大尹格庄金矿深部巷道锚杆支护参数优化

张宏伟，张富兴，夏自锋，董国强

(招金矿业股份有限公司，山东 招远 265400)

近年来，随着我国经济快速发展，矿产资源需求与日俱增，消耗量逐步增大，特别是我国东部地区，矿山开采历史悠久，大部分矿山浅部资源逐渐枯竭，并逐步进入深部开采。随着采深的逐渐增加，井下地质条件复杂多变，地压显现剧烈，断层节理裂隙发育，矿体松软破碎，巷道极易产生开裂、变形，发生冒顶事故，影响矿山安全生产[1-4]。如何解决破碎围岩巷道的支护问题，寻找一种经济可靠的支护方式，已成为目前深部矿体开采亟需解决的技术难题。

玻璃钢锚杆主要是由玻璃纤维增强塑料(GFRP)制成的一种非金属锚杆，与传统的螺纹钢锚杆相比，不仅耐腐蚀，还具备质量轻、强度高的特点，在煤矿支护中获得了广泛应用，并取得了良好的经济效益和社会效益[5]。然而，由于玻璃钢锚杆支护初期强度低，且不能快速达到锚固强度，不能达到初期工程施工防护要求，玻璃钢锚杆在金属矿山支护中还未得到普遍应用。本文以大尹格庄金矿深部破碎巷道为研究对象，在分析玻璃钢锚杆支护效果的基础上，提出了采用管缝式锚杆和玻璃钢锚杆联合支护的方式，解决深部破碎巷道支护难题。

1 回采巷道地质条件分析

1.1 工程概况

大尹格庄金矿深部矿体主要采用上向水平分层充填采矿法回采。矿块沿走向布置，长60 m，宽为矿体厚度，其中矿房长56 m，间柱4 m，回采时不留顶底柱。中段高60 m，分层落矿高度2.4 m，控顶高度4.0 m，每条分段巷道服务5个分层的回采，分段高为12 m。分段运输巷道布置于矿体下盘的绢英岩、绢英岩化花岗闪长岩中，受地质构造应力作用，岩体稳定性较差，巷道局部松软破碎，维护困难。

1.2 巷道规格及断面尺寸

大尹格庄金矿回采巷道形状为三心拱形，高3.2 m，宽3.6 m。实际生产过程中，回采巷道根据地质条件采用多种支护方式，主要方式有单锚杆支护、锚网支护、锚喷网支护及钢支架联合支护等。目前，主要以锚网支护为主。锚杆长为1 800 mm，直径42 mm，内径38 mm，支护间排距约为800 mm×800 mm，正方形布置，锚网采用Ф6.5 mm的钢筋编制，网格：100 mm×100 mm，长1 800 mm，宽900 mm。

管缝式锚杆由于安装简单、方便，是金属非金属矿山比较常见的一种支护材料，但在破碎带及大断层、含水层等构造复杂区域，特别在后期受后续采场凿岩爆破影响，巷道围岩松动，因此管缝式锚杆并不能起到很好的支护作用，极易发生片帮冒顶事故，应优化支护参数，改变支护形式。

1.3 巷道变形破坏特征

随着矿山开采深度增加，地压作用显现，巷道开挖后围岩应力状态发生改变，极易发生片帮、变形甚至冒顶坍塌事故，通过对巷道变形破坏规律研究发现，巷道围岩变形主要以松动破坏为主，主要表现在巷道支护后，节理裂隙发育，部分岩体脱落并悬挂在锚杆杆体上，后期在自重应力影响下，巷道松动圈进一步扩大，巷道片帮、垮冒的频次及规模都愈发严重，因此，破碎、高应力条件下巷道支护问题长期困扰着采矿工程，成为井下生产安全的重大隐患[6]。如图1所示，大尹格庄金矿深部破碎围岩巷道支护作业完成后，受台车凿岩作业和采场爆破作业影响，围岩松散破碎，巷道顶板及两帮岩体发生离层破坏，极易发生片帮和冒顶等安全事故，影响后续生产。

