9-新城金矿主动联合支护技术在深部破碎软弱围岩巷道中的推广应用
主动联合支护技术在深部破碎软弱围岩巷道中的应用
一、研究背景
1.项目背景
随着矿山开拓深度的逐步下移，所遇深部高地应力、高地温、高渗透压以及强烈开采扰动所造成的“三高一扰动”的恶劣地质环境。为确保作业安全及满足巷道的长久服务年限，结合浅部巷道采用的锚杆、U型钢支护、锚索、锚网及喷浆支护经验，对深部巷道主要采取了锚喷或U型钢支架支护技术。在深部破碎、软弱围岩巷道中，简单的采取锚喷或U型钢支架支护在巷道开挖后围岩应力重新达到稳定状态后，往往会出现支护体发生严重变形失去其支护效果。采用U型钢支架进行永久支护，此项支护措施可在一定地应力的情况下确保围岩稳定，但是其支护成本高、作业效率低且无法在硐室施工中进行应用，增加了支护成本，减缓了深部开拓巷道的施工效率，降低了企业的经济增长。
2.国内外现状
国外对不同的围岩采用不同类型的金属支架，金属支架用量约占支护总量的70%左右。金属支架以其良好的支护效果，在浅部开采中得到了发展。但随着采深的增大，赋存条件的复杂化，深部软岩巷道采用传统支护已不能控制其稳定性，需不断进行翻修处理，甚至报废，已不适应深部开采的需求。
国内在软岩支护领域进行了广泛而卓有成效的工作，硐室一般采用料石、混凝土砌碹，大巷以锚杆支护为主，随后推广锚索和U型钢支架支护。随着开采深度的增加、开采范围的扩大，软岩支护变得越来越突出，一系列新型支护体系如钢支护、锚杆、锚网+喷浆等新技术相继出现。
大量的实践证明下，U型钢支架，耗用钢材巨大，支护成本较高; 单纯使用锚杆支护难以使较大松动圈范围内的破碎岩块完全处于受压状态而形成组合拱。
因此，在软岩巷道工程支护技术方面，由过去单一的支护形式逐步发展为多次支护、联合支护形式，以便充分发挥各种支护形式的优越性，弥补不足，共同作用，促使软岩巷道围岩长期稳定。
有鉴于此，需针对深部软弱、破碎围岩中巷道进行全面的支护技术研究，做好深部资源开发利用这篇大文章，掌握深部支护关键技术，为矿山跨越式发展、超常规发展提供技术支撑与技术储备。
二、研究内容
1.支护机理
巷道开挖后之所以发生冒顶、片帮等现象，是因为围岩原来的应力平衡被破坏，造成顶板岩层的离层松动。若及时封闭岩面，防止围岩过分有害松动及原生节理、裂隙的张开和新的破裂面的产生，使围岩避免受到水、及风华的影响，则围岩形成新的应力平衡，重新达到稳定状态。加上破裂岩体对围岩的变化具有较强的敏感性，故在巷道开挖初期，微小的支护阻力对巷道的稳定性都是至关重要的，所以在深部围岩开挖后所采用的支护工艺需抓住以下几个要点。
① 支护及时性是深部软弱、破碎围岩支护的第一要点。
② 考虑锚杆绝大部分只能锚固在直接顶或者比较松软的围岩内，不能确保其“悬吊”作用。应考虑以“压缩组合梁”为主，“悬吊”作用次之。③ 强化巷道两帮支护，控制巷道两帮失稳破坏，避免因片帮而加大巷道跨度，给支护带来困难。
④ 支护结构必须对围岩的变形有足够的适应性，保证及时巷道变形较大也不会导致支护结构的失稳破坏，及由浅部的刚性被动支护转换成深部的主动积极支护。
2.主动联合支护工艺
结合深部软弱破碎围岩所处的“三高一扰动”复杂的地质条件下，充分把握围岩支护机理，做好支护的及时性、强化两帮支护、支护体具备一定的弹性变形。有鉴于此，我矿深部回风井贯通巷施工期间，针对深部围岩破碎区域采取了“人工编网+锚喷”联合支护工艺。
巷道开挖后及时对揭露的围岩顶、帮进行封闭，采取喷射混凝土形式进行临时支护。
混凝土主要采用标号32.5R普通硅酸盐水泥，级配较好的河沙，0.5-1cm的干净的石子，以及添加适量的速凝剂。其主要质量配合比为水：水泥：砂：石子=182：405：963：838，其中速凝剂用量为水泥用量的3%，喷射混凝土强度为C20，喷射厚度为5cm。
