緩傾斜中厚礦體頂板安全管理研究

劉敏

(北京博鼎誠(chéng)工程設(shè)計(jì)有限公司涿州分公司， 河北 涿州市 072750)

0 引言

湖北宜昌地區(qū)的礦山對(duì)以緩傾斜薄至中厚礦體一般采用房柱法、全面法等空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行地下開(kāi)采[1]，隨著礦山開(kāi)采深度逐步加深，其采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性是急需解決的主要問(wèn)題。

宜昌某磷礦Ph22礦層的頂板穩(wěn)定性較差，尤其是遇斷層破碎帶時(shí)更易出現(xiàn)塌頂事件，必須予以高度重視并采取有效的頂板管理措施。在保證回采作業(yè)安全的前提下，提出頂板巖體分級(jí)管理制度，針對(duì)不同級(jí)別的采場(chǎng)頂板采用不同的支護(hù)方式。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

該磷礦自上而下依次賦存 Ph22、Ph21及 Ph133個(gè)磷礦層，其中Ph22為本礦段主要工業(yè)磷礦層，其平均厚度為9.32 m，礦體傾角為4°～10°，屬緩傾斜薄至中厚礦體。

本礦段的水文地質(zhì)邊界條件較復(fù)雜，屬無(wú)限補(bǔ)給的邊界類型。工業(yè)磷礦層頂板圍巖以堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬碳酸鹽巖為主，直接頂板為層狀?yuàn)A薄層狀泥質(zhì)云巖和云質(zhì)泥巖，其中較軟或相對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，屬于穩(wěn)定性較差圍巖。

礦山于 2011年開(kāi)工建設(shè)，經(jīng)建設(shè)施工揭露，發(fā)現(xiàn)礦段內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦巖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)固性較差，斷裂構(gòu)造復(fù)雜且控制程度較低，坑內(nèi)涌水量大。

2 采場(chǎng)頂板安全管理

2.1 采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分級(jí)

影響礦巖穩(wěn)定性的因素不僅多而且較復(fù)雜，大部分參數(shù)不能被準(zhǔn)確的量化。在回采過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際揭露后的巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面特征和破碎程度，參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）、《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB 12719—91）中關(guān)于巖體分級(jí)的規(guī)定，將該礦段頂板巖體穩(wěn)固性分為3個(gè)級(jí)別[2]，見(jiàn)表1。

在回采前加強(qiáng)探礦工作，明確頂板軟硬、穩(wěn)固程度、地質(zhì)構(gòu)造和破碎程度、頂板的透水情況等地質(zhì)條件，對(duì)巖體完整性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。參照頂板巖體級(jí)別分類表，將揭露的頂板巖體劃分等級(jí)，按照頂板安全管理制度采取相應(yīng)的支護(hù)方式。

2.2 頂板支護(hù)方式

通過(guò)理論計(jì)算，并參照類似礦山采場(chǎng)頂板支護(hù)方式及其支護(hù)參數(shù)，推薦采場(chǎng)頂板的主要支護(hù)方式為錨桿+長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)。針對(duì)穩(wěn)定性較差的頂板，采用鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土配合錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)頂板巖體分級(jí)，不同級(jí)別的頂板采用不同的支護(hù)參數(shù)[3]。

2.3 支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的確定

2.3.1 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)普氏理論及秦氏公式，上覆巖層壓力按公式（1）計(jì)算。

表1 頂板巖體的分級(jí)

式中，P為上覆巖層壓力，kN；a為采場(chǎng)寬度的二分之一，m；b為坍落拱的高度，m；γ為上覆巖層的體積密度，kN/m3；L為采場(chǎng)長(zhǎng)度，m；h為采場(chǎng)高度，m；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，°；f為普氏堅(jiān)固性系數(shù)。

錨索設(shè)計(jì)承載力Nt、錨索錨固力Nm分別按式（3）、式（4）計(jì)算。

式中，Nt為錨索設(shè)計(jì)承載力，N；Nm為錨索錨固力，N；m為錨索張拉應(yīng)力控制系數(shù)；n為鋼絞線根數(shù)；S為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，MPa。

應(yīng)用懸吊理論，按式（5）計(jì)算錨索支護(hù)數(shù)量。

式中，n為錨索數(shù)量，根；P為采場(chǎng)內(nèi)錨索應(yīng)承受總壓力，kN；Ns為預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后的預(yù)應(yīng)力值，kN。預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后的預(yù)應(yīng)力值不應(yīng)小于設(shè)計(jì)值的90%。

預(yù)應(yīng)力錨索主要包括內(nèi)錨固段、張拉段、外錨頭3部分，錨索長(zhǎng)度按式（6）確定：

其中內(nèi)錨固段長(zhǎng)度按式（7）確定：

式中，L1為內(nèi)錨固段長(zhǎng)度，m；γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，0.9；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，0.95；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，1.3；γc為黏結(jié)強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，1.2；γp為單根預(yù)應(yīng)力錨索張拉力分項(xiàng)系數(shù)，1.15；Pm為單根預(yù)應(yīng)力錨索超張拉力，kN；D為錨索孔直徑，mm；c為膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa，取 1.2～0.8；L2為自由端長(zhǎng)度，按被錨固圍巖的厚度計(jì)算，m；L3為外錨頭長(zhǎng)度，m，取0.75～1.0。

2.3.2 支護(hù)參數(shù)確定

施工前首先要探明礦層直接頂板內(nèi)泥質(zhì)泥晶白云巖厚度及位置，根據(jù)軟弱層的厚度，調(diào)整錨桿及錨索網(wǎng)度；根據(jù)軟弱層的賦存深度，調(diào)整錨桿長(zhǎng)度，保證錨桿能夠穿過(guò)軟弱層并有足夠的錨固長(zhǎng)度。錨桿的錨固深度應(yīng)深淺不一，類似鋸齒狀，避免錨桿端部形成應(yīng)力集中。

針對(duì)不同的頂板分級(jí)采取相應(yīng)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，見(jiàn)表2。

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)頂板錨桿、錨索支護(hù)進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)比較頂板的沉降量可看出，采場(chǎng)頂板錨桿、錨索支護(hù)效果明顯，能有效地提高頂板穩(wěn)定性[6-7]。

頂板最大沉降量出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中部，頂板未支護(hù)時(shí)最大沉降量達(dá)到 3.52 cm，采用短錨桿、長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)后，采場(chǎng)頂板沉降量明顯減小，最大沉降量減小為 1.95 cm，而且頂板巖層受開(kāi)采擾動(dòng)的范圍明顯縮小，頂板穩(wěn)定性得到有效提高。采場(chǎng)頂板未出現(xiàn)明顯的破壞。

頂板在支護(hù)與不支護(hù)情況下，頂板各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板沉降量見(jiàn)表3。

4 結(jié)語(yǔ)

采用頂板分級(jí)管理制度，針對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的差異采用相應(yīng)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，頂板位移減少30%，圍巖收斂率降低，有效解決了采場(chǎng)冒落和坍塌問(wèn)題，提高了工人作業(yè)安全性；礦石損失率減少11%，貧化率降低20%，采場(chǎng)支護(hù)成本降低7%，既節(jié)約支護(hù)成本又達(dá)到理想的支護(hù)效果，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益。

表2 頂板支護(hù)參數(shù)

表3 支護(hù)與不支護(hù)情況下頂?shù)陌宄两盗?/p>