采礦工程預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)優(yōu)化分析

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摘要：在礦山的井下開采中，采場頂板的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在圍巖等級(jí)低，裂隙發(fā)育等位置更是易出現(xiàn)頂板冒落等嚴(yán)重的安全事故，因此，采礦工程中用于加固頂板質(zhì)量的預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)十分必要。在實(shí)際的礦山開采項(xiàng)目中，如何根據(jù)采場頂板的實(shí)際情況來選擇有效、經(jīng)濟(jì)的預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)是預(yù)控頂支護(hù)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題。本文對采場頂板的冒落原因、預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析概述，并結(jié)合某鎳礦礦區(qū)的地質(zhì)情況給出兩套不同的支護(hù)方案，應(yīng)用FLAC對兩種支護(hù)方案進(jìn)行建模數(shù)值分析，對比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化后得到最優(yōu)支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：頂板支護(hù)；采礦工程；數(shù)值分析；導(dǎo)管注漿

我國工業(yè)的快速發(fā)展，促使了對礦產(chǎn)資源的需求。資源的供應(yīng)問題日益緊張，有限的淺地表礦產(chǎn)資源在近年來幾乎開采殆盡[1，2]。因此，對深層資源的開發(fā)已經(jīng)成為礦山企業(yè)的重點(diǎn)生產(chǎn)內(nèi)容，但深層資源開發(fā)伴隨而來的坍塌、滲水等問題引發(fā)的礦山生產(chǎn)安全事故層出不窮[3]。所以，采礦工程中的預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展十分重要，故必須要發(fā)展相關(guān)的支護(hù)技術(shù)的理論及支護(hù)方法。技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也需要兼顧經(jīng)濟(jì)效益，如何更有效的控制礦產(chǎn)資源的開采成本并且保障生產(chǎn)安全，在生產(chǎn)安全及井下支護(hù)成本之間如何去取舍和優(yōu)化也是各大礦企十分關(guān)心的事情[2，3]。本文通過對預(yù)控頂支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬來對優(yōu)化支護(hù)方案，以尋求經(jīng)濟(jì)和安全之間的最優(yōu)化。并希望為類似條件礦山的深層資源開采帶來參考指導(dǎo)作用。

1常用的預(yù)支護(hù)技術(shù)

預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用在工程建設(shè)行業(yè)及礦產(chǎn)開發(fā)行業(yè)中應(yīng)用廣泛，無論是公路、鐵路隧道，還是市政工程都時(shí)常能見到預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，主流的預(yù)支護(hù)技術(shù)如圖1所示。

1.1小導(dǎo)管注漿

在作業(yè)面頂板位置，均勻插入小導(dǎo)管布置，采用高壓注漿機(jī)往導(dǎo)管內(nèi)注漿，漿料硬化將在作業(yè)面上方產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的支護(hù)圈，可與鋼拱架組成棚架，從而抑制頂板圍巖的變形。

1.2水平高壓旋噴

作業(yè)面頂板上方鉆水平孔，注入漿料加固，此法具有成功率高，速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是支護(hù)抗彎性能較差。

1.3超前錨索桿

是實(shí)際工程中最為常用的支護(hù)方式，通過對工作面施加錨桿進(jìn)行超前預(yù)加固。

2頂板冒落原因分析

頂板冒落產(chǎn)生的原因機(jī)理較為復(fù)雜，大致來說可以從頂板的事故種類、巖體問題類型、頂板冒落這幾個(gè)方面來進(jìn)行分析。

2.1頂板事故類型

首先，頂板冒落事故大多可分為局部冒落及大范圍冒落兩種情況，前者多因現(xiàn)場作業(yè)時(shí)未對破碎頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)所導(dǎo)致，后者冒落面積大，且具有突發(fā)性，并且造成的后果嚴(yán)重，其原因多是因?yàn)閹r體破壞加劇導(dǎo)致超過巖層變形臨界點(diǎn)。

2.2巖體破壞類型

巖體破壞是指巖體在一定的應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)喪失聯(lián)結(jié)或者承載力和穩(wěn)定性喪失的現(xiàn)象的總稱。不同結(jié)構(gòu)的巖體破壞的機(jī)理不同，因此破壞類型也不同，而巖體的主要破壞類型分為拉伸破壞和剪切破壞[4]。

2.3頂板冒落原因

頂板冒落產(chǎn)生的原因可分為自然因素及人為開采因素，采場頂板冒落是自然因素和人為開采因素同時(shí)起作用，發(fā)生冒落的基本規(guī)律為：在巖體開挖過程中，由于巖體的自重或者采動(dòng)中產(chǎn)生的次生應(yīng)力場的作用，使得采場頂板向采空區(qū)的自由面發(fā)生彎曲變形。而巖體的抗拉強(qiáng)度一般比較小，當(dāng)圍巖的暴露面積相對過大、頂板處的圍巖中的拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生了頂板的破壞和冒落。

3金屬礦山的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

以甘肅某金屬礦礦區(qū)為例，結(jié)合該地區(qū)的圍巖特征，設(shè)計(jì)兩種支護(hù)方案如下。

3.1錨索桿+小導(dǎo)管注漿支護(hù)

頂板支護(hù)采用小導(dǎo)管注漿工藝，并且打入錨索進(jìn)行聯(lián)立支護(hù)。通過錨索和小導(dǎo)管的共同支護(hù)作用，提高了頂板的抗剪切和抗拉強(qiáng)度，使頂板的抗變形能力變大。

3.2錨索+錨桿的聯(lián)立支護(hù)

此方案采用錨索桿的超前支護(hù)進(jìn)行聯(lián)立支護(hù)。

4數(shù)值模擬及分析

4.1模型參數(shù)設(shè)置

模型所設(shè)計(jì)的材料的參數(shù)，包括采區(qū)圍巖體的力學(xué)參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

4.2數(shù)值模擬

對本文設(shè)計(jì)的兩種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如下圖4所示：從模擬的結(jié)果來看，頂板的沉降變形最大位移主要集中于頂板跨中，在未采取支護(hù)措施的情況下，頂板最大位移量31.64mm，錨桿加小導(dǎo)管注漿聯(lián)立支護(hù)方案的最大位移量為22.98mm。錨索+錨桿的聯(lián)合支護(hù)方案中頂板位移最大值為26.26mm。前一方案較后者的位移量縮減了23.6%，因此采用錨桿+小導(dǎo)管注漿的方式較優(yōu)，從而在該礦山的頂板預(yù)支護(hù)中采用這一方案。

5結(jié)語

通過模擬研究表面明，采用錨桿+小導(dǎo)管的支護(hù)方案優(yōu)于錨索桿支護(hù)，復(fù)合以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。這也表明通過對預(yù)控頂支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬可以更好的輔助優(yōu)化預(yù)控頂支護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鋒珍.深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[D].山東科技大學(xué),2005.

[2]王猛.煤礦深部開采巷道圍巖變形破壞特征試驗(yàn)研究及其控制技術(shù)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2010.

[3]袁亮,薛俊華,劉泉聲等,煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,04:535-543.

[4]李松青.基于實(shí)物期權(quán)理論的礦業(yè)權(quán)價(jià)值評(píng)估研究[D].中南大學(xué),2009.

作者：趙其禎 單位：甘肅省金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū)