深部软岩耦合支护在上盘极破碎采场中上盘维护的研究与应用

张虎 杨晓东 王成 李强 许道学

摘 要：赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿5#脉矿体中节理裂隙比较多，岩石较破碎，矿体赋存条件复杂，矿体上盘为构造破碎带，采场施工过程中顶板及上盘围岩容易出现大面积塌落使采场矿量无法完全采出及采场贫化的情况。同时，随着回采深度的增加，其地应力大、围岩岩性差等不良条件而成为了采场及上盘围岩支护中的难题。传统的联合支护方法仅将各种支护体进行简单的叠加，没有充分考虑支护体的支护机理、围岩内部积蓄的能力的释放以及围岩自承能力的发挥，从而难以实现支护体与围岩在强度、刚度以及结构上的耦合作用。因此为了有效避免上盘围岩坍塌存在的安全隐患及降低采场贫化率，提高采场安全系数，提出在5#脉矿体采场上盘采用耦合支护技术。

关键词：柴胡栏子金矿；采场上盘；锚索；耦合支护

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0121-02

1 地质概况与开采技术条件

1.1 矿体形态及特征

五中段、六中段、七中段、八中段、九中段、十中段5#矿体形态在平、剖面上可知矿体呈脉状，矿体的产状：根据2012年钻探资料，工程控制矿体倾向225°，最大倾斜延深560m，走向315°，平均走向长165m。矿体总体真厚度0.84～8.72m，平均厚度4.37m，厚度变化系数55.93%。

1.2 矿化特点及矿石类型

矿石的自然类型主要有：含金石英脉型矿石、蚀变闪长岩型矿石及含石墨绢云母化蚀变岩型矿石（包括黑云母石榴石矽卡岩），并以后者为主。矿石结构主要有晶粒结构和碎裂结构，其次为填隙结构，并见少量的乳浊结构，浸蚀结构和残余结构。矿石构造以块状构造和浸染状构造为主，其次为条带状构造，另有少量的斑杂状构造。

1.3 岩石及構造地质条件

岩石总体上看比较破碎，从目前揭露的坑道看，由于掘进断面较小，部分地段不需要支护，自然成巷，但局部地段岩石破碎、裂隙发育，需支护，特别是矿体上盘更易塌落。主要构造为矿体上盘有几十厘米到3米的糜棱状且柔软的断层泥。靠近断层泥附近的岩石和分布在矿体中的裂隙，尤其裂隙密集出现时，容易冒顶和片帮，应及时采取安全防护措施。

2 回采及采场支护现状

随着年生产任务和3#盲竖井提升量的增加，七中段、八中段、九中段、十中段将作为主力生产中段提供足够的矿量。由于5#脉矿体矿岩均较为破碎，采场顶板安全将成为制约生产组织的主要因素之一。

随着开采水平深度的增加，采场所受地压随之增大，矿体顶板上盘围岩稳固性极差，回采过程中均需使用圆木、螺旋支柱辅助管缝式锚杆、锚网进行联合支护，以保证顶板及两帮安全。局部顶板破碎或裂隙发育地段，辅助施工木立柱、锚网、喷浆等支护方式进行安全防护。

2.1 锚杆-网支护

锚杆为管缝式锚杆，长度1.8m，呈梅花形布置，要求垂直节理面，网度为1.0m×1.0m。

2.2 木立柱支护

采场内每隔3.0m施工木立柱，要求木立柱直立，不得斜撑，部分破碎区域适当增加木立柱支护密度。

3 主要研究内容及应用效果

3.1 耦合支护机制概述

对于深部软岩巷道的支护问题，因其地应力大、围岩岩性差等不良条件而成为巷道支护中的难题，而大量的工程实践也表面，单一的支护形式在该种巷道中是不可行的，因此需采用多种支护方式相互配合、共同承载，以限制围岩的不良变形而实现巷道的稳定。采用多种支护方式进行支护时，并不是简单的将各支护体进行叠加，而是需考虑各支护体的支护机理，通过合理的支护设计，使围岩内部积蓄的能力得到释放、围岩自承能力充分发挥，各支护体均能够优势互补且各自发挥较好的支护效果，即实现耦合支护。

通过参照软岩变形力学机制，耦合支护的思想认为合理的支护设计应有充分的柔度以释放围岩应力，有足够的刚度以限制围岩的有害变形发展，同时使围岩应力分布均匀、变形连续，即在强度、刚度以及结构方面均要达到耦合，如图1所示。

3.2 主要研究内容

3.2.1 锚索支护作用机制分析

锚索作为一种主动支护方式是在一般锚杆的基础上发展起来，尤其适用在赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿埋深较大、易出现应力集中现象以及围岩岩性较差自稳能力弱的5#脉矿体采场上盘软岩地层中。该种地层在构造应力的作用下，塑性区范围一般较大，所需的支护强度亦较高，若采用一般的锚杆或刚性被动支护，则很难提供足够的支护强度，最终导致巷道整体失稳破坏。而锚索材料一般采用钢绞线，其抗拉强度比锚杆大的多，且锚索在长度上具有很大的优势，可以穿过破碎带以及塑性区，锚固在深部稳定岩层中，同时施加较大的预紧力可以形成明显的主动支护，较好地控制围岩的变形。

