磷矿开采巷道支护技术

磷矿开采巷道支护技术

孙磊1,陈勇2,谢亚峰3

1.宜昌宜化殷家坪矿业有限公司，湖北 宜昌 443000

2.湖北宜化集团矿业有限责任公司，湖北 宜昌 443000

3.宜昌宜化殷家坪矿业有限公司，湖北 宜昌 443000

摘要：随着对磷矿的开采使矿井的深度不断增加，容易造成软岩巷道周围的围岩变形进而无法保证其稳定性，对某磷矿的深井软岩巷道预应力进行了分析，并对锚注联合支护形式的支护原理组成部分进行了说明，同时优化了巷道支护的形式和参数，这项应用研究策略对稳定软岩巷道的稳定性支护中起到了推动的作用，其他矿井软岩巷道的围岩支护应用也可以借鉴此种措施进行优化和改进。

关键词：深部开采;软岩巷道;锚注联合支护

由于人类对磷矿产业的需求不断增加，导致矿井的开采深度不断的加深，这对我国的矿区中近几年来面临的巷道预应力围岩的稳定性造成一定的危害。软岩巷道围岩具有一定的特殊性，所以需要相关的设计人员对锚注支护的形式进行合理的设计，这对于软岩巷道锚注支护的稳定性起到关键性的作用。

1锚注支护技术在软岩巷道中应用的原理

锚杆是巷道支护的重要组成部分也是岩浆管的一种，通过岩浆管对松散和破碎的围岩注射岩浆加固，最后用较快的速度来喷出混凝土封住围岩，这种新型的支护形式是由注浆和锚喷支护组合而成的，注浆和锚喷两者的优点进行组合从而形成这种新型的锚注支护，并且它的使用范围比较广泛，同时具有教导的效果。当前的联合支护是由多种形式组成的并且可以共同组成支护结构，还可以运用到二次支护中。二次支护在应用的过程中需要考虑到时间问题，既不要支护过早，也不要支护过晚。支护过早会造成支护结构的破坏，由于巷道围岩内部的巨大裂隙还没有得到充分的缓解会给支护结构造成一定的压力。其次如果支护的时间过晚会导致围岩内部的裂隙越来越多，容易导致巷道变形致使整个巷道失去稳定性。

在二次支护中运用锚注支护的方式，在松散破碎的围岩中注入浆液使围岩胶成为整体，有效的提高了围岩的承载能力，使松散围岩和支护组成一个整体，从而相互作用相互稳固。松散围岩在动压的作用下和原浆的振动频率相同，所以他们的稳定性和坚固性更强，不容易造成破坏，并且在岩浆注射到喷层壁后会使缝隙更加的密实，能够使荷载能力更为均匀的作用到喷层和支架上，大大的降低出现应力的集中点，进而能够有效的防止产生应力集中点对围岩造成的破坏，提高支护的效率。锚注支护是对锚杆进行注浆，注入的浆液会将围岩中的空气排出进而将缝隙填满，避免围岩出现风化现象，围岩的整体性和稳定性加强，起到防水和防渗的作用。

2注浆加固技术的原理

通过对无缝钢管的冷拔和焊接工艺技术组成注浆锚杆，从锚注的特点来分析不仅可以起到锚固的作用，还可以当做注浆管对围岩进行注浆，锚固和注浆的充分结合形成新型的注锚，应用到软弱破碎的岩层上。注浆加固是在原本支护机构上通过在软弱破碎的岩层中注入浆液，促使原本的围岩更为坚固和稳定，承载能力更大，柔韧性和刚性支护的充分作用加强了围岩的承载能力，在原本的支护结构上相互补充构成支护体系。“网喷索和锚注”的三维协控图，如图1所示。

图1 网喷索和锚注

从5个方面来分析其加固原理。首先采用注浆技术封堵围岩的裂缝，防止风水浸入到围岩造成对围岩自身的瓦解。其二，注浆技术可以将松散的围岩凝固成一个整体，加大岩体的强度和承受能力。其三，锚固作用可以补充锚杆变形前组合功能的损耗，进而避免了因锚杆组合变形对锚索吊承载能力的不良影响。其四，注浆和喷层的联合促使围岩荷载能力更为均匀。其五，锚注和原有支护结构的相互作用形成交叉叠加承载圈，促使围岩和支护结构成为相互作用的一体，促使巷道更加稳定。

