金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)工藝

肖利金，冀 虎

（山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271219）

在金屬能源需求不斷擴(kuò)大的前提下，對金屬礦山的開采力度也在持續(xù)加大，運(yùn)用各種機(jī)械設(shè)備、開采技術(shù)大大提升了金屬礦開發(fā)的效益。在金屬礦資源開采中巷道掘進(jìn)十分關(guān)鍵，其決定著是否能順利獲取金屬能源，但巷道掘進(jìn)也是極具危險性的環(huán)節(jié)，因承載地表壓力與面臨地下不確定因素影響而容易出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，不僅帶來開采安全隱患，威脅施工人員和財產(chǎn)安全，還會影響金屬礦資源的開采質(zhì)量與效益，因此就必須重視巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用，根據(jù)巷道掘進(jìn)情況合理選擇支護(hù)技術(shù)，為金屬礦開采工作的有序進(jìn)行提供保障，維護(hù)人員安全，保障經(jīng)濟(jì)效益。

1 金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

在金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的探討中，需考慮兩個技術(shù)方面，一是巷道掘進(jìn)技術(shù)，二是巷道支護(hù)技術(shù)，只有同時保證這兩項技術(shù)合理運(yùn)用的前提下才能確保金屬礦巷道掘進(jìn)施工的安全性，因而需分別把握兩項技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。

對于巷道掘進(jìn)技術(shù)，常見的技術(shù)方式有兩種，即綜合機(jī)械化掘進(jìn)與掘錨一體化掘進(jìn)，綜合機(jī)械化掘進(jìn)的系統(tǒng)包括工程電纜、通風(fēng)設(shè)備、鉆機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等，組成較復(fù)雜，操作也有一定難度，要求較高，在實際應(yīng)用中受到系統(tǒng)性能因素影響會干擾施工效率，繼而影響金屬礦開采的工程進(jìn)度。掘錨一體化掘進(jìn)將掘進(jìn)技術(shù)與支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，如錨桿支護(hù)技術(shù)，在相互協(xié)同下促使金屬礦巷道掘進(jìn)施工效率提升，也讓金屬礦開采進(jìn)度的時間在一定程度上縮小。在巷道掘進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用中，關(guān)鍵要點(diǎn)需重視爆破環(huán)節(jié)和裝礦環(huán)節(jié)，為此設(shè)備的選擇非常重要，扒裝機(jī)能在爆破后將金屬礦資源安全高效地運(yùn)送出巷道，而其選型則根據(jù)巷道的實際情況決定。此外，金屬礦巷道掘進(jìn)的施工是較為復(fù)雜的，所涉及的方面較多，相關(guān)管理人員和技術(shù)人員要把握關(guān)鍵理論，如力學(xué)理論、地理理論等，合理規(guī)劃巷道掘進(jìn)施工，科學(xué)運(yùn)用掘進(jìn)技術(shù)。

對于巷道支護(hù)技術(shù)，一般有臨時支護(hù)技術(shù)和永久支護(hù)技術(shù)兩類，臨時支護(hù)技術(shù)顧名思義是臨時性的，在完成施工后會進(jìn)行拆除，僅為滿足巷道掘進(jìn)的施工需要，在對此技術(shù)的應(yīng)用中需要把握要點(diǎn)，其一要對所使用的原料特性進(jìn)行全面了解，不同材料的性能差異明顯，所發(fā)揮的作用作用不同，巷道支護(hù)需根據(jù)巷道掘進(jìn)的實際情況評估選擇合適的支護(hù)材料，把握其所有特性、特征，確保支護(hù)技術(shù)能發(fā)揮最大作用保護(hù)巷道掘進(jìn)安全性。其二要對巷道掘進(jìn)施工的整體情況進(jìn)行檢查，施工人員對支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用過程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)督，工序是否有序、流程是否合規(guī)、技術(shù)是否規(guī)范等都是需嚴(yán)謹(jǐn)關(guān)注的，其中支護(hù)材料質(zhì)量檢查更為重要，不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的材料不能進(jìn)場和使用，施工人員在進(jìn)入施工現(xiàn)場之前也要穿戴安全裝備，完成支護(hù)施工后還要進(jìn)行全面、細(xì)節(jié)的檢查，確保巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。永久支護(hù)技術(shù)則是施工后可持久地提供支護(hù)作用，不用拆卸，如鋼筋混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)等是比較常見的永久支護(hù)技術(shù)類型，其中在鋼筋混凝土支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中要關(guān)注鋼筋的選型、尺寸、彎度、結(jié)構(gòu)涉及以及混凝土的配置、配比等要點(diǎn)，錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中要關(guān)注錨梁的設(shè)置，需評支護(hù)網(wǎng)薄弱處并適當(dāng)增加錨梁，同時對螺母質(zhì)量、螺桿與螺母匹配度、錨桿托板厚度等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，在綜合質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上保證巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用，以及保障巷道掘進(jìn)支護(hù)施工安全性，在金屬礦巷道掘進(jìn)中發(fā)揮其可靠的支護(hù)作用[1]。

