黃 丹 于世波 秦秀山 陳 何 王 昌 趙瑤瑤

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.山西華興鋁業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋁土礦資源在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著較大的作用。山西呂梁地區(qū)鋁土礦礦體呈層狀、似層狀緩傾斜賦存，礦體平均厚度不足2.8 m；直接頂板以黏土巖為主，老頂以泥巖、砂巖為主[1-3]。直接頂板松軟、不穩(wěn)固，通常留礦護(hù)頂，但受爆破損傷和頂板不整合接觸的影響，頂板管縫式錨桿支護(hù)失效，面臨頂板失穩(wěn)垮冒的安全風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)許多研究者針對(duì)軟弱巖巷道掘進(jìn)、頂板支護(hù)及監(jiān)測方面做了大量研究工作，并取得了一定的研究成果[4-9]。本文以山西某鋁土礦為例，開展了鋁土礦黏土巖類破碎頂板支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程地質(zhì)條件分析

留礦護(hù)頂層鋁土礦巖石堅(jiān)硬，但節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量為Ⅳ級(jí)，巖體質(zhì)量較差。圖1-a可知，隨頂板冒落的鋁土礦礦體呈現(xiàn)碎塊狀。頂板黏土巖單軸抗壓強(qiáng)度8.5～14.0 MPa，自下而上頂板黏土巖層位又可分為軟質(zhì)黏土巖和硬質(zhì)黏土巖，黏土巖巖體質(zhì)量為Ⅴ級(jí)，頂板垮冒后黏土巖頂板以大塊形式逐漸軟化失穩(wěn)(圖1-b)，進(jìn)一步擴(kuò)大冒落范圍。

通過對(duì)鋁土礦及頂板軟質(zhì)黏土巖、硬質(zhì)黏土巖進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡分析(SEM)可知：鋁土礦主要成分為水鋁石和剛玉，不含黏土礦成分；頂板軟質(zhì)黏土巖微裂隙極為發(fā)育，樣品中最大寬度為27～37 μm，孔洞發(fā)育，主要成分是高嶺石，支護(hù)錨固段位于該層位時(shí)錨固黏結(jié)能力或摩擦力有限，高嶺石遇水膨脹屬于膠體膨脹機(jī)制；頂板硬質(zhì)黏土巖微裂隙發(fā)育，寬度2～4 μm，主要成分為高嶺石和云母，巖石內(nèi)部有大塊黃鐵礦點(diǎn)狀分布，云母呈長條狀大塊分布。

礦區(qū)水文地質(zhì)類型是簡單，以裂隙含水層充水為主。根據(jù)礦山巖石力學(xué)試驗(yàn)、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及巖體參數(shù)的計(jì)算，該礦區(qū)主要巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

圖1 巖體宏觀結(jié)構(gòu)分析Fig.1 Macrostructure analysis of rock mass

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2 采場巷道變形破壞特征及支護(hù)方案力學(xué)機(jī)制

該鋁土礦區(qū)巷道以脈內(nèi)掘進(jìn)為主，巷道穩(wěn)定性差，部分巷道在掘進(jìn)一段時(shí)間后發(fā)生冒頂現(xiàn)象。本文應(yīng)用FLAC3D模擬了巷道在不支護(hù)條件下的變形破壞過程[10-12]，如圖2所示。

巷道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，在頂板幫角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；剪應(yīng)力場形成后，巷道的護(hù)頂?shù)V層容易引起剪切破壞，破壞了頂板特別是頂板黏土巖的自穩(wěn)性，進(jìn)而誘發(fā)冒頂現(xiàn)象，冒頂嚴(yán)重時(shí)甚至誘導(dǎo)深處的互層砂泥巖發(fā)生破壞。通過分析巷道位移場的變化、塑性區(qū)的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程的變化，發(fā)現(xiàn)巷道破壞是一個(gè)復(fù)雜的變形過程：巷道開挖→圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變→頂板淺部圍巖變形未能有效控制，淺部圍巖出現(xiàn)塑性松動(dòng)圈→頂板淺部巖體開始滑移冒落→頂板深部黏土巖加速失衡→頂板深部冒頂失穩(wěn)破壞，直至巷道最終發(fā)生大規(guī)模冒頂。巷道頂板是關(guān)系到鋁土礦巷道穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵部位。