3应用到不稳定岩层中

锚注支护结合不稳定岩层的具体情况可以分为加固类巷道、修复类巷道和新掘类巷道，需要结合各个类型的巷道围岩特点和承受能力特点运用相应的类型锚注支护。锚注支护已经广泛的应用到软岩巷道中，并且能够使锚杆支护或者注浆支护出现的问题更好的解决。回采巷道的不稳定支护问题可以通过采用锚网喷注联合支护结构和锚网带喷注联合支护结构进行解决。原锚喷支护和U型钢支护无法充分的解决软岩动压巷道中的问题，然而通过采用锚注支护对原支护结构进行加固后，可以有效的加大动压承受作用，采用这种方式可以更好的解决软岩动压巷道中不稳定的支护问题。

我们将锚喷一次支护和锚注二次支护相互结合应用到软岩地层水仓中，通过实验证明采用了锚注支护后可以更好的解决软岩水仓中出现的渗水问题。首先对加固类巷道进行分析，由于局部的变形和破坏产生稳定类问题，对于断面或者是进行过修复的围岩比较完整的巷道这些统称为加固类巷道，可以结合裂隙的发展程度运用相应的锚注加固方式，如果裂隙的发育速度较快可以利用注浆锚杆进行注浆起到加固作用，这种方式主要应用于裂隙较大的填充，裂隙发育问题不严重时加固时可以采用端锚内注浆锚杆的方式，可以更好的加大注浆的压力，也将可以对围岩的整体裂隙进行加固。

新掘类巷道可以采用二次支护施工的方法进行加固，通过对锚杆类型的分析可以分成两种支护形式，其一是利用普通锚杆进行锚喷支护作业，其二是可以采用端锚内注浆锚杆和喷网带支护进行注浆加固，如果注浆的压力不大可以采用普通内注浆锚杆进行作业，当注浆压力较大时可以利用端锚内注浆锚杆进行作业。最后一点是修复类巷道，一种是先采用注浆技术进行加固，之后采用普通锚杆注浆进行支护，最后一步是采用锚注进行加固。

4针对锚注支护施工中的要求

锚注支护施工技术中首先要考虑的是顶板的管理，敲帮问顶制度是每个掘进工作面中必须要严格执行的一项工作。在开展这项工作的过程中需要有一名经验丰富的老工人带领开展，一名工人负责观察监护，另一名工人负责敲帮问顶，并且要按照从外向内的原则逐段进行。在保证这项工作没有任何危险后，方准由其他工人进入到工作中。其次，当在开展掘进工作时如果碰到下列四种问题就需要停止工作，保证每个受到威胁的工作人员撤出危险区，并及时向矿区的相关负责人或者现场安全管理人员进行汇报。1）当顶板受到围岩作用下的压力导致支护变形速度快速增加时。2）瓦斯等相关的有害气体超过一定的限量，温度迅速降低时。3）在采磷或者掘进工作面时围岩外移、内部的涌水量增大有突发预兆的情况时。4）巷道顶板出现严重的离层时，大量的锚杆失去效果的情况下。其三，要保证通往掘进工作面的所有巷道畅通无障碍，支护完好并且保持清洁卫生。每个岗位的工作人员都要担负起相应的岗位责任，现场交接班要严格按照相关的规章制度执行，严格按照中腰线进行施工，并且风水管和供电线路都要采用符合标准的规格，保证工程施工的质量。必须要禁止所有的工作人员在空顶或者危险的情况下作业。第四，施工单位每天要对每个班的所有打注锚杆进行拉力测试，在所有的打注锚杆中抽出几条进行实验。针对顶部打注锚杆可以抽出两条进行实验，帮部打注锚杆可以抽出一条进行实验，并在实验的打注锚杆上做上相应的标记。顶部打注锚杆的压力达到8t即可达到实验标准，帮锚杆达到6t即可达到标准。对于没有达到相应要求的要进行二次抽查，并对其中的原因进行分析，直到达到实验要求为止。第五，在巷道掘进过程中，根据提供的相关巷道地质资料，对地质变化进行预计，并提前制定出相应的支护参数调整计划。最后在每次换班后，上岗的施工人员都要对锚杆进行认真的检查，当发现有失效锚杆时要进行及时的补打，通过一系列的施工修复合格后，方可进入到迎头施工作业。