此外，在金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中還要把握還幾個注意事項，一是要堅持安全原則，以人員安全、財產(chǎn)安全為根本，綜合考慮巷道掘進(jìn)中可能產(chǎn)生的各種情況，把握巷道掘進(jìn)支護(hù)實際需求，基于可行性、適用性，以及在了解支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)、操作等方面基礎(chǔ)上制定巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案，其中還需考量到潛在的安全風(fēng)險隱患，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行安全風(fēng)險識別，做好相關(guān)風(fēng)險防控預(yù)案。二要深入分析巷道的圍巖情況、區(qū)域內(nèi)地下水文情況，借助信息技術(shù)支持加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測，調(diào)整支護(hù)技術(shù)應(yīng)用方案，同時要求相關(guān)管理人員和施工人員嚴(yán)格按照規(guī)定開展統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且規(guī)范的施工，從而確保巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用質(zhì)量和效果[2]。

2 金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)工藝分析

2.1 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿支護(hù)技術(shù)是巷道支護(hù)施工中最為常見的技術(shù)工藝，其主要是通過對整體結(jié)構(gòu)的加固、懸吊減跨與擠壓等方法達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的目的，減少巷道掘進(jìn)過程中對周圍結(jié)構(gòu)的影響。此支護(hù)技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、支護(hù)能力強(qiáng)、機(jī)械化程度高等優(yōu)勢，但在具體應(yīng)用中也會受到地應(yīng)力與巷道圍巖強(qiáng)度等因素的影響干擾支護(hù)效果。對于巷道掘進(jìn)中錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計可利用信息技術(shù)為輔助，通過動態(tài)收集巷道掘進(jìn)信息、地質(zhì)數(shù)據(jù)信息等依照參數(shù)分析技術(shù)應(yīng)用條件的優(yōu)劣，根據(jù)參數(shù)分析調(diào)整錨桿支護(hù)技術(shù)實施方案，確定合理的參數(shù)，再據(jù)此進(jìn)行技術(shù)施工，在實踐中檢驗錨桿支護(hù)技術(shù)實施效果，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用方案，確保發(fā)揮錨桿支護(hù)技術(shù)的有效支護(hù)作用。