圖2 未支護(hù)條件下巷道破壞過程數(shù)值分析Fig.2 Numerical analysis of roadway failure process without support

3 支護(hù)方案選擇與設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案選擇

根據(jù)采場巷道變形破壞特征，結(jié)合巷道工程地質(zhì)條件(圖3)，支護(hù)方案選擇同時(shí)考慮以下原因：

冒落拱1—巷道幫壁穩(wěn)定時(shí)計(jì)算所得冒落拱；冒落拱2—巷道幫壁不穩(wěn)時(shí)計(jì)算所得冒落拱圖3 采場巷道頂板巖體與支護(hù)系統(tǒng)關(guān)系圖Fig.3 The relationship between roof rock mass and support system in stope

1)該鋁土礦直接頂板為黏土巖，厚度0.5～7.5 m，平均厚度4.5 m。一般錨桿的長度小于2.5 m，錨桿施加后，錨桿整體位于冒落拱內(nèi)，錨桿支護(hù)效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證；

2)黏土巖強(qiáng)度較低，樹脂錨固劑與黏土巖黏接作用不明顯，在錨桿施加預(yù)緊力到一定程度后，有可能發(fā)生錨桿從黏土巖中拖出現(xiàn)象；

3)錨桿長度較小，整根錨桿可能處于頂板的拉應(yīng)力惡化區(qū)內(nèi)，施加預(yù)緊力后容易導(dǎo)致頂板整體下冒；

4)鉆孔施工過程中，內(nèi)部黏土巖段由于強(qiáng)度低、遇水泥化，成孔后容易形成擴(kuò)大體，但樹脂藥卷錨固劑無法將鉆孔內(nèi)部有效填充，錨固力或不足。

針對(duì)該鋁土礦頂板的破壞特征，結(jié)合圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)，提出兩種主動(dòng)管控頂板的支護(hù)方案：1)方案1，錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯；2)方案2，錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯。兩種方案的主要區(qū)別在于前者錨桿采用直徑22 mm、長2.2 m的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，后者采用直徑15.24 mm、長7 m的鋼絞線。

3.2 支護(hù)方案模擬對(duì)比

兩種支護(hù)方案進(jìn)行建模對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 兩種支護(hù)方案建模Fig.4 The models of two support schemes

1)變形場模擬對(duì)比分析

通過圖5可以看出，采用方案1支護(hù)后，頂板仍然產(chǎn)生較大變形量，最大下沉量達(dá)到130 mm；而采用方案2支護(hù)后，頂板最大下沉量僅為14 mm，方案2對(duì)于頂板的控制作用較為明顯，滿足巷道整體穩(wěn)定性的要求。

2)應(yīng)力場模擬對(duì)比分析

通過圖6可以看出，采用方案1支護(hù)后，豎向應(yīng)力產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.2，比無支護(hù)工況下的應(yīng)力集中情況更為顯著，在巷道的四個(gè)邊角產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中，表明方案1的支護(hù)對(duì)于應(yīng)力場的改變不明顯，甚至更為惡化。采用方案2支護(hù)后，豎向應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，錨索借助深部圍巖強(qiáng)度對(duì)于巷道頂板的支護(hù)作用使得巷道圍巖的受力狀態(tài)更為均衡。

圖5 變形場模擬對(duì)比Fig.5 Simulation comparison of deformation field

圖6 應(yīng)力場模擬對(duì)比Fig.6 Simulation comparison of stress field

3)塑性區(qū)模擬對(duì)比分析

圖7可以看出，采用方案1支護(hù)的巷道，護(hù)頂?shù)V仍然處于塑性區(qū)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中，即錨桿支護(hù)后護(hù)頂?shù)V仍會(huì)產(chǎn)生掉塊甚至冒頂現(xiàn)象；采用方案2支護(hù)后的巷道頂板的塑性區(qū)隨著時(shí)間的推移逐漸恢復(fù)到了彈性工作狀態(tài)，錨索支護(hù)后的頂板穩(wěn)定性較好。

