高强预应力锚杆在金属矿山的应用

高强预应力锚杆在金属矿山的应用

司杰赵广阔

安徽太平矿业有限公司安徽淮北235115

摘要：本文详细介绍了高强预应力锚杆支护在金属矿山高应力条件下的支护作用机理，并结合安徽太平矿业-300中段主运巷4-5线绕道高应力条件下施工实践，对金属矿山高应力的支护进行了有益的探索。

关键词：高强预应力锚杆；金属矿山高应力；锚杆支护

一、矿井支护现状和地质概况

安徽太平矿业有限公司（前常铁铜矿）是中国黄金集团公司在安徽省内唯一控股公司。位于安徽省淮北市濉溪县四铺乡境内，设计年产量90万吨。矿区岩石受岩浆岩的侵入吞蚀，地层残缺不全，多呈半岛状、岛状捕虏体的形态存在闪长岩体中。受后期构造影响，矿区断裂发育，地层产状受到破坏，围岩蚀变作用显著。矿体顶底板岩石多为矽卡岩、蛇纹岩、各种蚀变的闪长玢岩，大理岩次之。矽卡岩类（蚀变岩）常为矿体的直接顶、底板，其形态及范围受接触构造控制，暴露后，遇水易崩、碎化、膨胀，甚至在无淋水的条件下，矽卡岩吸收空气中的水分，也不断崩解、膨胀，岩体稳固性极差。从-530m以上中段开采过程验证，大部分工程地质条件较差，矿井巷道支护率90％以上。经过几年的采掘实践，矿山在巷道及采场进出路支护方面，已摸索出一些经验。针对不同的矿岩条件，相应采取了喷、锚、挂网及钢支架等不同的支护形式。目前，井下运输巷道支护主要采用的简易锚网喷支护，局部采用梯形钢支架背板支护。在各中段，运输巷道虽然进行了简易锚网喷支护，但地压显现严重，局部发生了底鼓，多处发生巷道侧帮膨出变形。持续的膨出变形常导致巷道围岩片帮塌落而无法采矿，甚至造成安全生产事故，需要及时治理，重复支护。巷道修复率高达60%以上，这表明，当前的支护方式并不能有效限制围岩的变形、维护巷道的稳定。重复支护不仅需要投入更多的人力、物力、财力，更耽误了井下生产，增加吨矿生产成本，直接影响企业的生存与发展。这种支护方式在矿井中深部影响会更加突出。解决该问题需要建立科学合理的巷道支护设计体系，避免过度支护或不当支护显得尤为重要。

二、巷道支护设计

高强预应力锚杆支护技术是以左旋无纵筋预应力螺纹锚杆为主，废旧钢丝绳编网（网孔200毫米的方孔），小孔径高强预应力锚索，采用多层次多种组合形成的支护方式，它采用专用高效风动锚杆钻机及快速安装螺母实现钻锚一体化。能实现及时主动支护，具有高强度、高预紧力、高可靠性。

（1）、支护机理

按照巷道围岩加固拱与围岩松动圈理论。

a、高强预应力锚杆支护是以维护和利用围岩自身承载能力为基点，主动快速的对围岩进行支护，控制围岩的松弛变形，使围岩成为支护体的组成部分，通过锚入围岩内部的杆体与围岩的相互作用，通过高预紧力，改变围岩的力学状态，由两向应力状态恢复为三向原始应力状态，在巷道周围形成一个整体而稳定的承载层（环），使荷载变为承载体，形成围岩、锚杆整体承载结构，达到维护巷道的目的。

b、编制钢丝绳网的作用是增大锚杆与围岩的接触面积，对锚杆间围岩体施以约束，有效控制锚杆间区域围岩的破坏脱落，减缓阻止巷道围岩的进一步扩容离层，提高巷道围岩的稳定性。同时通过二层次锚杆钢丝绳网支护对巷道围岩形成二次组合拱加固补强作用，保证围岩整体稳定，避免一次锚杆失锚现象的发生，以形成有效的支护组合体系。

c、锚索以它的大锚深高预紧力，除具有锚杆支护作用外，还具有对顶板（围岩）进行深部锚固而产生的强力悬吊作用，为特殊离层地段起到起到高效补强支护作用。

d、开挖卸压槽的目的是释放深部围岩对松动支护圈的压力，缓解围岩对松动支护圈的破坏，更好的保持支护圈的稳定，同时为后期施工注浆锚杆创造裂隙条件。

e、施工注浆锚杆的目的主要是对松动支护圈进行浇筑加固，使之形成稳固的浇筑整体，抵御高应力对巷道的动态破坏。

综上所述，高强预应力锚杆支护技术是一种主动支护体系，由于锚杆钢丝绳网具有一定的延伸性，允许围岩的适度变形，具有让压增阻，增阻快、阻力高的特性。是一种高强度柔性主动支护方式，能适应深井、高地压、高围岩变形的力学特性，能最大限度的与围岩共同作用，控制围岩的变形破坏，保证巷道的稳定，满足安全生产需要。