5高应力软岩巷道支护实际应用案例

高地应力区经常出现在某种特定的岩块或地质构造中。在高压地应力环境下，当围压强度较低时，岩石中仍存在着较大的硬度和弹性模量。当围压强度较高时，岩石呈现“软岩”的特性，硬度明显降低，空隙度大，胶结性较差，且受构造面的剪切和风化影响很大，疏松、松散、软弱的岩石中存在着大量易膨胀黏土矿物，岩石力学与工程界将这种岩石称为高应力软岩。某磷矿76.2号区段2号总回风巷巷道现已掘进650m，巷道标高为+549.5～+613.5m，东部为7505运输巷出磷巷，西部为7505放水巷，南部为7505采空区，北部为7503采空区。巷道设计为拱形断面，宽度为5.3m、高度4.15m，巷道沿7505采空区与7503采空区之间磷柱布置，护巷磷柱为24m，巷道底板为3号磷层，磷层上部为泥岩及砂质泥岩，平均厚7.5m，巷道原始支护方案为树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统，顶板及两帮锚杆规格均为Φ22mm×2400mm，顶板间排距为1000mm、900mm，两帮间排距为1000mm、800mm；巷道顶板锚索长度6.3m，间距2m、排距1.0m，按3-4-3布置。

当巷道掘进进入两侧采空区之间后，巷道顶板出现岩石较软，巷帮较破碎，局部底鼓严重，喷浆层开裂。受两侧工作面影响，侧向支承压力显著，巷道维护难度大，巷道需要通过反复维修才能保证正常使用。该巷道变形特点大致分为以下几个方面：首先，支护围岩自稳持续时间短，压力变化快，自稳持续时间仅数十秒至几分钟。如果该巷道的压力大，必须及时支护或超前支护，以确保该巷的支护巷道围岩不坠落地面；其次，该巷围岩变化范围大、速率快、稳定时间长。通常情况下，变化速率为50~100mm/d，巷道施工后的变化速率为5~10mm/d，变化持续时间通常为25~60d，但有时变化日期延续了数月以上仍不稳定；最后，围岩被挤出，底鼓变化明显。周围软岩巷道也被挤出，如果不支护地板，则支护结构中将存在薄弱区域，巷道损坏由从未被支护的底板开始，向两侧移动得更近，同时也由于底鼓，基脚不平衡，直到顶板完全落下，将巷道全部破坏。

5.1软岩巷道不稳定原因分析

通过巷帮钻孔窥视结果可得，巷帮浅部0.9m范围内裂隙明显发育，比较破碎，2.6~4.2m岩层裂隙发育，4.2~9.9m岩层基本完整。根据地应力测量结果，最大水平应力22.65MPa，最小水平主应力为12.05MPa，垂直主应力为18.48MPa。根据相关判断标准，从量值上判断，该区域处于深部高应力场区，该区域应力场由构造应力主导，该巷道掘进过程中在一定程度上受到地应力影响。该巷道两侧的移动以及顶部倾斜都将引起巷道断面的变化，从底板与围岩之间的应力关系分析，巷道底板的失稳度将直接影响顶板的稳定性，现使用的支护技术虽然能够在一定程度上抑制底板的下沉，但是，对底鼓仍缺乏有效的解决办法。从岩石应力分析，由于巷道底板处在无支护状况，岩层强度较低，而底板岩石则多为泥岩和碳质泥岩，单向抗压强度也较低，同时，又因为岩层强度逐渐降低，围岩松散而软弱，随着巷道的继续施工，原来作用于底层岩石上的内应力会逐渐下降，而底层岩石也将恢复韧性，一旦较高内应力水平大于岩石抗拉强度，在略高于内部应力水平情况下，围岩将出现重大变化，无法支护，巷道也将出现巨大变化。

