1、组装式可缩 U 型钢支架组在凿岩巷支护中的应用 张俊 金诚信矿业管理股份有限公司 摘 要： 赞比亚谦比希铜矿主矿体崩落法采区凿岩巷位于矿体下盘的含矿板岩和下盘砾岩交界处, 巷道围岩受涌水量大、矿岩破碎、地应力大等影响稳定性很差。生产实践表明, 常规支护方法不能保证凿岩巷的稳定和安全。通过理论分析和试验, 探索开发了适合凿岩巷支护的改进的 U 型钢支架组支护方式。介绍了组装式可缩 U 型钢支架组支护方法、支护参数、特点、支护工艺、施工要点和井下现场应用情况, 对产生的经济和安全效益进行了分析。关键词： 凿岩巷; 崩落法采场; 围岩稳定性; 地应力; U 型钢支架支护; 作者简介：张俊 (1965
2、-) , 男, 工程师, 采矿工程专业, 主要从事矿山开采生产技术和管理工作。Application of assembly type and yieldable U shaped steel arch frame in trough drive supportZHANG Jun JCHX Mining Management Co., Ltd.; Abstract： In the main orebody of Chambishi Copper Mine in Zambia, the trough drive in the stope to use sublevel caving method
3、 area is excavated in the junction of orebody argillite and footwall conglomerate.Because of the influences of complicated geology condition, fractured surrounding rocks, water inflow and high underground stress, the stability of the surrounding rock of the trough drive is poor.The productive practi
4、ce shows that the traditional supporting methods cannot guarantee the stability of surrounding rock and safety of the trough drive.Through analysis of theory and experimental study, a improved U shaped steel arch frame support style suitable for the trough drive supporting is developed.The support s
5、tyle of assembly type and yieldable U shaped steel arch frame and its supporting principle, parameter, characteristics, technological process and its application in underground stope are introduced, and the economic and safety benefits are analyzed.Keyword： trough drive; sublevel caving stope; stabi
6、lity of the surrounding rock; underground stress; U shaped steel arch frame support; 目前赞比亚谦比希铜矿主矿体开采深度在地表 700m 以下, 根据矿体开采条件, 主矿体开采主要采用分段崩落法和上向水平分层充填法。崩落法采出矿量占主矿体总出矿量的 70%以上。分段崩落法凿岩巷位置根据矿体倾角和矿岩稳定情况布置于矿体下盘含矿页岩和下盘砾岩交界处1, 由于深部开采产生的地应力大, 地质条件复杂, 矿岩破碎且含水, 涌水量大, 凿岩巷围岩稳定性很差, 支护方法不当和支护不及时会造成冒落垮塌甚至局部巷道报废2, 不仅