（2）顶、帮整体支护
主要采用树脂锚杆、φ6.5mm圆钢及钢带进行联合支护。其主要工艺分为以下四步：
第一步采用φ32mm钻头施工锚孔，锚孔网度为1.0m×1.0m。
第二步采用φ6.5mm圆钢进行编扎钢筋网，网度为200mm×200mm，采用扎丝隔一绑一进行固定；钢筋网编扎时需根据已形成的巷道轮廓进行编扎，钢筋必须紧贴巷道顶、帮。
第三步锚杆采用φ20mm，长度为1.8m，树脂锚杆安装必须采用专用锚杆安装机进行安装，确保安装质量；锚固剂规格为40cm×28mm（Z2840），每孔填装两支锚固剂，锚固剂凝固时间为90s，锚杆外露长度为10cm~15cm。托盘压紧钢带，采用风动扳手将螺帽上紧，确保锚杆安装质量。钢带采用φ12mm圆钢加工而成，长度为2.0m，宽度为10cm，钢带沿巷道方向采用树脂锚杆固定，树脂锚杆托盘压至钢带上，将钢编网、树脂锚杆以及钢带形成一体。
第四步对已完成的锚杆、编扎形成的钢筋网、钢带进行喷射混凝土封闭，喷射厚度为5cm，强度达C20。
通过以上四步将锚杆、锚网及钢带形成整体，达到“组合梁”的作用对软弱破碎围岩顶、帮进行整体支护。因此项工艺所采用的支护方式将支护体与围岩形成整体，所形成的组合应力拱对围岩起到积极主动的支护效果，支护体具有较强的弹性伸缩，能够在围岩达到自稳期间有效的适应围岩的变形。
三、“人工编网+锚喷”支护工艺的优点
此项支护措施可有效的满足深部软弱破碎围岩支护，相对U型钢支架及锚杆支护或锚喷支护有以下优点。
1、支护强度高：相对于锚杆、锚喷单一支护措施，此项支护工艺所达到的支护强度较高，通过锚杆、钢带及喷浆体将巷道围岩与支护体形成具有一定弹性变形的整体，可满足深部高应力情况下的支护，在巷道开挖支护围岩达到重新稳定期间承受围岩的变形。围岩应力重新分布后与支护体重新形成一个整体结构，达到深部软弱破碎围岩的支护。U型钢支架为一项被动刚性支护措施，弹性变形较小，在深部高应力情况下围岩重新自稳时，若其抗压强小于地应力，其会出现倒塌现象无法达到有效的支护措施。
2、服务年限长：U型钢支架或钢支护无法与围岩进行有效的贴合，需在壁后填塞充填物与围岩形成紧贴，起到支护作用。“人工编网+锚喷”支护工艺将钢筋网直接贴合与顶、帮，并采用混凝土封闭，减少钢筋腐蚀，具有更长的服务年限。
3、支护成本低、支护效率高：深部软弱破碎围岩目前更多的采用U型钢制架支护，其钢材使用量、人工劳动强度上其支护成本较高；采用“人工编网+锚喷”支护工艺主要采用的树脂锚杆、φ6.5mm钢筋及钢带，作业人员强度相对于厚重的U型钢支架其支护效率较高。
以下为“人工编网+锚喷”联合支护技术在我矿-930m中段回风井贯通巷工程的运用实例：
1.爆破作业后软弱破碎围岩现场图
此处围岩软弱、破碎，爆破后围岩自稳能力较差，顶、帮出现明显滑帮现象。
2、临时支护及编网现场图
针对破碎围岩采取喷浆及木立柱临时支护，确保支护人员安全作业，采取φ6.5mm钢筋进行编扎，并采用钢带及树脂锚杆进行固定。
3、U型钢支架与联合支护对比图
通过现场试验及监测，此项支护工艺可有效的满足深部软弱破碎围岩支护，在对防渗要求较低的硐室开挖中亦可采取此项支护工艺。此项支护措施可充分应用与矿山深部开拓工程施工之中。
四、经济效益分析
通过人工费、材料费及施工机械及器具使用费对U型钢支架与“人工编网+锚喷”支护工艺进行对比，此项支护工艺比U型钢支架每米支护成本节省2500元。按照矿山深部所遇软弱破碎围岩长度为1000m计算，每年可节省费用50万元。
