充填体内巷道永久支护方案的优选及设计

苏 环 蒋宗旋

(山东黄金矿业(莱州)有限公司新城金矿)

充填体内巷道永久支护方案的优选及设计

苏 环 蒋宗旋

(山东黄金矿业(莱州)有限公司新城金矿)

为保证充填体内巷道稳定，给二次资源开采创造条件，须在充填体内成巷后采取有效的永久性支护。分析了充填体内巷道变形特征，借鉴国内外相关领域研究成果，结合新城金矿充填体自身特点，在“技术可行、经济合理”的前提下，提出了符合矿山实际情况的后期支护方法：现浇钢筋混凝土砌碹，并应用太沙基理论对该支护方式的重要参数进行计算，为现场施工提供了技术参考。

充填体 巷道 永久支护 太沙基理论

随着资源的大规模开采，浅部资源逐步减少，而深部资源开采难度大，越来越多的矿山开始关注浅部老采区内的残矿开采[1]。回采这部分资源存在诸多问题，其中最主要的是安全问题。

由于我国使用充填法采矿的矿山很多，特别是黄金矿山，残留矿体多处于充填体内，要回采这部分资源，必须在充填体内掘进巷道。根据充填体力学特征可知，充填体内巷道变形呈现蠕变特征，具有明显的时间效应。初期来压快，收敛变形大，巷道自稳能力很差，如不加支护，很快会发生顶板冒落、边墙弯曲，最终导致巷道破坏。依据“先柔后刚”的支护方式，以适应巷道初期变形量大，后期需要较大支护阻力的特点[2-4]，借鉴国内外相关领域的掘进施工经验，提出了符合矿山实际情况的充填体内巷道后期支护方法。

1 永久性支护

1.1 方案选择的基本原则

(1)充分利用围岩的自身强度。虽然充填体是散体结构，但仍具有一定的承载力，采空区用充填体处理，正是借助了充填体的自承力。因此，进行充填体内巷道的支护设计应充分考虑充填体的自承力，采用主动支护形式，尽量使围岩恢复三向受力状态，以提高其承载强度，尤其是承载拱集中受力的边墙部位，以防止发生剪切破坏。

(2)巷道在预支护作用下发生一定变形后，后期永久支护结构要具有足够的强度，能有效地阻止充填体围岩的过分变形。同时，永久支护应立刻施工，防止围岩弱化而失去自承力。

(3)支护形式要经济合理、工艺简单，既要保证矿体回采结束前巷道的稳定，又要保证施工工艺简单易于掌握、经济合理。

1.2 永久支护

支护在围岩发生一定位移但尚未弱化的时间内进行永久支护，以保证在支护结构不被破坏的情况下提供最小的支护抗力，以满足服务年限的要求。

1.2.1 永久支护方案

国内外研究表明，松软破碎不稳定介质的永久支护，常见的形式有混凝土砌碹、钢筋混凝土砌碹、混凝土砌块、料石拱毛石砌碹等。各种拱形砌碹支架结构类型与适用范围见表1所示。

1.2.2 永久支护方案选择

为实现机械化作业，减轻工人的劳动强度，并保证有较高的强度和耐久性，优先选用现浇混凝土砌碹(如图1所示),虽没有现浇钢筋混凝土砌碹强度高，但在满足巷道支护强度的基础上，经济合算。

图1 现浇混凝土砌碹支护方案

2 支护方案设计

2.1 支护厚度计算

对于软弱破碎岩体以及土体，在埋深很浅的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。太沙基认为，在这种岩体中，坑道开挖后，由于自重应力的作用，坑道两帮发生剪切破坏，形成直达地表的破裂面OC和O′C′并引起岩体柱ABB′A′下沉产生垂直破裂面AB和A′B′，如图2所示。

图2 太沙基理论计算简图

岩柱的下沉将对坑道支架产生均布压力qv，但qv并不等于坑道顶板以上整个岩柱所产生的铅垂应力，因为岩柱ABB′A′必须克服AB和A′B′面上的抗剪力才能下沉。

当埋深不大时，从微积分的观点研究微单元体的平衡，积分后可得到作用在支护结构上的垂直压力值：

(1)

a1=a+Hcot(45°+φ/2) ,

(2)

式中，γ为岩体容重；c为岩体黏结力；λ为侧应力系

数；H1为巷道所处深度；φ为岩体内摩擦角。

当岩体埋深较大时，可以认为：

(3)

太沙基理论全面考虑了岩体工程的尺寸、埋深、岩石的黏结力和内摩擦角等对岩体稳定性的影响。通常情况下，可用该理论进行埋深较浅的压力计算和稳定分析。

2.2 混凝土拱支护厚度的计算

作用在混凝土完整拱结构上的围岩应力可用式(3)确定，由弹性力学可知，结构只受外力，内力为0，结构所提供的支护抗力为：

(4)

式中,d为混凝土拱厚度；τ为混凝土抗剪强度；r0为巷道半径；φ1为混凝土内摩擦角。

混凝土拱所提供的最小抗力应能承受上覆岩层压力，即支护拱结构强度至少等于围岩压力，由ph≥qv可得出混凝土拱最小厚度为：

(5)

为确保安全，对于松散介质进行混凝土拱加固时，根据典型工程经验，取修正系数K(K=1.225～1.250)，所以混凝土拱的安全厚度为：

(6)

经计算，厚度取0.2～0.25 m。

3 结 论

针对充填体内巷道变形特征，提出采用现浇混凝土砌碹支护，并应用太沙基理论对砌碹层厚度进行了计算分析，得出砌碹层厚度取0.2～0.25 m，为现场施工提供了依据。

[1] 于润沧.采矿工程师手册：下册[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[2] 马 光,张小刚,朱 伟.充填体内开挖巷道的数值模拟稳定性分析[J].中国高新技术企业,2012(18):70-71.

[3] 冯盼学,杨小聪,解联库,等.常规支护技术在充填体巷道或硐室中的创新应用[J].有色金属:矿山部分,2014(1):1-4.

[4] 崔 亮.Mouska金矿充填体内部应力分布及强度设计研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2013.

2014-09-12)

苏 环(1989—)，男，助理工程师，261438 山东省莱州市。