采礦工程預控頂支護技術(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。在圍巖等級低，裂隙發(fā)育等位置更是易出現(xiàn)頂板冒落等嚴重的安全事故，因此，采礦工程中用于加固頂板質(zhì)量的預控頂支護技術(shù)十分必要。在實際的礦山開采項目中，如何根據(jù)采場頂板的實際情況來選擇有效、經(jīng)濟的預控頂支護技術(shù)是預控頂支護中的重點、難點問題。本文對采場頂板的冒落原因、預控頂支護技術(shù)進行系統(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方案，應(yīng)用FLAC對兩種支護方案進行建模數(shù)值分析，對比不同方案的優(yōu)缺點，優(yōu)化后得到最優(yōu)支護方案。
關(guān)鍵詞：頂板支護；采礦工程；數(shù)值分析；導管注漿
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，采礦工程中的預控頂支護技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展十分重要，故必須要發(fā)展相關(guān)的支護技術(shù)的理論及支護方法。技術(shù)發(fā)展的同時也需要兼顧經(jīng)濟效益，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]。本文通過對預控頂支護進行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬來對優(yōu)化支護方案，以尋求經(jīng)濟和安全之間的最優(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作用。
1常用的預支護技術(shù)
預支護技術(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，還是市政工程都時常能見到預支護技術(shù)的應(yīng)用。當前，主流的預支護技術(shù)如圖1所示。
1.1小導管注漿
在作業(yè)面頂板位置，均勻插入小導管布置，采用高壓注漿機往導管內(nèi)注漿，漿料硬化將在作業(yè)面上方產(chǎn)生具有一定強度的支護圈，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，但是支護抗彎性能較差。
1.3超前錨索桿
是實際工程中最為常用的支護方式，通過對工作面施加錨桿進行超前預加固。
2頂板冒落原因分析
頂板冒落產(chǎn)生的原因機理較為復雜，大致來說可以從頂板的事故種類、巖體問題類型、頂板冒落這幾個方面來進行分析。
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)時未對破碎頂板進行及時支護所導致，后者冒落面積大，且具有突發(fā)性，并且造成的后果嚴重，其原因多是因為巖體破壞加劇導致超過巖層變形臨界點。
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。而巖體的抗拉強度一般比較小，當圍巖的暴露面積相對過大、頂板處的圍巖中的拉應(yīng)力超過巖體抗拉強度時，就發(fā)生了頂板的破壞和冒落。
3金屬礦山的頂板支護設(shè)計
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)計兩種支護方案如下。
3.1錨索桿+小導管注漿支護
頂板支護采用小導管注漿工藝，并且打入錨索進行聯(lián)立支護。通過錨索和小導管的共同支護作用，提高了頂板的抗剪切和抗拉強度，使頂板的抗變形能力變大。
3.2錨索+錨桿的聯(lián)立支護
此方案采用錨索桿的超前支護進行聯(lián)立支護。
4數(shù)值模擬及分析
4.1模型參數(shù)設(shè)置
模型所設(shè)計的材料的參數(shù)，包括采區(qū)圍巖體的力學參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)。
4.2數(shù)值模擬
對本文設(shè)計的兩種方案進行了數(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，在未采取支護措施的情況下，頂板最大位移量31.64mm，錨桿加小導管注漿聯(lián)立支護方案的最大位移量為22.98mm。錨索+錨桿的聯(lián)合支護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+小導管注漿的方式較優(yōu)，從而在該礦山的頂板預支護中采用這一方案。
5結(jié)語
通過模擬研究表面明，采用錨桿+小導管的支護方案優(yōu)于錨索桿支護，復合以往的實際經(jīng)驗。這也表明通過對預控頂支護進行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬可以更好的輔助優(yōu)化預控頂支護方案。
參考文獻
[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,2005.
[2]王猛.煤礦深部開采巷道圍巖變形破壞特征試驗研究及其控制技術(shù)[D].遼寧工程技術(shù)大學,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技術(shù)[J].煤炭學報,2011,04:535-543.
[4]李松青.基于實物期權(quán)理論的礦業(yè)權(quán)價值評估研究[D].中南大學,2009.
作者：趙其禎 單位：甘肅省金川集團有限公司二礦區(qū)