7、造成采场矿量损失, 还会给相邻采场和下部分段的回采增加难度。自谦比希铜矿恢复开采以来, 为保证巷道和采场的稳定, 开展了多种支护方式研究和实践, 如喷锚支护, 湿喷加树脂锚杆支护3, 锚杆锚索钢筋网联合支护, 锚杆锚索加工字钢支架联合支护等, 根据巷道围岩特征进行分类分级支护研究4-5, 取得了显著成果, 在保证采场和各类巷道稳定和安全作业方面起到了指导作用。对于主矿体深部崩落法采场凿岩巷, 由于其处于深部高应力破碎区域, 加之地质条件的复杂性和后期疏水滞后引起的矿岩涌水量大等因素影响, 虽多次进行上述支护方法尝试, 支护效果均不理想。经过长时间针对性研究和试验, 探索出适合谦比希铜矿主矿体崩
8、落法凿岩巷围岩特点的支护方式, 即在掘进凿岩巷过程中, 首先对其进行锚杆锚索联合支护, 随后及时进行组装式可缩 U 型钢支架组快速支护。采用这种支护方法, 提高了支护效率, 保证了凿岩巷在掘进、采场回采出矿过程中的稳定和采场的安全顺利回采。1 工艺原理、特点和适用范围在谦比希铜矿主矿体崩落法采场矿体下盘矿岩交界处的凿岩巷掘进过程中, 在锚杆、锚索支护的基础上, 每隔一定距离跟进支护一组 U 型钢支架。每组预制U 型钢支架的支腿和棚梁搭接后, 用卡缆包裹联接紧固, 进行快速支护, 壁后密实填充。当围岩变形产生压力超过 U 型钢支架的支腿和棚梁搭接处摩擦阻力后, 由于卡缆包裹联接设计允许搭接处支腿
9、和棚梁相互有限滑动, 支架体可被压收缩, 允许围岩变形释放一部分应力, 随即 U 型钢支架所受压力下降, 使围岩、壁后充填体和 U 型钢支架组成的整体联合支护体系达到自稳支撑平衡, 并充分发挥围岩的自支撑能力。由于 U 型钢支架的弹性作用限制围岩的变形, 降低发生片帮、冒顶的可能性, 改善了巷道围岩的稳定性能和施工作业环境, 保证巷道掘进及后续作业的安全。上述支护原理分析和现场实践表明, 这种快速组装式可缩 U 型钢支架组支护方式具有如下特点:U 型钢支架强度高, 韧性好, 壁后填充密实后受压均匀, 支架可被有限压缩, 允许围岩变形释放一部分应力, 将围岩、壁后充填体和 U 型钢支架组成统一的
10、支撑体, 充分发挥围岩的自支撑作用, 在深部地应力大、破碎及松软巷道支护中, 是一种科学、有效、适宜的支护形式;根据所需支护的巷道断面尺寸及现场条件, 采用预制的可快速组装 U 型钢支架, 方便现场搭接组装和安装, 能快速对凿岩道进行支护, 安装效率高, 保证了支护的及时性;每两架为一组作为一个支护单元, 且组内两架支架间距可根据围岩稳定情况和炮孔排距进行调节, 适应复杂地质条件下破碎围岩和中深孔设计参数要求, 每组 U 型钢支架之间间隔支护, 保证凿岩道掘进及采场回采过程的安全;所采用的 U 型钢支架各部件在地表预制, 具有统一的规格, 方便施工并易形成统一的技术标准, 外形轮廓和巷道断面契
11、合度高, 更容易保证支护的施工质量, 且维修量小;U 型钢支架及附件可回收重复利用。谦比希主矿体开采实践表明, 组装式可缩 U 型钢支架组支护方式, 可用于地质条件复杂、围岩松软破碎、涌水量大、受采动影响大的类似谦比希铜矿主矿体深部崩落法或分段空场嗣后充填法采场凿岩巷的快速支护。2 支护参数谦比希铜矿主矿体深部分段崩落法采场凿岩巷断面尺寸:宽高=3.8m3.8 m, 四分之一三心拱形, 支护后的净断面尺寸:宽高=3.6 m3.5m。2.1 U 型钢支架参数每架 U 型钢支架由 2 个支腿、1 个棚梁和 4 个连接卡缆 (配套相应的螺栓螺母) 等组成。根据围岩稳定情况和支护后净断面要求, 确定支
12、腿、棚梁等的材料和尺寸。使用材料:支腿和棚梁为预制的 A3Y3635 型 U 型钢, 卡缆为 CG405 型 29 卡缆。各部件设计尺寸如下。支腿:每根支腿预制为下部平直, 上部弯曲为弧形, 平直部分高度为 2 380mm, 上部弯曲部分用于与弧形棚梁搭接, 弯曲部分内侧弧长为 1 005mm。棚梁:棚梁预制为拱形, 与凿岩巷三心拱断面契合, 内侧弧长 3 470mm。卡缆:梁的两端插入和搭接在支腿的弯曲部分, 棚梁和支腿的搭接长度为 650 mm, 每侧搭接部分用上、下 2 个卡缆固定。包裹联接棚梁和支腿搭接部分的卡缆用螺栓螺母连接并可调节包裹松紧, 允许 U 性支架受压时棚梁和支腿搭接部分
13、在卡缆包裹约束下相对滑动, 实现 U 性钢支架适应围岩变形受压收缩的功能。组装的 U 型钢支架见图 1。图 1 组装式可缩 U 型钢支架示意图 Fig.1 Schematic diagram of assembly type and yieldable U shaped steel arch frame 下载原图2.2 U 型钢支架组参数一组 U 型钢支架组由两架 U 型钢支架组成, 两架之间的间距根据巷道围岩破碎程度和中深孔排距确定, 一般为 1.21.5 m, 谦比希铜矿主矿体崩落法采场凿岩巷支护中选取间距为 1.2m。两架 U 型钢支架支腿埋入支腿柱窝后, 同侧的两支腿之间用拉杆通过 U