4)支護(hù)體受力模擬對(duì)比分析

通過圖8可以看出，采用方案1錨桿的受力只有20 kN，未能發(fā)揮錨桿應(yīng)有的支護(hù)作用，說明錨桿的錨固段無法與黏土巖產(chǎn)生有效黏結(jié)，錨固效果差，對(duì)于頂板的支護(hù)效果也較差；采用方案2支護(hù)后，錨索受力達(dá)到131 kN，充分發(fā)揮了錨索的懸吊作用和老頂泥砂巖的強(qiáng)度，對(duì)于頂板的控制作用明顯。

圖7 塑性區(qū)模擬對(duì)比Fig.7 Simulation comparison of plastic zone

圖8 支護(hù)體受力模擬對(duì)比Fig.8 Simulation comparison of support body stress

通過以上對(duì)比分析可知，方案1中錨桿布置在冒落拱內(nèi)，且黏土巖的錨固效果較差，因此無法有效控制頂板變形。方案2采用以錨索為主，支護(hù)體系的受力合理，能夠有效控制頂板變形，巷道周邊的圍巖應(yīng)力得到有效改善，塑性區(qū)得到有效控制，因此，針對(duì)該鋁土礦黏土巖類直接頂板的典型巷道采用以錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯為主的支護(hù)技術(shù)合理、有效，能夠?qū)崿F(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖在支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)剛度和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的耦合。

3.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在確定支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，支護(hù)設(shè)計(jì)如圖9所示，具體參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整。

4 現(xiàn)場實(shí)施

開展支護(hù)實(shí)施效果如圖10。應(yīng)用JSS30A數(shù)顯式收斂儀對(duì)巷道留礦護(hù)頂層的位移情況進(jìn)行監(jiān)測，反映上部巖層整體下沉的變化情況，監(jiān)測設(shè)置如圖11。

通過近一個(gè)月的監(jiān)測曲線(圖12所示)可以看出，在巷道測點(diǎn)處收斂速率較小且穩(wěn)定，巷道斷面累積收斂值為0.32 mm，相對(duì)于斷面尺寸，收斂量非常小，說明支護(hù)后的巷道頂板穩(wěn)定性較好，滿足礦山使用要求。

5 結(jié)論

1)鋁土礦層狀直接頂板黏土巖類礦物成分以高嶺石、伊利石為主，微裂隙較發(fā)育；礦體的直接頂板強(qiáng)度低，嚴(yán)重制約巷道支護(hù)方式的選擇。典型巷道的變形破壞特征以破碎鋁土礦冒落帶的頂板低強(qiáng)度黏土巖冒頂為主要特征。

2)基于鋁土礦層狀黏土巖類破碎頂板的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件分析了原支護(hù)下的巷道變形破壞過程，得出了巷道變形力學(xué)機(jī)制；根據(jù)變形力學(xué)機(jī)制，制定了兩種支護(hù)方案并進(jìn)行模擬對(duì)比分析，確定了典型巷道錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯的支護(hù)方案。錨索深部端錨入老頂，施加預(yù)緊力使頂板表面敷設(shè)的鋼筋梯、網(wǎng)片與錨索形成整體，聯(lián)合發(fā)揮懸吊、預(yù)緊、防護(hù)的一體化支護(hù)能力，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)施表明以錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼筋梯為主體的耦合支護(hù)技術(shù)能夠滿足鋁土礦黏土巖類巷道的支護(hù)要求。

圖9 錨索鋼帶+鋼筋網(wǎng)耦合支護(hù)方案設(shè)計(jì)圖Fig.9 Design of anchor cable steel belt+steel mesh coupling support scheme

圖10 現(xiàn)場支護(hù)實(shí)施Fig.10 Field support construction

圖11 現(xiàn)場支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)監(jiān)測Fig.11 On-site support industrial test monitoring

圖12 斷面監(jiān)測曲線圖Fig.12 The curve of section monitoring