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定要求。因此，有必要對(duì)該礦-300 m水平運(yùn)輸巷道支護(hù)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保巷道服務(wù)期限內(nèi)安全與穩(wěn)定。

1 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方式確定

巷道圍巖收斂曲線是以圍巖特性曲線和支護(hù)控制線為根據(jù)確定的[2-4]，采用收斂控制法作為巷道圍巖收斂線確定的理論基礎(chǔ)。收斂控制法認(rèn)為圍巖破壞特征為剪性破壞，以圍巖彈塑性本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，遵循庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則，來推導(dǎo)收斂控制方程。通過對(duì)巷道圍巖與支護(hù)相互作用的彈塑性分析，可以得出巷道塑性區(qū)半徑以及圍巖周邊位移的表達(dá)式。巷道塑性區(qū)半徑Rp的計(jì)算公式為

(1)

式中，a為巷道半徑，m；C為圍巖黏聚力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)；p0為巷道圍巖的原巖應(yīng)力，MPa。

巷道周邊圍巖彈塑性位移u0的計(jì)算公式為

(2)

式中，G為彈性切變模量。

綜合考慮圍巖力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)強(qiáng)度等因素，本研究利用收斂控制法設(shè)計(jì)和睦山鐵礦-300 m運(yùn)輸巷道支護(hù)方案。引入應(yīng)力釋放系數(shù)概念，將該巷道斷面荒徑的2倍作為應(yīng)力影響范圍。應(yīng)力釋放系數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

式中，Ki為應(yīng)力釋放系數(shù)；ηi為量測(cè)點(diǎn)的臨空系數(shù)。

利用應(yīng)力釋放系數(shù)Ki對(duì)式(1)、式(2)進(jìn)行了修正，可得

(4)

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)，可進(jìn)一步分析巷道圍巖位移u0與巷道開挖臨空系數(shù)ηi在不同支護(hù)抗力p1作用下的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 圍巖位移與臨空系數(shù)的關(guān)系

由圖1可知：當(dāng)p1≤3.0 MPa時(shí)，表明支護(hù)抗力偏小，圍巖位移u0伴隨開挖臨空系數(shù)ηi的增大而加速發(fā)展，該支護(hù)方式無法有效控制巷道圍巖變形，最終會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞；當(dāng)p1=3.5 MPa時(shí)，表明支護(hù)抗力p1為巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定的臨界值，巷道位移u0的發(fā)展趨勢(shì)隨著開挖臨空系數(shù)ηi的增大而逐漸趨于勻速變化；當(dāng)p1≥4.0 MPa 時(shí)，巷道圍巖u0的發(fā)展趨勢(shì)隨著開挖臨空系數(shù)ηi的增大呈減速增長(zhǎng)，表明支護(hù)力p1已經(jīng)達(dá)到使巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定的抗力值。

根據(jù)收斂控制法確定的圍巖收斂線進(jìn)行分析可知，和睦山鐵礦-300 m水平運(yùn)輸巷道圍巖屬于大松動(dòng)圈中的不穩(wěn)定圍巖，維持巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的支護(hù)抗力p1不宜小于3.5 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)測(cè)量資料，巷道圍巖與錨網(wǎng)噴支護(hù)混凝土噴層的接觸應(yīng)力一般為1～3 MPa，錨索托盤承受的接觸力為3～7 MPa。

綜上所述，根據(jù)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系，考慮到和睦山鐵礦-300 m水平運(yùn)輸巷道所穿巖層的具體地質(zhì)特征，確定采用錨網(wǎng)噴支護(hù)+預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)方案。

2 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)參數(shù)計(jì)算

為確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性，應(yīng)對(duì)巷道頂板冒落范圍(巷道幫部破碎深度C和潛在冒落拱高度b)進(jìn)行分析計(jì)算[5-8]。

2.1 巷道頂板冒落范圍分析

巷道頂板破碎深度C的計(jì)算公式為

(6)

式中，K為自然平衡拱角應(yīng)力系數(shù)，2.39；L為巷道寬度，4.5 m；h為巷道掘進(jìn)高度，3.5 m；γh為上覆巖層平均容重，3.75 kN/m3；H為上覆巖層厚度，30 m；B為固定(殘余)支撐壓力影響系數(shù)，2；fc為巖石普氏系數(shù)，1.955；α為礦體傾角，50°；φ為礦體內(nèi)摩擦角，25.2°。

經(jīng)計(jì)算，C=6.08 m。

潛在冒落拱高度b的計(jì)算公式為

(7)

式中，a為巷道有效跨度的1/2，2.25 m；k為頂板巖性系數(shù)，0.8。

經(jīng)計(jì)算，b=3.42 m。

為確保預(yù)應(yīng)力錨索具體施工參數(shù)的可靠性，應(yīng)確定巷道頂板潛在冒落高度。根據(jù)該礦-300 m運(yùn)輸巷道拱頂破碎圍巖的冒落高度，確定的預(yù)應(yīng)力錨索的具體施工參數(shù)，應(yīng)確保預(yù)應(yīng)力錨索施工至巷道穩(wěn)定巖層中，將巷道頂板松動(dòng)圈內(nèi)的不穩(wěn)定巖層或冒落拱內(nèi)的破碎巖層固定于上部穩(wěn)定的巖層中。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)確定