對于錨桿支護(hù)技術(shù)的實際施工，要適當(dāng)增加錨桿托板的厚度，考慮到成本因素、施工要求因素等，增加托板厚度以提升礦壓能力，讓支撐保護(hù)作用充分發(fā)揮，為巷道掘進(jìn)施工安全提供保障；要合理把控錨固劑的使用時間，錨固劑作用是加固支護(hù)效果，但使用時間較長會對錨桿質(zhì)量造成損傷，因而在對錨固劑使用前應(yīng)開展實驗測試分析使用時間因素對支護(hù)的影響性，根據(jù)巷道掘進(jìn)施工實際情況選擇合適的錨固劑，依照使用要求控制使用時間，發(fā)揮其對支護(hù)效果的提升作用；要選擇合適的錨桿絲，錨桿絲主要使用在錨桿拉脫環(huán)節(jié)，在選擇時需考慮到支護(hù)強(qiáng)度，由技術(shù)人員綜合分析后盡量選擇強(qiáng)度大的錨桿絲，如滾絲機(jī)滾絲，其能增強(qiáng)支護(hù)效果，規(guī)避安全事故；要分別做好巷道內(nèi)和巷道旁的支護(hù)管理，對于巷內(nèi)在進(jìn)行支護(hù)技術(shù)施工前調(diào)查巷內(nèi)的具體情況，錨桿強(qiáng)度高時增加巷內(nèi)支護(hù)，存在裂縫現(xiàn)象時加強(qiáng)錨桿強(qiáng)度，切實增強(qiáng)支護(hù)效果，為巷道掘進(jìn)提供安全保障；對于巷旁支護(hù)的管理，從地質(zhì)變化方面考慮可能造成的變形后果，選擇合適材料保證錨桿支護(hù)強(qiáng)度，并加強(qiáng)地質(zhì)活動預(yù)測工作，發(fā)現(xiàn)異常能快速采取措施應(yīng)對，防止支護(hù)變形，提高錨桿支護(hù)的安全性與有效性；要完善動態(tài)監(jiān)測，對錨桿支護(hù)施工過程進(jìn)行全過程監(jiān)督，依托監(jiān)控設(shè)備、電子設(shè)備等獲取巷道掘進(jìn)的信息和支護(hù)情況，具體分析問題，實現(xiàn)巷道掘進(jìn)與支護(hù)工作的整體控制，強(qiáng)化巷道掘進(jìn)施工管理，保證錨桿支護(hù)技術(shù)的有效應(yīng)用[3]。

2.2 U型支架支護(hù)技術(shù)

U型支架支護(hù)技術(shù)通常被應(yīng)用在巖石較為松軟的巷道中和支護(hù)難度比較大的巷道中，另外當(dāng)噴錨網(wǎng)支護(hù)效果不夠強(qiáng)時也可以與此支護(hù)技術(shù)相結(jié)合。U型支架支護(hù)技術(shù)的支護(hù)強(qiáng)度受到支架尺寸、支架材料強(qiáng)度和支架結(jié)構(gòu)等因素的影響，支護(hù)載荷效果直接影響支護(hù)技術(shù)的支撐效益，不同載荷下支架支護(hù)技術(shù)的承載能力與支護(hù)阻力不同，如以型號為28kg/m、排間距為0.8m的U型鋼為例，當(dāng)載荷均勻分布時其承載能力為689kN、支護(hù)阻力為83.5kN·m-2、支撐效益為2.4kN·kg-1；當(dāng)載荷分布頂壓大于側(cè)壓且比值為3：1時，其承載能力為317kN、支護(hù)阻力為38.5kN·m-2、支撐效益為1.03kN·kg-1；當(dāng)載荷分布側(cè)壓大于頂壓且比值為3：1時，其承載能力為251kN、支護(hù)阻力為29.95kN·m-2、支撐效益為0.78kN·kg-1；當(dāng)載荷分布在一側(cè)且兩側(cè)之比為3：1時，其承載能力為108kN、支護(hù)阻力為13.41kN·m-2、支撐效益為0.33kN·kg-1，由此可見不同的載荷分布情況之間承載能力有著明顯的不同，支護(hù)技術(shù)的實際應(yīng)用要合理明確承載需要，調(diào)整荷載分布。U型可縮性鋼支架支護(hù)技術(shù)是U型支架支護(hù)技術(shù)的一種類型，其在巷道支護(hù)中起到有效作用，具有較高的支護(hù)強(qiáng)度、較大的支撐力與可重復(fù)使用等優(yōu)勢，在具體應(yīng)用過程中重點(diǎn)關(guān)注鋼材的質(zhì)量和壁后充填施工，對于鋼材的選擇需確保面對不同受力情況都能保持穩(wěn)定性，以及面對高壓發(fā)生變形不超過可允許范圍等；對于壁后充填需確保充填強(qiáng)度，能加固支架對圍巖的支撐，優(yōu)化支架的受力，提高支護(hù)技術(shù)對巷道的支護(hù)效果[4]。

2.3 混凝土支護(hù)技術(shù)

