西石门铁矿矿巷道支护方案优化研究

西石门铁矿矿巷道支护方案优化研究

西石门黑砂岩为燕山期的岩质岩与中奥陶纪马家沟群石灰岩的接触带，用于有关岩质岩磁极的接触和解释。矿体上盘围岩为灰岩，矿体为矽卡岩型磁铁矿，下盘围岩主要为闪长岩，在矿体与下盘间夹有薄层蚀变闪长岩与矽卡岩针对西石门铁矿北区矽卡岩和完整性较好的矿石中巷道的支护问题，考虑支护适度、便于施工等要求，分析选用了锚网喷支护措施，并利用Q系统确定了支护参数。之后对确定的锚网喷支护方案进行模拟分析，并应用于现场进行实验。1巷道围岩支护情况在无明显地压作用的矽卡岩和矿体中的巷道采用拱架支护时，除了木背板被壁后的碎石压裂，支护3年后拱架几乎未变形，而一般回采进路存在时间较短，可见拱架支护足可满足支护强度要求，甚至有过度支护现象。拱架支护时，壁后会有较厚的松散体，给落矿时中深孔施工带来困难。另外，矽卡岩遇水泥化，从拱架间隙流出，造成巷道泥泞，通行条件差。从适度性和便于中深孔施工来看，拱架支护不作为首选。从围岩情况看，围岩质地疏松泥质化，这时巷道用增强围岩的办法成本很大且不易实施，也就是说用注浆的方法增强围岩的方法难度较大：(1)水泥遇到泥土细颗粒后，黏结强度变差，水泥消耗量会较大；(2)注浆给水后，由于围岩遇水泥化，巷道围岩自身强度会变低；(3)巷道围岩泥化严重，节理裂隙被土封闭，注浆液将不易扩散，注浆范围受限。围岩的大变形主要是深层次的围岩投入移动及围岩遇水后膨胀影响，如果将巷道开挖后的表层及时稳固，深层次的围岩不发生移动，巷道的稳定性将有很大改进，所以支护方式一定要及时提供支护抗力及封闭暴露面。为此，这类围岩初次支护应立足于锚网喷支护，然后选取合理的支护参数，以取得理想的支护效果。2岩体力学参数测定及估算为了确定合理的支护参数并为支护效果模拟研究提供计算参数，在点荷载和结构面调查的基础上，利用广义Hoek-Brown强度准则对岩块物理力学参数进行工程折减处理，得到矿体和矽卡岩的岩体力学参数。2.1黄岩点负荷强度测定在北采区0m水平和-40m水平选取矿石和矽卡岩试样，进行了点荷载强度试验及数据处理。通过点荷载试验2.2矿岩结构的特征通过结构面调查确定的定量指标，能够反映岩体结构的特征。结合矿区的实际情况，分别对0m、-40m阶段的矽卡岩、矿石进行调查。根据调查结果整理计算，结果见表2。2.3岩体完全系数k由岩体结构面参数可计算岩体完整性系数，计算见式（1）。式中，J式中：L岩体完整性系数的计算结果见表3。2.4地质强度指标为获取计算岩体力学参数，以点荷载实验及结构面调查得到的岩块物理力学参数、岩体完整性系数为基础，采用广义Hoek-Brown强度准则式中：σ式中：GSI(geologicalstrengthindex）为地质强度指标；m式中：σs和a为岩体材料参数，由式（6）和式（7）给出。式中，D为节理岩体遭受破坏和应力松弛受扰动程度的参数。对于未受扰动的岩体，D=0；对于严重受扰动的岩体，D=1σ岩体的抗拉强度由式（9）给出（岩石力学里默认压为正，拉为负）。岩体的弹性模量由式（10）给出。根据式（11）和式（12）可以分别求得岩体的摩擦角及内聚力。式中，σ式中，σ′式中：γ为岩体的单位重量，N/m北区岩体力学参数估算时，σ通过计算、整理，西石门铁矿岩体力学参数汇总，见表5，其中泊松比按文献3网络喷击防护参数的确定确定采用锚网喷支护措施后，应选取合理的支护及施工参数，以取得理想的支护效果。3.1掘进掌子面BARTON等式中：RQD为岩体质量指标；J对于质强度指标GSI和Q之间的关系，HOEK等在西石门铁矿北区，掘进掌子面有滴水，部分部位中等水流，取J3.2中央表面活性剂树脂锚杆的锚固力较大，胶凝固化速度快，从而迅速、有效地产生锚固作用，另外其属于端部锚固，锚固力不随表层围岩的剥落而降低。