巷道拱頂潛在冒落區(qū)整體載荷的計(jì)算公式為

Q=γbDSH，

(8)

式中，γ為拱頂冒落區(qū)巖體容重， 37.5 kN/m3；b為巷道寬度，4.5 m；DS為錨索排距，1.6 m；H為巷道潛在冒落區(qū)的高度，3.42 m。

經(jīng)計(jì)算：Q=923.4 kN。

該預(yù)應(yīng)力錨索材料由φ17.8 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，其破壞力為353 kN。巷道每排施工錨索數(shù)量可按下式計(jì)算，

n=k′Q/Q1，

(9)

式中，k′為安全系數(shù)，1.2；Q1為每根錨索的極限承載力，353 kN。

經(jīng)計(jì)算，n=3.13，本研究n=3。

錨索可承受的荷載可計(jì)算如下

Q′=Q/n=923.4/3=307.8 .

(10)

根據(jù)懸吊理論，錨索總長(zhǎng)度應(yīng)按下式計(jì)算，

L=L1+Lp+L2，

(11)

式中，L1為錨索錨固段長(zhǎng)度，m；L2為錨索外露長(zhǎng)度，200 mm；LP為錨索有效長(zhǎng)度(巷道潛在冒落區(qū)高度)，3.42 m。

錨索錨固段長(zhǎng)度L1可根據(jù)錨固劑與鋼絞線的黏結(jié)長(zhǎng)度或巖體的黏結(jié)長(zhǎng)度確定。錨固劑與鋼絞線黏結(jié)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

(12)

錨固劑與巖體的黏結(jié)長(zhǎng)度可按下式計(jì)算，

(13)

式中，τa為樹脂與鋼絞線的黏結(jié)力，5.0 MPa；τb為錨固劑與巖孔的黏結(jié)力，3.5 MPa；K為安全系數(shù)，2.0；Q′為錨索設(shè)計(jì)荷載，307.8 kN；da為預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑，17.8 mm；db為錨索孔直徑，30 mm。

經(jīng)計(jì)算：La=2.2 m，Lb=1.85 m，為提供足夠的錨固力，取L1=2.2 m。故錨索的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5.82 m。

綜上所述，預(yù)應(yīng)力錨索直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為6 300 mm；施工孔徑為32 mm，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型樹脂藥卷進(jìn)行加長(zhǎng)錨固，其極限承載力為353 kN，伸長(zhǎng)率為4%[9]；預(yù)應(yīng)力錨索托盤采用規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×高)高強(qiáng)度可調(diào)心托盤；采用專用錨具與設(shè)備對(duì)其進(jìn)行張拉、固定和切割；錨索預(yù)應(yīng)力不低于150 kN，間排距為1 400 mm×1 600 mm。

3 工程應(yīng)用

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)計(jì)算出的預(yù)應(yīng)力錨索的間排距(1 400 mm×1 600 mm)，按“2-3-2”形式或均勻布置3根的方式在2排錨桿之間布置預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[10]，采用MDS3型電動(dòng)錨桿鉆機(jī)(φ32 mm鉆頭、φ19 mm鉆桿)進(jìn)行鉆孔，孔徑與孔深應(yīng)與錨索規(guī)格相符，錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 300 mm。鉆孔完畢后，鉆孔無泥巖時(shí)可用清水清孔，壓風(fēng)復(fù)清，如遇泥巖或泥巖互層時(shí)，宜采用壓風(fēng)多次清孔，以提高錨頭錨固力。樹脂藥卷與錨索進(jìn)行同步安裝，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型樹脂藥卷進(jìn)行加長(zhǎng)錨固。

錨索采用規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×高)的高強(qiáng)度可調(diào)心托盤進(jìn)行固定，利用OVM15型錨具與YCD-180型千斤頂、GQ-190型液壓切斷器進(jìn)行張拉和切割。錨索預(yù)應(yīng)力不小于150 kN，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值時(shí)可停止拉張。張拉時(shí)若發(fā)現(xiàn)有錨固不合格的錨索，必須立即在其附近補(bǔ)打、安裝合格錨索，或者用張力器將不合格的錨索拔出，而后用鉆機(jī)將原來的鉆孔清一遍，重新安裝錨索。本研究巷道錨索加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 錨索加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

3.2 支護(hù)效果

和睦山后觀音山礦段-300 m水平運(yùn)輸巷道應(yīng)用錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案后，對(duì)該支護(hù)巷道進(jìn)行了60 d的巷道位移監(jiān)測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 -300 m運(yùn)輸巷道頂板與兩幫位移變化情況

分析圖3可知：-300 m水平運(yùn)輸巷道頂板與兩幫的位移變化量分別為30，20 mm，混凝土噴層未有發(fā)生明顯變形，表明本研究設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案能夠有效控制該礦-300 m水平運(yùn)輸巷道圍巖變形。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過采用巷道圍巖變形機(jī)理分析與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了安徽和睦山鐵礦-300 m水平運(yùn)輸巷道錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案，并確定了合理的錨索支護(hù)參數(shù)。根據(jù)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了該方案的有效性，可供類似礦山參考。