混凝土支護(hù)技術(shù)是一種成本較低的支護(hù)工藝，混凝土構(gòu)件是混凝土支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵，一種是預(yù)制件結(jié)構(gòu)形式，主要用于存在較大面積淋水、涌水的巷道位置，也可以用于圍巖破碎位置，有著施工安裝便捷、防水防火性強(qiáng)、整體性好的優(yōu)點(diǎn)，但其成本相對較高。另一種是現(xiàn)場澆筑混凝土支柱結(jié)構(gòu)形式，直接在現(xiàn)場進(jìn)行澆筑，對地表壓力可提供有力支撐，不用再依靠礦石點(diǎn)柱為支撐，支撐強(qiáng)度更大、更穩(wěn)固。對于混凝土支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，常見為噴射混凝土，需從兩個方面考慮，一方面需考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度，噴射混凝土之前漿體的配置十分關(guān)鍵，影響著抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)弱，為提高其抗壓強(qiáng)度，可在噴漿體中加入速凝劑，能在2～3小時內(nèi)快速封閉，并在18～24小時內(nèi)增強(qiáng)強(qiáng)度到80%，有效支護(hù)的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)一般為25MPa。另一方面需考慮噴層變形受破壞的機(jī)理，在受力作用下噴層通常會經(jīng)過黏結(jié)抵抗、撓曲和薄殼效應(yīng)三個階段的變形，不同變形階段需考量不同影響因素，采取合理方法控制變形破壞，保證噴射混凝土支護(hù)可靠性，如黏結(jié)抵抗階段，受力變形的產(chǎn)生多與巷道圍巖表面的清潔度以及噴漿的厚度相關(guān)，為確保噴漿體強(qiáng)度，需在噴漿前對圍巖表面進(jìn)行沖刷，噴漿時將厚度控制在5cm左右，達(dá)到較穩(wěn)定的噴漿強(qiáng)度效果。噴漿厚度的確定要視情況而定，但最大不能超過25cm，當(dāng)厚度大于10cm后每次繼續(xù)增加50%的厚度就能再增強(qiáng)15%的噴漿強(qiáng)度，加固圍巖[5]。

2.4 土釘墻支護(hù)技術(shù)

土釘墻支護(hù)技術(shù)主要是利用土釘來加強(qiáng)巷道穩(wěn)定性的工藝，該技術(shù)的具體操作是：根據(jù)巷道圍巖的實際情況評估分析結(jié)構(gòu)，確定合理的孔深、孔間距，使用鉆孔設(shè)備在巷道墻壁上按照規(guī)格鉆孔，確保所鉆孔的深度和分布符合計劃要求，根本上保證支護(hù)施工質(zhì)量。之后，對所孔進(jìn)行編號，逐一將土釘打入孔中，同時進(jìn)行拉拔實驗，依照實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果確定合適的注漿力度、速度和注漿量，以及結(jié)合實際情況判斷是否需要增加添加劑，考慮各種添加劑對土釘墻支護(hù)效果的影響，再進(jìn)行注漿，加固土釘?shù)姆€(wěn)定性，以土釘墻技術(shù)方式為巷道穩(wěn)定性和安全性提供保障。

2.5 巷道分級支護(hù)技術(shù)