5#脉矿体采场上盘支护设计时，由于围岩变形量较大，若围岩暴露后即施加锚索支护，围岩内部应力得不到有效的释放，则锚索应力很快达到极限而发生断裂或者滑移，最终导致支护失效。根据锚杆的支护机理，其本身属于柔性支护，在塑性区范围较大时，锚杆的长度很难达到塑性区范围以外，支护作用主要显现为组合拱，而该组合拱在承受围岩压力时，允许其产生较大的变形从而达到充分释放围岩内部应力的效果，待围岩应力释放充分时再施加锚索，利用其较大的支护刚度与强度，可以较好地限制围岩的变形，达到较好的支护效果。

上述锚索的支护机理主要体现为悬吊作用，采用锚索与锚杆联合支护，实质上是利用锚索将锚杆与围岩形成的组合拱固定在上部稳定岩层中，将浅部围岩应力引到深部岩体中，实现应力转移以充分发挥围岩的自承载能力。

从图中可以看出，锚索的布置对松动圈岩体起到很好的控制作用，将上盘软岩与上盘硬岩体连接为一体，有效地控制采场顶板下沉以及上盘收敛变形，锚索支护深度大，可以提供较大锚固力大与预紧力，尤其适用于深部软岩中，围岩松散时较大的预紧力可以很好地提高围岩的力学参数，使围岩内部的裂隙闭合，增加不连续面之间的摩擦力，对于岩体的强度、粘聚力以及内摩擦角等均有很好的提高作用；同时在巷道容易出现应力集中的区域，通过施加锚索可以使围岩应力区域均匀，避免局部应力集中破坏而导致巷道整体失稳。

赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿5#脉采场上盘采用的锚索为端锚形式，在锚索-围岩耦合作用时，可以将全长无黏结锚索和围岩分别视为相当独立的元件体，然后将两者通过代表锚墩结构的刚性板连接成一个整体元件模型。

3.2.2 长锚索支护设计方案

在当前采场采幅条件下上盘虽能保证小范围自立，但无支撑作用，采场顶板易发生大面积破坏。在不增加成本的条件下，如要进一步降低采矿综合成本，首先要降低采場贫化率，最有效的途径是通过对采场上盘进行加强支护，提高生产效率，降低采矿直接成本。

3.3 锚索支护参数确定

结合赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿开采技术条件和凿岩设备能力，锚索支护参数确定如下：

（1）锚索长度。锚索长度视矿体形态及上盘稳定岩层的位置而定，但要保证锚索穿过上盘软弱带，进入稳固岩层。同时矿体上盘分层交错布置，结合现场情况锚索采用φ=17.8mm，长度可确定为6.0m的钢绞线。（2）锚索间距。采用锚索-网片-钢带支护，锚索间排距各1m，如图2所示。

3.4 应用效果

采用耦合支护技术技术后，由于锚索长度大，能够锚固在稳定的岩层中，锚索可施加高预紧力，对岩层施压成拱，限制围岩的变形，确保围岩的稳定性；采场的上盘安全条件有了极大的改观。两帮围岩垮落的现象也大幅度减少，极大的降低采场品化率，增加采场安全系数。下边一组图片为38506采场上盘锚索效果图。

4 主要创新点

4.1 采场上盘首次采用锚索-网-钢带耦合支护技术

首次将锚索-网-钢带耦合支护技术应用到采场上盘破碎围岩维护，并通过不断调整参数使采场上盘破碎围岩形成稳固整体。

4.2 减小了爆破震动对采场上盘围岩的破坏，降低采场贫化率

采用锚索-网-钢带耦合支护技术后，上盘围岩垮塌情况明显减少，减少了采场顶板出现大面积塌落的概率，降低采场品化率，提高作业人员安全系数。

4.3 为深部中段上盘破碎矿体的回采提供了有效的技术支撑

解决5#脉矿体采场回采过程中如何保证顶板及上下盘围岩稳定问题的同时，并未增加作业难度，且锚索-网-钢带耦合支护技术具有推广使用价值。为赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿深部上盘破碎矿体的安全高效回采提供了有效的技术支撑。

5 经济效益及技术创新意义

（1）锚索-网-钢带耦合支护技术推广应用，减轻了爆破震动对采场顶板及上盘围岩的破坏，减少了采场上盘围岩塌落造成的二次贫化，将贫化率由17.8%左右降低至11.2%左右，确保了入选品位，降低了选冶成本。同时，避免了因采场施工区域顶板大面积塌落造成矿体难以回采。该技术使用后共为企业创造经济效益143.91万元。（2）锚索-网-钢带耦合支护技术的使用减小了爆破震动对采场顶板及上下盘围岩的破坏，降低了赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿深部破碎难采矿体回采过程中的安全隐患，降低贫化率，提高了回采效率，充分贯彻了山东黄金集团公司各项安全理念的要求。（3）赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿八中段、九中段、十中段5#脉矿体正开始进行大规模回采，该中段矿体上盘极为破碎，从目前已经开始回采的部分采场可以看到，采用锚索-网-钢带耦合支护技术使用情况来看，该技术完全可以在赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿八中段及以下深部上盘破碎矿体中大面积推广使用，以保证赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿深部破碎矿体的高效安全回采。

6 结语

该技术在赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司柴胡栏子金矿成功使用后，具备在同类矿体条件下的矿山推广使用的价值，为采矿方面提供技术创新与技术储备。