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樹(shù)脂錨桿支護(hù)在沙壩土礦的應(yīng)用研究

2011-10-13 03:40:22蒙光林萬(wàn)串串秦二濤
采礦技術(shù) 2011年2期
關(guān)鍵詞:井巷磷礦軟巖

蒙光林,何 濤,萬(wàn)串串,秦二濤

(1.貴州開(kāi)磷集團(tuán), 貴州貴陽(yáng) 550302;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

樹(shù)脂錨桿支護(hù)在沙壩土礦的應(yīng)用研究

蒙光林1,何 濤2,萬(wàn)串串2,秦二濤2

(1.貴州開(kāi)磷集團(tuán), 貴州貴陽(yáng) 550302;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

隨著開(kāi)磷礦山開(kāi)采深度的不斷增加,巷道圍巖表現(xiàn)出的高應(yīng)力軟巖特征越來(lái)越明顯。通過(guò)對(duì)深井高應(yīng)力軟巖巖石變形特征和機(jī)理的研究,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)的方法,成功實(shí)現(xiàn)了用樹(shù)脂錨桿取代管縫式錨桿的支護(hù)問(wèn)題。結(jié)果表明,樹(shù)脂錨桿支護(hù)方式運(yùn)用于開(kāi)磷礦山井巷工程,巷道圍巖的穩(wěn)定性得到大大加強(qiáng),對(duì)于維護(hù)安全生產(chǎn),提高巷道服務(wù)年限和服務(wù)質(zhì)量,解決一段時(shí)期以來(lái)困擾工程施工及維護(hù)的難題有著非常重要的意義。本文以沙壩土礦段為試點(diǎn),結(jié)合開(kāi)拓工程所處紅頁(yè)巖的巖性,綜合考慮樹(shù)脂錨桿的支護(hù)原理,通過(guò)試驗(yàn)論證和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)試的方法,尋求可行的深井支護(hù)方法并加以推廣應(yīng)用。

樹(shù)脂錨桿;深井支護(hù);試驗(yàn)研究;推廣應(yīng)用

1 工程概述

貴州開(kāi)磷礦山的開(kāi)采已經(jīng)有50多年的歷史,隨著開(kāi)采的不斷深入,采礦已從露天近地表的開(kāi)采轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采,目前垂直深度已超過(guò)200 m。相對(duì)淺地表的開(kāi)采而言,深部開(kāi)采時(shí)地壓明顯增大,地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜,井巷的支護(hù)難度逐步加大。長(zhǎng)期以來(lái),開(kāi)磷礦山一直使用管縫式錨桿支護(hù)。在爆破振動(dòng)等的影響下,其后期錨固力會(huì)有所減弱,當(dāng)圍巖發(fā)生顯著位移時(shí),管縫式錨桿會(huì)逐步失去其支護(hù)抗力。尤其是隨著深部井巷工程的開(kāi)拓,巷道圍巖變形加劇,使管縫式錨桿暴露出諸多弊端。從750 m中段3#盤區(qū)斜坡道調(diào)查情況看出,巷道內(nèi)彎幫普遍開(kāi)裂剝落,局部片幫;拱部及外彎幫局部開(kāi)裂剝落,片幫嚴(yán)重;部分地段有冒頂。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程人員與學(xué)者的研究成果可知,地質(zhì)條件的變化是造成錨桿支護(hù)失效的主要原因[1~3]。

目前開(kāi)拓區(qū)域礦體頂板圍巖為白云巖,底板為砂巖和紅頁(yè)巖,根據(jù)礦山的規(guī)劃及采礦井巷工程的布置,大部分開(kāi)拓工程均布置在礦體底板紅頁(yè)巖里。紅頁(yè)巖并不是傳統(tǒng)意義上的地質(zhì)軟巖,但在高應(yīng)力條件下會(huì)發(fā)生明顯的脆延轉(zhuǎn)化,發(fā)生顯著的塑性變形,表現(xiàn)出較明顯的工程軟巖性質(zhì),長(zhǎng)期強(qiáng)度降低,流變特征增強(qiáng)。由于其礦物成分中含有粘土類的蒙脫石等成分,遇水時(shí)發(fā)生明顯的膨脹和軟化,使其工程力學(xué)屬性明顯劣化。其力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

管縫式錨桿與紅頁(yè)巖間的環(huán)向壓力也加劇了紅頁(yè)巖的破碎,因此迫切需要尋找另一種可行錨桿支護(hù)方案。

表1 紅頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)