14、 型螺栓固定, 拉杆材料为热轧槽钢, 每根拉杆长度 1 800mm。单组 U 型钢支架组见图 2。图 2 单组 U 型钢支架组支护示意图 Fig.2 Schematic diagram of U shaped steel arch frame sets 下载原图2.3 U 型钢支架组支护参数根据谦比希铜矿主矿体崩落法采场凿岩巷围岩破碎程度和稳定性, 在巷道掘进过程中, 首先按设计进行锚杆锚索支护, 随后跟进进行 U 型钢支架组支护施工, 根据巷道围岩破碎情况, 每组间距离为 10m 左右。3 支护施工工艺和实例3.1 支护工艺流程和施工要点谦比希铜矿主矿体深部崩落法采场凿岩巷 U 型钢支架组支
15、护施工工艺流程:确定支护位置;放中、腰线;挖柱窝;立支腿;架棚梁;连接加固;背板填充;现浇砼护腿等。架设 U 型钢支架组施工要点如下:1) 挖柱窝:在确定支护施工位置, 放中、腰线后, 按照设计要求, 靠巷道边帮使用风镐挖窝子, 用于立支腿, 窝子的深度不小于 180mm, 同侧窝子之间的距离为 1.2m。2) 立支腿:在挖好的窝子位置立支腿, 支腿的安装必须竖直, 保证钢支架受力均匀。3) 架棚梁:在弧形棚梁上标出中线位置, 把棚梁架到支腿上, 梁的两端插入和搭接在支腿的弯曲部分, 搭接部分每侧用两个卡缆包裹联接固定, 通过调节螺栓顶紧力, 允许搭接部分受压时相对滑动实现 U 型钢支架有限收
16、缩。4) 连接加固:每组钢支架之间用由槽钢预制的金属拉杆通过螺栓夹板互相拉紧, 用于加强支架沿巷道轴线方向的稳定性;同时在每架钢支架支腿的两侧巷道帮各施工倾角 60、深 1.2 m 的倾斜服务孔, 用长 1.8m、直径 25 mm 的圆钢, 一端配快干水泥卷锚固于边帮服务孔, 另一端将圆钢与钢支架焊接, 将支腿与巷道边帮锚固。5) 背板填充:背板作业是为了填充拱形梁与巷道顶部之间的空间, 填充物作为巷道与 U 型钢支架之间压力均匀传递的媒介, 保证钢支架组受力的均匀, 更有利于支撑作用的充分发挥, 采用直径为 150mm、长度为 1.6 m 的圆木作为填充物, 密实填充。6) 现浇砼护腿:U
17、型钢支架支护后, 用 C20 现浇砼对钢支架的支腿部分进行浇筑保护, 浇筑尺寸:长 1.8m、厚 0.5m、高 1.0m。3.2 支护实例目前谦比希铜矿主矿体采用崩落法回采的区域为 2 0702 700 勘探线 704770 m 水平分段区域, 从 704m 水平向下已开采至 720 m 水平分段, 该分段位于井口地表以下 720m 深度, 崩落法采场凿岩巷设计在矿体下盘含矿页岩和下盘砾岩交界处。由于该区域地质条件复杂, 矿岩节理裂隙发育, 富水性极高, 受上部开采扰动深部地应力增大等原因, 在凿岩巷掘进、特别是中深孔施工后, 凿岩巷稳定性极差, 支护方法不当和不及时都曾导致巷道垮塌甚至报废,
18、 严重影响本分段乃至下部分段的顺利开采。在分析总结以往类似区域凿岩巷支护经验基础上, 在此区域凿岩巷施工过程中, 在按设计进行锚杆和锚索支护之后, 随即及时跟进进行组装式可缩 U 型钢支架组的快速支护, U 型钢支架组支护施工严格按上述参数设计和施工要点的要求进行。在准备工作做好, 支护材料、器具到位后, 平均 3h 即可安装 1 组 U 性刚支架组, 比传统工字钢钢拱架支护每架节约时间约 5h, 并且支护及时, 保证了崩落法采场的安全回采。到目前为止主采区崩落法开采区域成功应用这种组装式可缩 U 型钢支架组快速支护凿岩巷, 共计安全回采采场 40 多个, 凿岩巷支护长度达 2 000m 以上
19、, 安全回采矿量 50 万 t以上。4 效益分析组装式可缩 U 型钢支架组在谦比希铜矿主矿体崩落法采场凿岩巷支护中成功应用, 实现了凿岩巷的高效、经济、安全施工, 保证了采场的顺利回采。在保证安全高效采矿、适应凿岩巷围岩稳定性特点和凿岩巷功能、支护施工时间短, 劳动强度低, 提高支护效率和采场回采强度及部分 U 型钢支架可回收再利用方面取得了良好的经济和社会效益。经过长时间研究试验和创新, 探索出的快速组装式可缩 U 型钢支架组支护方式, 适应谦比希铜矿崩落法凿岩巷因围岩地质条件复杂、涌水量大、节理裂隙发育及深部高应力等因素影响造成的巷道稳定性差、易冒落垮塌、凿岩巷功能和服务期限短等特点。避免