5.2高应力软岩巷道支护存在的问题

5.2.1巷道围岩承受力不足

高应力软岩的特征也决定了该区域巷道变形所呈现的主要特征，巷道水平收敛速度远大于拱顶下沉速度。现阶段支护方法采用锚杆（索）支护形式，没有相应的加固处理。采用这种支护方式，巷道支护围岩本身的承载力不够，荷载的承载厚度不够，如果地质条件发生变化或围岩结构发生变化，将对巷道围岩产生较大的压力，产生大量的安全隐患。

5.2.2支护方式选取问题

与硬岩巷道相比，软岩巷道的破坏变形有其自身的特殊性，需要实施与软岩巷道相一致的支护模式。由于施工初期围岩变形较大，难以承受原有支护结构，特别是在施工后期，由于围岩变形较大，也阻碍了工程进度，对通风提出了一定的挑战，并影响着磷矿的运输和工人的安全。

5.2.3高应力的增加

由于巷道深度的日益加深，高应力的形成与扩大已成为了目前一种急需解决的主要问题。根据高应力的影响，变形软岩巷道产生了相应的走向性。软岩的失水和吸收，在一些意义上也会引起内部软岩的变化、膨胀和泥化，进而损伤巷道稳定。所以，对于较深井高应力软岩的软弱部分，也会出现较大程度的变化或断裂现象，当遭受其他综合因素的影响后，将逐步扩大而形成所谓的破裂部，从而威胁围岩的承载力。

5.3高应力软岩巷道支护形式的选取和优化

5.3.1支护形式选取原则

一次支护原则：锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面这是矿井实现高效、安全生产的要求，需要长期稳定不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的，巷道围岩一旦揭露，立即进行支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到影响。高预应力和预应力扩散原则：预应力时锚杆支护中放入关键因素，是区别锚杆支护时被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、托梁等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚性和完整性。“三高一低”原则：即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。临界支护强度和刚度原则：锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。

5.3.2支护形式和参数的优化设计

为确保该巷道的安全，根据围岩变形特征和内部结构条件，综合前期工程实践情况，针对该巷道的围岩状况，确定采用全锚索锚固注浆支护。对刚开挖的巷道围岩及时加上强力的边界条件，使其具有较强的承载能力，充分发挥连续岩体自身的主动承载能力，进而抵抗应力重新分布过程巷道围岩的变形移动。优化后76.2号区段2号总回风巷采用拱形断面，宽×高=5.3m×4.8m，采用全锚索+喷浆+注浆支护，锚网支护排距为0.9m。拱顶支护锚索长度3.3m，每排9根，间距900mm，加固锚索采用Φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3m，按“5-6-5”布置，排距900mm。

5.4全锚索的支护作用

全锚索（长锚索和短锚索组合支护）作为一种有效的加固手段，适用于该巷道的补强加固。全锚索的支护作用主要有两个方面：将锚杆（或短锚索）支护形成的次生承载结构与深部围岩相连，提高次生承载结构的稳定性，同时调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载；锚索施加较大预紧力，提供有效压应力，与锚杆（或短锚索）形成的压应力区形成骨架网络结构，保持围岩完整性，减小围岩强度降低。

结语

高应力软岩巷道有着最突出的特点，尤其是巷道变形。所以，为保证深部矿井的安全稳定，施工单位应当做好软岩巷道的保护管理工作，并针对实际具体情况提出科学合理的支护方法，选择科学、合理、适宜的矿井深部高应力软岩巷道支护工艺技术，不断完善深部高应力软岩巷道保护工艺技术，以保证磷矿开采工程的顺利进行。

总而言之，软岩巷道预应力锚注支护技术，要结合锚注联合支护方案进行，并对软岩巷道中的各个支护锚杆进行实验，可以有效的保证软岩巷道围岩的变形情况，加强巷道的稳定性。锚注支护应用到软岩巷道中可以保证矿井的安全性。

参考文献

[1]李海燕，张红军，李术才，等.新型高预应力锚索及锚注联合支护技术研究与应用[J].磷炭学报，2017，42（3）：582-589.

[2]刘立民，张进鹏.软岩巷道预应力锚注支护技术研究与应用[J].磷炭技术，2017，36（1）：9-11.