西石門鐵礦礦巷道支護(hù)方案優(yōu)化研究

西石門鐵礦礦巷道支護(hù)方案優(yōu)化研究

西石門黑砂巖為燕山期的巖質(zhì)巖與中奧陶紀(jì)馬家溝群石灰?guī)r的接觸帶，用于有關(guān)巖質(zhì)巖磁極的接觸和解釋。礦體上盤圍巖為灰?guī)r，礦體為矽卡巖型磁鐵礦，下盤圍巖主要為閃長巖，在礦體與下盤間夾有薄層蝕變閃長巖與矽卡巖針對(duì)西石門鐵礦北區(qū)矽卡巖和完整性較好的礦石中巷道的支護(hù)問題，考慮支護(hù)適度、便于施工等要求，分析選用了錨網(wǎng)噴支護(hù)措施，并利用Q系統(tǒng)確定了支護(hù)參數(shù)。之后對(duì)確定的錨網(wǎng)噴支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1巷道圍巖支護(hù)情況在無明顯地壓作用的矽卡巖和礦體中的巷道采用拱架支護(hù)時(shí)，除了木背板被壁后的碎石壓裂，支護(hù)3年后拱架幾乎未變形，而一般回采進(jìn)路存在時(shí)間較短，可見拱架支護(hù)足可滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，甚至有過度支護(hù)現(xiàn)象。拱架支護(hù)時(shí)，壁后會(huì)有較厚的松散體，給落礦時(shí)中深孔施工帶來困難。另外，矽卡巖遇水泥化，從拱架間隙流出，造成巷道泥濘，通行條件差。從適度性和便于中深孔施工來看，拱架支護(hù)不作為首選。從圍巖情況看，圍巖質(zhì)地疏松泥質(zhì)化，這時(shí)巷道用增強(qiáng)圍巖的辦法成本很大且不易實(shí)施，也就是說用注漿的方法增強(qiáng)圍巖的方法難度較大：(1)水泥遇到泥土細(xì)顆粒后，黏結(jié)強(qiáng)度變差，水泥消耗量會(huì)較大；(2)注漿給水后，由于圍巖遇水泥化，巷道圍巖自身強(qiáng)度會(huì)變低；(3)巷道圍巖泥化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙被土封閉，注漿液將不易擴(kuò)散，注漿范圍受限。圍巖的大變形主要是深層次的圍巖投入移動(dòng)及圍巖遇水后膨脹影響，如果將巷道開挖后的表層及時(shí)穩(wěn)固，深層次的圍巖不發(fā)生移動(dòng)，巷道的穩(wěn)定性將有很大改進(jìn)，所以支護(hù)方式一定要及時(shí)提供支護(hù)抗力及封閉暴露面。為此，這類圍巖初次支護(hù)應(yīng)立足于錨網(wǎng)噴支護(hù)，然后選取合理的支護(hù)參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。2巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)定及估算為了確定合理的支護(hù)參數(shù)并為支護(hù)效果模擬研究提供計(jì)算參數(shù)，在點(diǎn)荷載和結(jié)構(gòu)面調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖塊物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減處理，得到礦體和矽卡巖的巖體力學(xué)參數(shù)。2.1黃巖點(diǎn)負(fù)荷強(qiáng)度測(cè)定在北采區(qū)0m水平和-40m水平選取礦石和矽卡巖試樣，進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理。通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)2.2礦巖結(jié)構(gòu)的特征通過結(jié)構(gòu)面調(diào)查確定的定量指標(biāo)，能夠反映巖體結(jié)構(gòu)的特征。結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，分別對(duì)0m、-40m階段的矽卡巖、礦石進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結(jié)果整理計(jì)算，結(jié)果見表2。2.3巖體完全系數(shù)k由巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)可計(jì)算巖體完整性系數(shù)，計(jì)算見式（1）。式中，J式中：L巖體完整性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3。2.4地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)為獲取計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)，以點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)面調(diào)查得到的巖塊物理力學(xué)參數(shù)、巖體完整性系數(shù)為基礎(chǔ)，采用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則式中：σ式中：GSI(geologicalstrengthindex）為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；m式中：σs和a為巖體材料參數(shù)，由式（6）和式（7）給出。式中，D為節(jié)理巖體遭受破壞和應(yīng)力松弛受擾動(dòng)程度的參數(shù)。對(duì)于未受擾動(dòng)的巖體，D=0；對(duì)于嚴(yán)重受擾動(dòng)的巖體，D=1σ?guī)r體的抗拉強(qiáng)度由式（9）給出（巖石力學(xué)里默認(rèn)壓為正，拉為負(fù)）。巖體的彈性模量由式（10）給出。根據(jù)式（11）和式（12）可以分別求得巖體的摩擦角及內(nèi)聚力。