20、了因支护方法不当和支护不及时造成凿岩巷垮塌冒落甚至报废, 解决了在掘进、中深孔施工及回采过程中凿岩巷的不稳定而造成的经济损失问题, 实现了采场的安全顺利回采。在主矿体深部崩落法开采区域已采出的 50 多万 t 矿量回采过程中起到了关键作用, 取得了可观的经济效益和安全效益。由于组装式可缩 U 型钢支架组可以实现地表预制、井下现场快速组装支护, 与传统的工字钢支架比较, 省去井下焊接等工序, 支护及时且劳动强度低, 支护施工安全保障程度高。现场统计, 平均每组组装式 U 型钢支架组需 3h 左右即可完成支护作业, 而之前采用的传统的普通工字钢支架每架支护时间需要 1 个班的时间, 且劳动强度大,
21、 作业人数多。采用快速组装式可缩 U 型钢支架组支护, 不仅节省工时 60%以上, 减少作业人数, 从而节省支护作业的人工费用, 还缩短了凿岩巷掘进工期和采场总体回采时间, 加快了采场回采作业循环, 提高了采场采矿效率和回采强度。在谦比希铜矿主矿体深部崩落法开采区域, 凿岩巷从掘进开始至采场中深孔爆破出矿结束时间为 2.53 个月, 即凿岩巷服务时间平均为 3 个月, 相对于分段巷和中段巷道的服务时间短的多, 而组装式 U 型钢支架组的支护服务时间可以象传统的工字钢拱架支护时间一样长达数年时间。因此用于崩落法采场凿岩巷支护的组装式 U 型钢支架在中深孔爆破前部分回收再利用是可行和必要的。根据现
22、场实际情况, 确定了回收 U 型钢支架时保证安全和质量的回收原则和标准。即首先确定回收范围为距离采场出矿口 23 排炮孔 (56m) 范围内的 U 型钢支架组;其次在回收前仔细观察巷道尤其是待回收区段的围岩变形和稳定情况, 确保巷道围岩稳定;观察 U 型钢支架组受力情况, 在填充的木料无明显变形或变形很小以及 U 型钢支架没有朔性变形的情况下才可以考虑回收。在回收前, 首先在紧邻 U 型钢支架组前、后用液压支柱支撑巷道顶板和两帮, 在确保安全的前提下拆卸回收符合上述标准的 U 型钢支架组, 回收的 U 型钢支架经相关部门质量检验合格后还可再用于巷道支护。现场生产统计表明, 用于支护的 U 型钢
23、支架组可回收重复利用率在 30%左右, 相当于降低支护材料成本 30%。5 结语经过长时间研究和试验, 探索出的组装式可缩 U 型钢支架组支护方式, 由于在棚梁和支腿搭接部位采用特定的卡缆包裹联接设计, 可实现支架受压时收缩让压功能, 允许围岩通过变形释放部分应力, 使围岩、壁后填充物和 U 型钢支架组组成整体支护体系保证巷道围岩的稳定, 是一种科学、有效, 适于深部地质条件复杂、涌水量大、地应力大、围岩破碎的巷道支护方法。可缩 U 型钢支架组采用地表预制、井下支护现场组装安装的方式, 支护工序简单, 劳动强度小, 支护施工时间短并且及时, 施工效率高;由于凿岩巷服务期限短, 在井下巷道施工可
24、缩 U 型钢支架组支护时, 大部分工序为组装安装工序, 在凿岩巷服务期限期满可安全方便的拆卸回收再利用部分 U 型钢支架, 降低了支护成本。组装式可缩 U 型钢支架组支护方式在谦比希铜矿主矿体深部崩落法区域成功应用, 在保证安全高效采矿、适应凿岩巷围岩稳定性特点和凿岩巷功能、支护施工时间短, 劳动强度低, 提高支护效率和采场回采强度及部分 U 型钢支架可回收再利用方面取得了良好的经济和社会效益。可为其它类似矿山巷道支护提供借鉴。组装式可缩 U 型钢支架组支护方式在今后的巷道支护推广应用过程中, 还需再研制新型轻型、高强度、高韧性支架材料, 进一步降低材料成本, 增加地表预制部件类型、减少井下焊
25、接等环节, 进一步在减轻支护劳动强度、提高施工效率等方面进行深入研究, 拓展其应用范围。参考文献1赵兴国.赞比亚谦比希铜矿床地质特征J.地质与勘探, 2010, 46 (1) :183-190. 2张晋军.谦比希铜矿主矿体无底柱分段崩落法改进途径J.中国矿山工程, 2009, 38 (5) :11-13. 3张晋军, 施发伍, 刘晓辉, 等.“湿喷+树脂锚杆”联合支护技术应用研究J.现代矿业, 2013 (2) :12-15. 4张晋军, 施发伍, 陈志敏, 等.谦比希铜矿破碎矿岩巷道分类分级支护技术J.现代矿业, 2013 (7) :74-76. 5朱献忠, 伍耀斌.赞比亚谦比希铜矿巷道特征与支护实践J.黑龙江科技信息, 2014 (27) :46-47.