2 樹(shù)脂錨桿的作用機(jī)理

2.1 樹(shù)脂錨桿支護(hù)原理

樹(shù)脂錨桿支護(hù)后,通過(guò)錨固及其預(yù)應(yīng)力的作用,使錨桿體與圍巖體形成共同體,其支護(hù)原理包括:

(1)擠壓加固作用,在碎裂結(jié)構(gòu)巖體中,以一定方式布置的預(yù)應(yīng)力錨桿群,各錨桿的預(yù)應(yīng)力在錨桿兩端產(chǎn)生1個(gè)錐形壓縮區(qū),并使其互相連接起來(lái),可使松散圍巖形成“自承拱”,提高了圍巖的整體性,有效地控制了圍巖有害變形的發(fā)展,增大了圍巖的穩(wěn)定程度;

(2)組合梁作用,錨桿穿過(guò)層狀巖體,使巖層層面和層理之間的摩擦力增大,將薄巖層組合成厚梁,阻止巖層間的分離、錯(cuò)動(dòng),提高巖層的抗彎剛度和承壓能力;

(3)懸吊作用,錨桿把不穩(wěn)定巖塊吊掛在穩(wěn)定巖體上,限制不穩(wěn)定巖塊的位移,防止其冒落[4~6]。

2.2 支護(hù)承載性能分析

目前開(kāi)磷礦山采用的支護(hù)方式有砌碹、錨噴、錨網(wǎng)、錨桿、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)等幾種。從承壓性能分析可見(jiàn),錨噴網(wǎng)混合支護(hù)在皮帶運(yùn)輸巷或無(wú)軌運(yùn)輸巷中由于斷面利用率高而被采用;管縫式錨桿因時(shí)間長(zhǎng)易失效,錨桿的環(huán)向壓力擠壓紅頁(yè)巖,加速了圍巖的破壞;砌碹支護(hù)作為一種剛性支護(hù),對(duì)頂壓、側(cè)壓較大和底鼓嚴(yán)重的礦井來(lái)說(shuō),適應(yīng)性較差[7]。金屬支護(hù)特別是U型鋼拱架可縮支架,雖然適應(yīng)性很強(qiáng),返修費(fèi)用極低,但由于鋼材價(jià)格高,一次性支護(hù)成本較高。砂漿錨桿支護(hù)效果較好,但在砂漿沒(méi)有硬化時(shí),錨桿不能及時(shí)承載,而且從目前的施工工藝來(lái)看,砂漿錨桿的孔內(nèi)砂漿充填率只有50% ~60%[8,9],達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。而如果采用抗拉、抗彎、抗壓強(qiáng)度和錨固力都較大的樹(shù)脂錨桿代替管縫式錨桿,能在幾分鐘內(nèi)獲得較高的初錨力,故可用在各種不同的巖層中,而且沒(méi)有環(huán)向擠壓力,對(duì)圍巖破壞小。綜合考慮,樹(shù)脂錨桿在支護(hù)承載性能方面是最優(yōu)的。

3 樹(shù)脂錨桿的的工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 樹(shù)脂錨桿的構(gòu)成

圖1 樹(shù)脂錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

樹(shù)脂錨桿由桿體、托盤和樹(shù)脂藥卷組成。目前采用的錨桿體材料為直徑20 mm螺紋鋼,桿體長(zhǎng)2.0~2.5 m,插入孔底的一端做成反麻花狀;托盤為150 mm×150 mm×6 mm的拱形金屬托盤,根據(jù)需要配用調(diào)心墊圈,保證其與圍巖的緊密接觸;樹(shù)脂藥卷由樹(shù)脂固化劑、加速劑和填料等材料配制而成,規(guī)格型號(hào)為MSCK2550。

3.2 樹(shù)脂錨桿的施工工藝

根據(jù)生產(chǎn)工作面的特殊環(huán)境,針對(duì)開(kāi)拓巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)的工藝特點(diǎn),結(jié)合臺(tái)車打眼、裝藥放炮、錨網(wǎng)噴漿、出碴等生產(chǎn)組織的工藝要求,以及在班組實(shí)施的難易程度,制定出開(kāi)拓工程中樹(shù)脂錨桿的施工試驗(yàn)方案。

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定錨桿孔位,用MQT-130/2.8-C錨桿機(jī)打孔;

(2)用壓風(fēng)管伸入孔底,吹凈巖粉或采用鉆孔水清洗鉆孔,保證眼孔干凈清潔;

