李曉飛 孟祥凱 趙興東

（1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

隨著深部的不斷開采，三高一擾動現(xiàn)象越來越明顯［1］，受復(fù)雜的礦巖力學(xué)條件以及頻繁的開挖擾動影響，導(dǎo)致在蝕變巖型巖體內(nèi)施工巷道工程，頻繁出現(xiàn)不同程度的圍巖變形、片幫和冒頂破壞，甚至在一些區(qū)域發(fā)生大范圍的失穩(wěn)垮落，造成巷道支護(hù)工程量大，后期難以恢復(fù)不得不進(jìn)行改道現(xiàn)象，不僅影響礦山深部接續(xù)，對工人也造成了極大的安全隱患。因此，深部蝕變巖型巷道圍巖的穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)，已成為礦山工程技術(shù)人員所特別關(guān)注的問題。

1 工程背景

焦家金礦施工15中段某蝕變巖型巷道巖石主要技術(shù)參數(shù)為普氏硬度系數(shù)5.62、松散度1.6。該工程為深部接續(xù)重點(diǎn)工程，在施工過程中，多次出現(xiàn)不同程度的塌方（見圖1）。15中段該巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方式（見圖2）為錨噴支護(hù)，錨桿?42 mm、長度1.8 m/根、間距1 m、排距2 m、噴漿厚度50 mm，隨著不斷掘進(jìn)，發(fā)現(xiàn)巷道出現(xiàn)不同程度的變形，局部變形超過1 m，為防止巷道繼續(xù)變形采用增加U型鋼加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)間距1 m/架。整改后的支護(hù)方案為采用錨桿+噴漿+工字鋼支護(hù)［2］。支護(hù)后仍出現(xiàn)不同程度變形，且修復(fù)過程中支護(hù)施工難度大。不僅耗費(fèi)較大而且給安全生產(chǎn)造成一定影響。

原有的支護(hù)方式已經(jīng)不能適應(yīng)該巷道的要求，需要對該段巷道進(jìn)行巖石質(zhì)量分級，選取合適的支護(hù)方式，從而更快速地通過該區(qū)域。因此，對于深部蝕變巖型巷道須由巖石力學(xué)工程師對現(xiàn)場進(jìn)行巖石力學(xué)調(diào)查［3］，調(diào)查完畢后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果出具相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，給采礦工程技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)施工提供理論依據(jù)。

2 方案措施

2.1 地質(zhì)調(diào)查

為準(zhǔn)確分析焦家金礦15中段深部高應(yīng)力蝕變巖型巷道的巖石穩(wěn)定性狀況，巖石力學(xué)工程師選擇用測線法［4］對高應(yīng)力蝕變巖型區(qū)域巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行了調(diào)查分析。圖3為巖石力學(xué)工程師現(xiàn)場布置節(jié)理測線和進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查。

通過現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)查，以節(jié)理走向的形式呈現(xiàn)出不同水平的節(jié)理組數(shù)、特點(diǎn)及方向［5］。根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面狀況的調(diào)查結(jié)果，將圍巖的結(jié)構(gòu)面情況列于表1。為其巖體質(zhì)量分級提供了技術(shù)支撐，使得巖石穩(wěn)定性分級準(zhǔn)確性得到提高。

2.2 巖體地質(zhì)力學(xué)RMR分級

RMR評分值由巖塊強(qiáng)度R1、RQD值R2、節(jié)理間距R3、節(jié)理?xiàng)l件R4、地下水R5及節(jié)理方向修正參數(shù)R6指標(biāo)組成：RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6。最后通過相關(guān)參數(shù)修正，得到最終巖石質(zhì)量分級［6］。各中段巖體質(zhì)量分級評價如表2所示。

根據(jù)RMR=21～40分級結(jié)果應(yīng)選擇Ⅳ—差進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，結(jié)合礦山自身材料設(shè)備情況，采用巷道頂板和兩幫錨桿長2 m，間距2 m，采用金屬網(wǎng)錨噴支護(hù)，頂板噴射混凝土厚度100 mm，局部采用工字鋼鋼支架，排距2 m。

2.3 巷道（采場）穩(wěn)定性分析

依據(jù)表1結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果相關(guān)信息，利用Unwedeg軟件對15中段該巷道進(jìn)行潛在楔形體識別［7］。并對根據(jù)巖石力學(xué)分級結(jié)果提出的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)分析，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，當(dāng)采用長度2 m的樹脂錨桿時楔形體未與上部巖石形成整體，極易導(dǎo)致塌落。因此為確保楔形體的穩(wěn)定性，防止塌落，在巷道右上部楔形體位置采用了3根5 m的長錨索進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)排距2 m，間距1 m，如圖6、圖7所示。

通過Unwedge軟件對最大潛在楔形體識別表明：15中段該巷道頂板潛在楔形塊體安全系數(shù)為0，極不穩(wěn)定，有垮塌危險(xiǎn)，采用排距2 m、間距1 m、長度2 m樹脂錨桿支護(hù)后，頂板潛在楔形體安全系數(shù)變?yōu)?0，仍不穩(wěn)定，存在較大安全隱患。當(dāng)采用樹脂錨桿間距1 m、排距2 m、錨桿長度2 m，頂板右上部楔形體部位增加3根支護(hù)長錨索（長度5 m、排距2 m、間距1 m）后頂板潛在楔形體安全系數(shù)變?yōu)?56.386，能夠保持巷道的穩(wěn)定。

2.4 雙鋼筋支護(hù)