2 巷道支护结构的试验与参数设计

2.1 玻璃钢锚杆加固方案的确定

大尹格庄金矿-676 m中段一分段巷道在地质构造应力作用下，加上对复杂地质条件认识不足，巷道支护主要以管缝式锚杆支护为主，支护强度较小，抗剪能力差，巷道片帮冒顶事故频发，不能达到预定支护效果，二次支护多以钢支架支护为主，但钢架支护安装复杂，施工周期长，劳动强度大，且施工成本高，不适合巷道大范围内支护作业[4]，因此，针对大尹格庄金矿深部破碎围岩巷道支护难题，提出玻璃钢锚杆与管缝式锚杆联合支护方案，解决破碎巷道支护难题。

设计拟对试验巷道预先进行锚网支护，由于深部破碎围岩巷道在构造应力作用下，围岩完整性进一步破坏，极易发生片帮和冒顶事故，利用管缝式锚杆可以提供初始锚固力，固定锚网，提高围岩整体性，并为下阶段施工玻璃钢锚杆做好基础，满足玻璃钢锚杆初期施工安全要求，初期支护完成后，再采用玻璃钢锚杆作为支护主体进行加固，形成完整的支护结构。

2.2 玻璃钢锚杆参数的确定

为在工程实践中最大可能地体现玻璃钢锚杆与管缝式锚杆联合使用后的支护效果，管缝式锚杆支护参数在保持不变的基础上，对玻璃钢锚杆支护参数进行优化，确定锚杆长度、杆体直径等支护参数。

1)玻璃钢锚杆长度的确定

巷道支护过程中，需充分考虑锚杆嵌入坚固岩层的深度，并悬吊破碎冒落围岩或形成有效挤压拱，从而控制巷道变形，提高围岩稳定性，根据松动圈和悬吊理论确定玻璃钢锚杆长度L为[7-8]：

L=L1+m+L2

(1)

式中：L1—锚杆外露长度，mm；m—锚杆锚固厚度，mm；L2—锚杆嵌入坚固岩层的深度，mm。

锚杆外露长度L1主要取决于锚杆类型及锚固方式，需考虑托盘、螺帽和杆体外露长度，支护时利用托盘和螺母施加预应力，取值100 mm；锚杆锚固厚度m即为锚杆锚固岩层的厚度，需根据围岩条件来确定，大尹格庄金矿深部围岩整体来说不破碎，局部存在规模较大的张性构造，造成局部巷道较破碎且涌水较大，局部破碎区域成块状冒落，因此需要加大岩层锚固厚度，通常情况下，锚杆锚固厚度m取1 000～1 400 mm，考虑破碎带特点，取值1 400 mm，防止围岩冒落；锚杆嵌入坚固岩层的深度L2一般为300 mm。综上，根据大尹格庄金矿深部巷道围岩变形特征，求得玻璃钢锚杆长度为1.8 m，另结合围岩松动圈理论，当锚杆锚固厚度低于巷道围岩变形深度时，锚杆端部受压，只能起到悬吊作用，不能形成有效的挤压拱，长时间变形会导致杆体断裂，造成大面积坍塌，因此，本着安全有效的原则，确定选用玻璃钢锚杆长度为2 000 mm。

2)玻璃钢锚杆直径的确定

玻璃钢锚杆的锚固力应与锚杆杆体的抗拉强度尽量保持一致，才能发挥最大支护作用，由此可以推算玻璃钢锚杆直径d为[7-8]：

(2)

P拉=Q固

得：

式中：P拉—材料的抗拉力，kN；σ拉—锚杆杆体的设计抗拉强度，kN/mm2；Q固—锚杆的锚固力，kN。

根据实验室对玻璃纤维增强塑料杆体进行的多次试验，得出玻璃钢锚杆的平均抗拉强度σ拉为400～500 MPa，锚杆的拉拔力Q固为40～70 kN。由此可得出玻璃钢锚杆直径d≥14.9 mm，同时类比其他相似矿山，本着安全有效的原则，确定选用玻璃钢锚杆的直径为18 mm。