(3)裝錨固劑,將錨固劑裝入孔底,用錨桿頂住開(kāi)始攪拌,攪拌的時(shí)間按照錨固劑型號(hào)和生產(chǎn)廠商規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行,攪拌完畢,卸下攪拌機(jī)具,達(dá)到凝固等待時(shí)間后,卸下攪拌聯(lián)接頭,裝上墊圈、錨盤、擰緊螺母,或者將裝上錨盤、墊圈、螺母的錨桿插入眼孔中進(jìn)行攪拌,達(dá)到凝固等待時(shí)間后即可。

樹(shù)脂錨桿巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)

檢測(cè)的溫度條件為22℃,井下的常溫環(huán)境為18~22℃,符合測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。錨固力測(cè)定按照錨桿直徑的15倍錨固長(zhǎng)度測(cè)定,根據(jù)錨桿直徑計(jì)算本試驗(yàn)的錨固長(zhǎng)度為37.5 cm,有關(guān)參數(shù)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、表3。其中表3的錨固力是采用SW-300錨桿拉拔儀進(jìn)行拉拔試驗(yàn)后得出的平均數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)試地點(diǎn)及操作參數(shù)

表3 兩種類型樹(shù)脂錨桿的參數(shù)

3.4 樹(shù)脂錨桿與管縫式錨桿對(duì)比

試驗(yàn)的樹(shù)脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術(shù)參數(shù)比較見(jiàn)表4。

表4 兩種錨桿的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

從技術(shù)上分析,樹(shù)脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的2倍以上,而且孔徑要求小,材質(zhì)質(zhì)量高,對(duì)要求服務(wù)年限長(zhǎng)、支護(hù)質(zhì)量高的井巷工程有著非常重要的意義。從經(jīng)濟(jì)上分析,開(kāi)磷礦山每年要新增近20000 m巷道,老巷道的維護(hù)和整改費(fèi)每年不低于百萬(wàn)元以上,而且逐年在增加,采用新工藝樹(shù)脂錨桿支護(hù),可以節(jié)約維護(hù)成本。具體而言,樹(shù)脂錨桿含施工費(fèi)每套44元,比管縫式錨桿含施工安裝費(fèi)每套39元增加成本5元/套,按開(kāi)拓工程6000 m/a計(jì)算,每年成本增加33萬(wàn)元,但是每年巷道的凈整改維修費(fèi)就超過(guò)100萬(wàn)元以上,在成本節(jié)約上具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從安全上分析,樹(shù)脂錨桿支護(hù)方式大大增加了巷道的安全可靠性,提高巷道的服務(wù)年限,改善了工作環(huán)境。

3.5 樹(shù)脂錨桿使用及效果評(píng)價(jià)

樹(shù)脂錨桿的試驗(yàn)運(yùn)用首先在沙壩土礦2#盤區(qū)石門,后在主水倉(cāng)、640中段大巷工程等處實(shí)施,井下支護(hù)效果明顯,從樹(shù)脂錨桿支護(hù)錨噴的巷道來(lái)看,巷道變形破壞明顯減小,穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。從樹(shù)脂錨桿的試用情況和錨桿的整體受力分析來(lái)看,此錨桿是一種性能較好的錨桿,錨固力大、錨固及時(shí)、成本低、供貨方便,對(duì)開(kāi)磷來(lái)說(shuō)是一種較好的錨桿換代產(chǎn)品。樹(shù)脂錨桿能適應(yīng)開(kāi)磷礦山的地質(zhì)條件,在井巷施工中有較大的推廣意義,并具有很好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

3.6 樹(shù)脂錨桿的推廣

通過(guò)近兩年的不斷探索,在開(kāi)拓巷道工程中試驗(yàn)論證,再試驗(yàn)再論證,總結(jié)出了適應(yīng)磷礦山井巷工程樹(shù)脂錨桿支護(hù)的施工工藝、支護(hù)參數(shù),培養(yǎng)出了一支掌握該技術(shù)及操作方法的施工隊(duì)伍。樹(shù)脂錨桿支護(hù)工藝目前已全部推廣應(yīng)用到公司的開(kāi)拓工程中,已取得了明顯的支護(hù)效果,今后還要不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn),將該種方法應(yīng)用到更多的工程和領(lǐng)域中去。

[1] 李 凝,楊玉華.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)調(diào)研[J].煤炭工程,2003,(8).

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2010-11-16)

蒙光林(1971-),男,貴州貴陽(yáng)人,碩士,工程師,主要從事地下礦山井巷支護(hù)、地壓控制等方面的研究工作,Email:menggl120@sina.com。

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