雙鋼筋制作簡單可靠（見圖 8）［8］，利用2根礦用?10～12 mm的圓鋼由工人現(xiàn)場焊接使用。整個雙鋼筋的長度根據(jù)巷道頂板及兩幫情況決定，原則是有錨桿錨索的地方都應(yīng)被雙鋼筋覆蓋。在雙鋼筋之間每隔0.5 m焊接1個連接點(diǎn)，連接點(diǎn)的間距根據(jù)錨桿錨索間距確定，不能影響錨桿錨索托盤安裝使用。施工過程中，首先施工頂板錨桿，將雙鋼筋固定在頂板上，然后按巷道拱形輪廓以此施工錨桿錨索，使得雙鋼筋和錨桿錨索托盤緊貼巖壁，已達(dá)到錨桿錨索雙鋼筋形成一個整體拱，起到組合拱的作用。

根據(jù)前期雙鋼筋支護(hù)效果來看，采用錨桿+錨索+雙鋼筋支護(hù)方式，使得三者形成一個整體，相互作用，形成一個組合拱作用，使其本來單獨(dú)發(fā)揮作用的錨桿錨索，連接成為一個整體，極大提高了巷道整體的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保證了巷道穩(wěn)定。將錨桿錨索采用雙鋼筋連接到一起在蝕變巖體中尤其重要，不僅能快速地進(jìn)行支護(hù)，使其在巷道變形初期就將巷道變成一個統(tǒng)一的整體發(fā)揮作用，而且雙鋼筋具有一定的柔韌性，可以適當(dāng)進(jìn)行變形，屬于柔性支護(hù)，更適合深部開采需要。

2.5 支護(hù)方式確定

基于巖石力學(xué)調(diào)查進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級和基于RMR分級的支護(hù)圖表進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Unwedge軟件對該巷道進(jìn)行潛在楔形體識別［9］，并對根據(jù)巖體力學(xué)分級提出的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，創(chuàng)新性地提出了“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)方式［12］。該支護(hù)方式主要針對蝕變巖性巷道頂板：樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土；樹脂錨桿間排距2 m、長度2.4 m、直徑20 mm，全長錨固，噴射混凝土厚度100 mm、初噴30 mm。雙鋼筋?8～10 mm盤圓鋼線拉直焊接，間距6～8 cm，長度1.4 m；托盤200 mm×200 mm×8 mm，沖擊呈碗狀。初噴射混凝土后，在巷道右上部按照設(shè)計(jì)補(bǔ)打錨索支護(hù)，錨索長4～5 m，間排距2 m?，F(xiàn)場支護(hù)方式示意見圖9。

3 巷道支護(hù)效果評價

3.1 工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)

根據(jù)確定的焦家金礦蝕變巖型巷道圍巖支護(hù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證所提出支護(hù)方案的合理性。選取附近巷道，該巷道與原巷道距離20 m，巖石主要技術(shù)參數(shù)基本一致，通過前期巖石力學(xué)調(diào)查，頂板存在長度約4 m的楔形體構(gòu)造。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

15中段該巷道施工后1 d，在巷道頂板斷層F1、F2及兩幫斷層F3、F4處，設(shè)定6個巷道圍巖收斂變形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測采用“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)前后巷道圍巖的收斂變形值，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)效果見圖10。該巷道施工完畢20 d后，開始進(jìn)行支護(hù)方案的現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，巷道收斂變形監(jiān)測周期為2019年12月30日—2020年2月8日，共計(jì)約1個月。

圖11顯示了巷道圍巖收斂變形監(jiān)測斷面頂板和兩幫監(jiān)測結(jié)果［10］。從圖中曲線可以看出，在巷道施工過程中，3處監(jiān)測點(diǎn)的收斂變形呈階梯狀增加，且兩幫變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于頂板圍巖的變形量。可見楔形體構(gòu)造對頂板影響較大。兩幫圍巖最大變形量為6 mm，頂板圍巖最大變形量為25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，該巷道進(jìn)行樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土支護(hù)后，巷道中所設(shè)的6個監(jiān)測點(diǎn)的圍巖變形均趨于穩(wěn)定，并在30 d監(jiān)測中保持穩(wěn)定，圍巖累計(jì)變形量不再增加。由此可以得出結(jié)論，該支護(hù)方式以及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)的選取能夠有效保證焦家金礦蝕變巖型巷道頂板兩幫在一定時期的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

（1）基于巖石力學(xué)工程師對該區(qū)域巖石力學(xué)調(diào)查進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級，運(yùn)用RMR分級的支護(hù)圖表，進(jìn)行初步支護(hù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Unwedge軟件對該巷道進(jìn)行潛在楔形體識別，并對提出的支護(hù)方案進(jìn)行分析改進(jìn)，提出了“樹脂錨桿+長錨索+噴射混凝土”支護(hù)方式。

（2）利用雙鋼筋將錨桿錨索連接為一聯(lián)合體，有效地避免了單一錨桿錨索作用強(qiáng)度小的問題，避免了局部冒落和支護(hù)力不足的問題，增加了整體錨固力，使得巷道頂板及兩幫形成組合拱，極大提高了巷道整體的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保證了巷道穩(wěn)定。雙鋼筋作用下使得單根錨桿錨索達(dá)到整排錨桿錨索的聯(lián)合支護(hù)效果，從而大大地提高了整體支護(hù)強(qiáng)度。

（3）最終選取的“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)方案具有很好的效果，通過噴射混凝土能夠迅速與巖體一起形成很好的支護(hù)圈。避免巖石風(fēng)化和塌落變形，能夠有效支撐破壞圍巖，阻止圍巖的進(jìn)一步破壞。