式中，σ式中，σ′式中：γ為巖體的單位重量，N/m北區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)估算時(shí)，σ通過計(jì)算、整理，西石門鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)匯總，見表5，其中泊松比按文獻(xiàn)3網(wǎng)絡(luò)噴擊防護(hù)參數(shù)的確定確定采用錨網(wǎng)噴支護(hù)措施后，應(yīng)選取合理的支護(hù)及施工參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。3.1掘進(jìn)掌子面BARTON等式中：RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo)；J對(duì)于質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和Q之間的關(guān)系，HOEK等在西石門鐵礦北區(qū)，掘進(jìn)掌子面有滴水，部分部位中等水流，取J3.2中央表面活性劑樹脂錨桿的錨固力較大，膠凝固化速度快，從而迅速、有效地產(chǎn)生錨固作用，另外其屬于端部錨固，錨固力不隨表層圍巖的剝落而降低。對(duì)于北區(qū)破碎圍巖，樹脂預(yù)錨桿比管縫式錨桿優(yōu)越。3.3錨桿直徑和鉆孔直徑選擇樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)時(shí)，“三徑（錨桿直徑、鉆孔直徑、樹脂藥卷直徑）”應(yīng)合理匹配3.4錨桿、鋼筋網(wǎng)安裝根據(jù)巷道施工要求和施工方便的特點(diǎn)，特?cái)M定支護(hù)方案：混凝土厚度10cm，強(qiáng)度等級(jí)C20，配合比1∶2∶2，摻3%～5%速凝劑。選用Ф20mm×2400mm的樹脂錨桿，150mm×150mm×8mm的拱型高強(qiáng)度托盤，錨桿間排距為1000mm×1000mm，全斷面布置9～10根錨桿，如圖2所示。錨桿孔直徑為Ф28mm，采用樹脂藥卷加長錨固，錨固長度不少于800mm。同排錨桿用鋼筋托梁連接，托梁由在兩條直徑Ф14mm的鋼筋之間焊接縱筋制成，鋼筋間距為60mm?？v筋位置與錨桿安裝間距對(duì)應(yīng)，在錨桿位置左右各焊一個(gè)，間距取60mm。托梁長度在拱頂處為2500mm，幫部為2000mm。兩相鄰的鋼筋托梁搭接，利用錨桿壓緊搭接的兩根鋼筋托梁。鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5mm鋼筋焊接，規(guī)格為頂板網(wǎng)片2500mm×1800mm，兩幫網(wǎng)片2000mm×1800mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm。網(wǎng)與網(wǎng)的搭接長度不少于100mm，搭接處應(yīng)采用鐵絲綁扎，綁扎點(diǎn)間隔不超過150mm。巷道支護(hù)緊隨掘進(jìn)掌子面，爆破出渣后頂板暴露時(shí)間不允許超過24h。4支出和健康保護(hù)4.1拱架支護(hù)下兩幫塑性區(qū)深度變化按照所設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)，對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，分別模擬無支護(hù)、1.4m錨桿（礦山曾使用過1.4m錨桿，但效果不佳）、2.4m錨桿支護(hù)條件下塑性區(qū)分布情況，結(jié)果如圖3所示。開挖后不采取支護(hù)措施，如圖3(a）所示，兩幫塑性區(qū)最大深度可達(dá)1.5m，頂板最大可達(dá)1m。這種情況下若用拱架支護(hù)，背板后將充填大量碎石。另外，巷道表面未封閉，這種圍巖剝落趨勢(shì)將繼續(xù)向深部發(fā)展，給中深孔鑿巖帶來不便。開挖后采用1.4m錨桿支護(hù)時(shí)，如圖3(b）所示，兩幫塑性區(qū)深度有所減少，至1.2m，頂板塑性區(qū)最大深度減少至0.8m，范圍仍較大。使用2.4m錨桿支護(hù)后，雖然兩幫塑性區(qū)最大深度未進(jìn)一步減少，但范圍明顯縮小，頂板塑性區(qū)最大深度減少至0.5m，并且影響區(qū)域縮小明顯，如圖3(c）所示。因此，考慮回采時(shí)中深孔施工，采用2.4m長的錨桿進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)更適合北區(qū)破碎圍巖的支護(hù)。4.2工具ls:土壤中基本信息錨網(wǎng)噴支護(hù)方案與拱架支護(hù)方案成本分析見表6和表7。從成本方面看，錨網(wǎng)噴支護(hù)方案較拱架支護(hù)最少可節(jié)約1800元/m，其中拱架支護(hù)未計(jì)算修復(fù)時(shí)所需成本。4.3錨網(wǎng)噴支護(hù)方案北采區(qū)-80m水平下盤聯(lián)巷巖性為蝕變閃長巖和矽卡巖，原來一直使用直腿拱架支護(hù)。在1#穿脈掘進(jìn)時(shí)，按上述方案改為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿采用管縫錨桿，錨桿長度為2.4m，支護(hù)時(shí)在液壓支柱頂網(wǎng)防護(hù)下打錨桿孔。支護(hù)后巷道未出現(xiàn)頂板冒落、錨桿掉落現(xiàn)象，見圖4。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，未受采動(dòng)壓力作用的軟破圍巖部位，使用2.4m長的錨桿進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)可以滿足穩(wěn)定性要求，在此前提下，可節(jié)省巷道支護(hù)成本1800元/m。5錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)確定1）分析表明，西石門鐵礦北區(qū)無明顯地壓作用的矽卡巖和礦體中的巷道使用拱架支護(hù)存在過度支護(hù)、矽卡巖持續(xù)泥化等問題；從支護(hù)適度性和便于中深孔施工以及作業(yè)環(huán)境來看，這類圍巖初次支護(hù)應(yīng)立足于錨網(wǎng)噴支護(hù)，然后選取合理的支護(hù)參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。2）基于Q系統(tǒng)選取了錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)，確定西石門鐵礦矽卡巖和礦體部位