对于北区破碎围岩，树脂预锚杆比管缝式锚杆优越。3.3锚杆直径和钻孔直径选择树脂锚杆进行支护时，“三径（锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷直径）”应合理匹配3.4锚杆、钢筋网安装根据巷道施工要求和施工方便的特点，特拟定支护方案：混凝土厚度10cm，强度等级C20，配合比1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂。选用Ф20mm×2400mm的树脂锚杆，150mm×150mm×8mm的拱型高强度托盘，锚杆间排距为1000mm×1000mm，全断面布置9～10根锚杆，如图2所示。锚杆孔直径为Ф28mm，采用树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于800mm。同排锚杆用钢筋托梁连接，托梁由在两条直径Ф14mm的钢筋之间焊接纵筋制成，钢筋间距为60mm。纵筋位置与锚杆安装间距对应，在锚杆位置左右各焊一个，间距取60mm。托梁长度在拱顶处为2500mm，帮部为2000mm。两相邻的钢筋托梁搭接，利用锚杆压紧搭接的两根钢筋托梁。钢筋网采用Φ6.5mm钢筋焊接，规格为顶板网片2500mm×1800mm，两帮网片2000mm×1800mm，网孔规格为100mm×100mm。网与网的搭接长度不少于100mm，搭接处应采用铁丝绑扎，绑扎点间隔不超过150mm。巷道支护紧随掘进掌子面，爆破出渣后顶板暴露时间不允许超过24h。4支出和健康保护4.1拱架支护下两帮塑性区深度变化按照所设计的锚网喷支护参数，对巷道支护效果进行数值模拟验证，分别模拟无支护、1.4m锚杆（矿山曾使用过1.4m锚杆，但效果不佳）、2.4m锚杆支护条件下塑性区分布情况，结果如图3所示。开挖后不采取支护措施，如图3(a）所示，两帮塑性区最大深度可达1.5m，顶板最大可达1m。这种情况下若用拱架支护，背板后将充填大量碎石。另外，巷道表面未封闭，这种围岩剥落趋势将继续向深部发展，给中深孔凿岩带来不便。开挖后采用1.4m锚杆支护时，如图3(b）所示，两帮塑性区深度有所减少，至1.2m，顶板塑性区最大深度减少至0.8m，范围仍较大。使用2.4m锚杆支护后，虽然两帮塑性区最大深度未进一步减少，但范围明显缩小，顶板塑性区最大深度减少至0.5m，并且影响区域缩小明显，如图3(c）所示。因此，考虑回采时中深孔施工，采用2.4m长的锚杆进行锚网喷支护更适合北区破碎围岩的支护。4.2工具ls:土壤中基本信息锚网喷支护方案与拱架支护方案成本分析见表6和表7。从成本方面看，锚网喷支护方案较拱架支护最少可节约1800元/m，其中拱架支护未计算修复时所需成本。4.3锚网喷支护方案北采区-80m水平下盘联巷岩性为蚀变闪长岩和矽卡岩，原来一直使用直腿拱架支护。在1#穿脉掘进时，按上述方案改为锚网喷支护，锚杆采用管缝锚杆，锚杆长度为2.4m，支护时在液压支柱顶网防护下打锚杆孔。支护后巷道未出现顶板冒落、锚杆掉落现象，见图4。经实践验证，未受采动压力作用的软破围岩部位，使用2.4m长的锚杆进行锚网喷支护可以满足稳定性要求，在此前提下，可节省巷道支护成本1800元/m。5锚网喷支护参数确定1）分析表明，西石门铁矿北区无明显地压作用的矽卡岩和矿体中的巷道使用拱架支护存在过度支护、矽卡岩持续泥化等问题；从支护适度性和便于中深孔施工以及作业环境来看，这类围岩初次支护应立足于锚网喷支护，然后选取合理的支护参数，以取得理想的支护效果。2）基于Q系统选取了锚网喷支护参数，确定西石门铁矿矽卡岩和矿体部位