3 巷道支护数值模拟分析

本次模拟运用FLAC3D软件以大尹格庄金矿2#矿体-676 m中段83#～84#勘探线间的一分段巷为计算模型，对管缝式锚杆单一支护和管缝式锚杆和玻璃钢锚杆联合支护两种情况下巷道围岩变形情况和塑性区分布进行模拟分析。

3.1 计算模型的建立

设计计算模型沿巷道断面方向取40 m×40 m×20 m(宽×高×长)，在考虑边界效应的基础上，模型网格由外到内逐渐加密。模型X、Y边界施加水平约束，底部Z边界固定约束，顶部施加上覆岩层重力，巷道围岩主要为绢英岩化花岗岩，具体岩体力学参数见表1。

表1 数值计算中岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass in numerical calculation

根据FLAC3D内置结构单元特点，模拟管缝式锚杆时采用桩(pile)单元，玻璃钢锚杆采用锚索(cable)单元，根据实验室试验和工程经验得锚杆力学参数，见表2、表3。

表2 数值计算中管缝式锚杆力学参数Table 2 Mechanical parameters of split-set bolt in numerical calculation

表3 数值计算中玻璃钢锚杆力学参数Table 3 Mechanical parameters of GFRP anchor in numerical calculation

3.2 计算结果分析

1)巷道围岩变形分析

通过数值模拟分析可以看出，巷道开挖后围岩应力状态改变，在两种支护条件下巷道围岩产生了不同程度的收缩变形，且在初期变形较大，随后变形速率减缓逐渐趋向稳定。如图3所示，当采用单一支护时，模拟至2 000步后，巷道顶底板变形趋于稳定，顶板下沉量为5.54 mm左右，底鼓量将近3.28 mm，顶底板移近量达到了8.82 mm，两帮移近量达6.43 mm；采用联合支护时，模拟至约1 800步时趋于平衡，最终顶板下沉3.91 mm，底板底鼓2.76 mm，顶底板移近量达到6.67 mm，两帮移近量达8.07 mm。由此可以得出，相较于管缝式锚杆单一支护形式，采用玻璃钢锚杆联合支护能够有效控制巷道变形，对顶板的变形控制效果要优于两帮的变形，且对玻璃钢锚杆施加一定预紧力的情况下，能够减缓变形速率，大大提高支护结构的稳定性。

2)巷道围岩变形分析

塑性区是指发生剪切破坏和拉伸破坏的区域。巷道围岩塑性区形态决定围岩的破坏形式及破坏程度。巷道的塑性区范围越大，破坏就越严重[9-10]。由图4可知，在两种支护方案条件下，巷道围岩均出现了塑性变形，顶底板塑性区域相对较大，且破坏形式以剪切破坏为主，说明巷道塑性区在应力作用下发生变化，围岩受力状态基本不受支护形式影响，但采用联合支护时，由于锚固剂与围岩相互作用，有效改善了围岩塑性状态，提高了巷道围岩稳定性。

4 结论

通过理论计算对大尹格庄金矿回采巷道的支护参数进行优化调整，确定了合理的玻璃钢锚杆支护参数，提出了联合支护的方式，并通过数值模拟分析证明其支护效果良好。

1)根据大尹格庄金矿回采巷道围岩地质条件，分析破碎围岩巷道变形破坏规律，并通过理论分析计算确定玻璃钢锚杆支护参数，本着操作简便、安全可靠、稳定性高的原则，提出了管缝式锚杆和玻璃钢锚杆联合支护方案。

2)通过数值模拟分析，在相同的地质条件下，采用玻璃钢锚杆为支护主体的联合支护方案能够有效地控制巷道变形，改善破碎围岩巷道的稳定性，解决管缝式锚杆单一支护方式易腐蚀和抗剪性能较差的问题。

3)巷道开挖施工控制爆破技术时，光面爆破要遵循“多打眼、少装药”的原则，以保证两帮平直，顶板和两帮相连部分及顶板呈拱形，以降低应力集中，保护巷道围岩的强度和整体性。对极破碎、矿岩不稳固区域，建议辅以锚喷和混凝土支护。

4)优化后的联合支护参数可以在大尹格庄金矿回采巷道中推广应用，并可为其他类似条件下矿山支护提供借鉴依据。