黑破岩巷道掘进支护方案研究

王辉林，李艳刚，马鸿录，黄生福，林卫星

(1.西部矿业股份有限公司，青海 西宁 810000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

0 引言

近些年，破碎围岩的支护理论研究在国内外工程领域受到了广泛关注，许多学者针对破碎围岩的支护进行了大量研究，提出了诸如岩性转化理论、联合支护理论、围岩强度强化理论及锚杆支护理论等[1-5]，但这些理论在实践过程中遇到了许多问题，包括理论难以运用、支护成本太高以及支护技术选择困难等。目前提高破碎巷道支护效果的技术手段主要有提高支护系统强度和提高支护系统柔性2种方法[6-8]，为破碎围岩支护提供了发展方向。

当前，针对矿山复杂的矿岩条件，采用C20砼支护的经济成本较高，而采用喷锚支护的效果又不是特别理想。因此，本文结合矿山中段运输巷、穿脉、联络巷等永久或重要巷道工程，针对黑破岩揭露 1～2 d后垮塌及随掘随垮的问题进行了支护方案研究，取得了重要成效，为矿山安全生产提供了保障。

1 黑破岩揭露1～2 d后垮塌的巷道支护

1.1 支护方案

针对黑破岩揭露1～2 d后垮塌的情况，采用随掘随支（支护进尺与掘进爆破进尺一致），喷第一层浆后进行锚网挂设，最后喷第二层浆的喷锚网联合支护方案。

（1）第一层喷浆。第一层喷浆厚度为20 mm，砂浆强度要求大于C15；选用325普通硅酸盐水泥，采用粒径在 0.35～0.5 mm范围内的中砂或粒级大于0.5 mm的粗砂，细度模数应大于2.5，不选用细砂，卵石或碎石选用粒径小于或等于15 mm的。为增强混凝土的和易性及强度，并达到节约水泥的目的，可以适量加入减水剂（水泥质量的 0.5%～1.0%），同时可以改善混凝土的不透水性，减少回弹，砂浆配合比为水泥:中砂:石子为1:2:2，水灰比为0.4～0.45。

（2）锚杆及锚网的架设。钢筋网采用直径6～8 mm的I级钢筋，网度为100 mm×100 mm或150 mm×150 mm。管缝式锚杆长度为2.0～2.5 m，直径为43 mm，间距为1.5 m×（1.5～2.0）m，锚杆安装需与掘进爆破保持一致。

（3）第二层喷浆。挂网后再喷一次砂浆，强度、砂浆材料、配合比、水灰比与第一层砂浆相同，但喷浆厚度为50 mm，支护设计见图1。

图1 黑破岩揭露1～2 d后垮塌的巷道支护设计

1.2 支护数值模拟研究

根据围岩力学参数建立Phase2数值模型，模拟与实际情况对应的支护工程，得到黑破岩揭露1～2 d后，垮塌巷道未支护条件下与支护条件下的围岩状态，结果见表1和图2～图4。

图2 巷道未支护时围岩稳定情况

图3 巷道锚杆支护后围岩稳定情况

图4 巷道C20砼支护后围岩稳定情况

表1 黑破岩揭露1～2 d后垮塌巷道模拟结果

由表1可知，巷道支护后，巷道变形位移减小，塑性区减小，距离巷道相同位置处的围岩强度系数得到了提高，说明采用喷锚网随掘随支的支护方案具有良好的效果。

2 黑破岩揭露后随掘随垮的巷道支护

2.1 支护方案

针对黑破岩揭露后随掘随垮的情况，采用先打锚杆，再喷浆，然后挂网，最后再喷浆的喷锚网联合支护方案。

（1）安置管缝式锚杆。锚杆长度为2.5～3 m，锚杆直径为43 mm，锚杆间距根据现场情况分别采用1.0 m×1.5 m，1.5 m×1.5 m或1.5 m×2.0 m的支护网度。

（2）第一层喷浆。第一层喷浆参数同第一种情况的支护参数。

（3）锚杆及锚网的架设。钢筋网采用直径6～8 mm的I级钢筋，网度为100 mm×100 mm或150 mm×150 mm。管缝式锚杆直径为43 mm，长度为2.5～3 m，锚杆间距能满足现场挂网需要即可。

（4）第二层喷浆。挂网后再喷一次砂浆，强度要求、砂浆材料、配合比、水灰比与第一层砂浆相同，但喷浆厚度为50 mm。支护设计如图5所示。

图5 揭露后随掘随垮的巷道支护设计

2.2 支护数值模拟研究

根据围岩力学参数建立Phase2数值模型，模拟与实际情况对应的支护工程，得到黑破岩揭露后随掘随垮巷道未支护条件下与支护条件下的围岩状态，结果见图6～图8和表2。

图6 巷道未支护时围岩稳定情况

图7 巷道锚杆支护后围岩稳定情况

图8 巷道C20砼支护后围岩稳定情况

由表2可知，黑破岩揭露后随掘随垮巷道支护后，巷道变形位移减小，塑性区减小，距离巷道相同位置处的围岩强度系数得到了提高，说明先打入管缝式锚杆，再喷浆，然后挂网并打锚杆，最后再喷浆的联合支护方案具有良好的效果。

表2 黑破岩揭露后随掘随垮巷道模拟结果

综上所述，在不支护的条件下，黑破岩围岩变形相对严重，产生的应力较大，塑性区范围较大，围岩强度系数小于 1，围岩会发生垮落。而锚网喷支护能够有效抑制围岩变形，弱化巷道周围应力的增大，减小巷道围岩塑性区，提高围岩承载能力，确保围岩整体的稳定性。上述研究结果表明，采用锚喷网支护能有效控制巷道变形垮塌。矿山目前采用C20砼支护，可以保证巷道的稳定性，且比锚网喷支护效果更好，但是砼支护的成本较高，在保证支护效果的前提下，应尽可能节省支护成本，推荐采用锚网喷支护。

3 结论

（1）对掘进后不同时间垮塌的黑破岩巷道进行了支护方案优化，支护工艺和技术充分适应围岩大变形的特点和要求，基本上解决了巷道的支护问题，保证了矿山的正常安全生产。

（2）通过模拟效果对比，建议在保证支护效果的前提下，尽可能选用支护成本更低的锚网喷支护。