三、实验巷道选择

（1）-300中段主运巷4-5线支护方式为简易锚网喷支护，巷道矿压显现明显，挤压变形严重，每年多次修复，为此，生产技术部有意识的设计具有代表性复杂巷道进行试验，该设计巷道距离4-5线运输巷为30米，绕道设计长度119.32米。该工程段穿过4-5线大理岩岩体、闪长岩体及其接触带，处于37-7#矿体西北端部，其主要岩石情况：大理岩，完整性较好，相对稳固，属于Ⅱ类稳固岩体；接触带附近的矽卡岩化闪长岩体蚀变强烈，构造滑面较多，易垮落，稳固性极差，稳固系数属于Ⅴ类；靠近5线的闪长岩体裂隙发育，整体稳固性较差，稳固系数属于Ⅳ类。

（2）、支护设计参数

-300中段4-5线绕道，巷道设计净宽2.4m，净高2.4m，三心拱断面。锚杆布置方式：株距×排距＝800㎜×800㎜。

1、锚杆规格为：锚杆长度：1800mm，直径：Φ18mm。

2、锚索规格为：长度：6500mm，直径：Φ17.5mm。

3、钢丝绳网：间排距400mm×400mm，即主绳（为2股钢丝绳）间排距800mm×800mm，主绳间串一道单股绳（副绳），整个钢丝绳间排距离为400mm×400mm。

4、泄压槽：宽×深=400mm×400mm。

5、喷浆：素喷40mm，第二次喷厚90mm。

6、锚杆采用中速树脂锚固剂2卷，锚索采用4卷。

7、局部特殊地段施工锚索进行补强支护，锚索长度6500mm，托盘规格400㎜×400㎜。

四、支护工艺流程

交接班安全确认→迎头打眼→放炮→出渣→找顶和敲帮→进行危石的处理→立即进行素喷浆→一层次喷浆厚度大于40㎜；（以混凝土第一喷层作为临时支护，即控制围岩）→进行打一层次锚杆→进行一层次挂绳→进行二层次喷浆（二层次喷浆可2～3个循环进行统一进行）→二层次锚杆→二层次挂绳→三层次喷浆→开挖泄压槽→回填泄压槽→施工注浆锚杆→中顶每隔5米施工一根锚索进行补强等支护工艺的进行

五、巷道支护效果

-300中段4-5线绕道实验巷道自2017年12月25号开工至2018年6月7号贯通，历时五个半月。为了掌握锚杆支护巷道围岩活动规律、支护效果，为今后进一步改进和优化锚杆支护参数提供第一手资料，在巷道掘进过程中对围岩表面位移量进行监测，监测采取截面四边形移近量监测，每隔10米建立一个检测组，监测显示掘进60d后，两帮相对移近量综合小于20mm，顶底板相对移近量小于30mm，120d后两帮相对综合移近量小于30mm，顶底板移近量小于35mm，并趋于稳定，。巷道基本不需维修。因此，采用高强预应力锚杆+锚索联合支护能有效的阻止巷道离层、控制围岩变形。

六、结束语

（1）、高强预应力锚杆在-300中段4-5线绕道应用的成功，为太平矿业中深部支护技术研究提供了成功的范例，具有一定借鉴意义。

（2）、采用高强预应力锚杆、锚索、钢丝绳网联合支护，既加固了围岩，又给高强预应力锚杆提供了可靠的着力基础，提高了岩层的自承和承载能力，有效地控制了巷道围岩的早期离层和动压的剧烈影响，可满足围岩变形激烈、松动范围大、受动压影响巷道的支护要求，是刚柔并济的主动支护形式。

（3）、高强预应力锚杆加锚索组合支护，打破以往顶板差、砂浆锚杆锚固效果差、锚杆失效的惯例，取得了更为明显的效果，改变了传统金属矿山砂浆锚杆的支护观念具有很强的变革意义。