金屬礦巷道掘進(jìn)支護(hù)中巷道分級支護(hù)技術(shù)是應(yīng)用較常見的，其指的是對巷道中的巖體進(jìn)行分級，對應(yīng)不同級別分別采用不同支護(hù)技術(shù)，旨在達(dá)到最優(yōu)的支護(hù)效果。在巷道分級支護(hù)的設(shè)計中，需要考慮幾個關(guān)鍵方面，一是礦巖質(zhì)量，其對巷道周邊穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；二是巷道的暴露面積，其對巷道自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如當(dāng)巷道交叉處存在較大暴露面積時會對整個巷道穩(wěn)定性造成影響；三是巷道的服務(wù)年限，其對支護(hù)材料選擇、支護(hù)參數(shù)確定產(chǎn)生影響，一般服務(wù)年限越長支護(hù)的強(qiáng)度越高；四是巷道失穩(wěn)影響性，不同用途的巷道穩(wěn)定性變差后會對開采工程產(chǎn)生不同程度的影響，鑒于以上，則需進(jìn)行級別劃分，針對性采取支護(hù)方法有效解決巷道掘進(jìn)中的支護(hù)不足、不全面問題，形成更穩(wěn)固的支護(hù)體系。在把握以上四個關(guān)鍵因素基礎(chǔ)上，可通過公式計算確定具體的支護(hù)等級指標(biāo)值，繼而再進(jìn)行具體等級劃分，其公式為：（[Q]為礦巖工程質(zhì)量指標(biāo)；為使用年限因數(shù)，時間與呈反比；為暴露面積，面積與成反比；為巷道影響程度，影響能力與呈反比），根據(jù)RQ值劃分支護(hù)級別，當(dāng)RQ值>40為級，當(dāng)RQ值在10～40之間為Ⅱ級，當(dāng)RQ值在4～10之間為Ⅲ級，當(dāng)RQ值在1～4之間為Ⅳ級，當(dāng)RQ值<1為Ⅴ級。

以某金屬礦開采工程巷道掘進(jìn)為例，在巷道掘進(jìn)過程中遇到裂隙密集帶和溶蝕裂隙帶，巖石較為疏松，容易破碎，對其采取巷道分級支護(hù)技術(shù)，此巷道的失穩(wěn)模式有三種，分別是強(qiáng)氧化帶“一線天”高冒頂、全斷面垮塌變形、結(jié)構(gòu)面控制楔形體冒頂，據(jù)此將巖體進(jìn)行分級，并分別采取針對性的支護(hù)技術(shù)。對于內(nèi)聚力為2.8MPa、內(nèi)摩擦角為39.1°、泊松比為0.26、彈性模量為11.9MPa、抗拉強(qiáng)度為0.65MPa的Ⅱ級巖體，采用噴射混凝土支護(hù)技術(shù)，使用C20規(guī)格、50mm厚度的混凝土；對于內(nèi)聚力為1.5MPa、內(nèi)摩擦角為30.1°、泊松比為0.30、彈性模量為3.2MPa、抗拉強(qiáng)度為0.10MPa的Ⅲ級巖體，采用噴射混凝土方式支護(hù)頂板結(jié)合端錨式錨桿支護(hù)，其中混凝土規(guī)格為C20、厚度為50mm，錨桿長度為2.1m，錨桿間排距為1.0m，以及使用Φ22mm規(guī)格的端錨式錨桿；對于內(nèi)聚力為0.7MPa、內(nèi)摩擦角為17.0°、泊松比為0.39、彈性模量為0.7MPa、抗拉強(qiáng)度為0.01MPa的Ⅳ級巖體，采用管縫式錨桿幫部支護(hù)、錨桿頂板支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)結(jié)合鋼筋網(wǎng)支護(hù)，其中使用Φ42mm規(guī)格的管縫式錨桿，Φ22mm規(guī)格的錨桿，C20規(guī)格且厚度為100mm的混凝土，Φ6mm規(guī)格且100mm×100mm規(guī)格的鋼筋網(wǎng)[6]。

3 結(jié)語

綜上所述，金屬礦是當(dāng)前社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一種重要的資源，開采更多金屬礦資源尤為重要，在金屬礦資源開采中巷道掘進(jìn)是關(guān)鍵工程環(huán)節(jié)，確保巷道掘進(jìn)施工安全性直接影響資源開采效率和效益。

為保證巷道掘進(jìn)施工順利推進(jìn)，需重視支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，合理把握巷道掘進(jìn)技術(shù)要點(diǎn)與支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)，按照巷道掘進(jìn)實際情況選擇合適的支護(hù)技術(shù)，如錨桿支護(hù)技術(shù)、U型支架支護(hù)技術(shù)、混凝土支護(hù)技術(shù)、土釘墻支護(hù)技術(shù)和巷道分級支護(hù)技術(shù)等，不同技術(shù)有不同優(yōu)勢，科學(xué)選擇并應(yīng)用，有效控制巷道掘進(jìn)施工安全問題，提高巷道掘進(jìn)開采的安全性，促進(jìn)金屬礦開采工程整體效率提升。