礦山破碎巷道水壓膨脹錨桿加固支護技術及應用

吳振宇，武志明，馮瑞軍，趙傳卿，牟召倫，王海波

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦； 2.北京伊勒派斯科技有限公司)

引 言

中國許多重要的金屬礦產資源都是通過地下開采的方式獲得的，大多數的有色金屬礦山和黃金礦山均為地下開采礦山。隨著淺部資源的逐年回采和消失，以及現有部分露天礦山逐步轉入地下開采，礦山地下開采的比例越來越大。經過幾十年的大規模開采，目前很多地下開采礦山均已進入深部開采或即將進入深部開采。隨著開采深度的不斷增加，地質條件惡化，破碎巖體增多，地應力明顯顯現。在深部高應力的條件下，圍巖具有產生大變形的內外部條件，圍巖的過量變形將會產生大量的破碎、巖層移動、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場塌落等[1-3]，圍巖必須通過有效支護才能防止過量變形而引起的破壞。

現有工程中，一般采用管縫式錨桿、水泥砂漿錨桿、漲殼式錨桿、樹脂錨桿、長錨索等進行預應力支護[4-5]。但以上傳統支護方式都或多或少存在預應力小、被動支護、抗拉拔力小、點接觸受力、施工工藝復雜、勞動強度大、工作效率不高等問題[6-9]。錨桿的作用機理主要是將桿體與巖體間的錨固力、黏結力及摩擦力轉化為錨桿體對巖體的軸向壓力，從而對巷道圍巖塑性區的巖體進行錨拉與懸吊，形成圍巖自身承載拱，增加硐室的承載力[10-13]。而水力式膨脹錨桿(又稱“水壓膨脹錨桿”)是一種較為新型的錨桿，它通過高壓充液，使自身擴體，不但對圍巖巖體沿徑向產生錨拉與懸吊作用，而且環向對圍巖施壓，使部分巖體恢復到或接近原始三向受力狀態，從而減少圍巖塑性區，進一步發揮圍巖自身承載拱作用，大大增加了硐室的承載能力[14-17]。

1 工程概況

山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦(下稱“三山島金礦”)是山東黃金集團有限公司的主體礦山之一，礦區位于城山公路西側400 m，其中，新立礦區位于城山公路西側新立村境內，地處膠東半島西北部的萊州灣濱海平原地帶，其北、西兩面瀕臨渤海，僅東南與陸地相連。地勢低洼而平坦，地面海拔標高一般為1.2～4.5 m，礦區內最高峰為三山島，海拔為67.3 m。新立礦區坐標為東經119°56′15″～119°57′00″，北緯37°23′15″～37°24′00″，地理位置優越，毗鄰渤海萊州灣畔東岸，位于山東省萊州市三山島特別工業區——渤海經濟圈的黃金地帶；地勢較為平坦，水陸交通十分便利。新立礦區為地下開采的濱?；鶐r金屬礦山，礦體與海水間有隔水帶、第四系、風化帶等進行隔離，主要礦體距海平面200～2 000 m。

目前，三山島金礦普遍采用管縫式錨桿進行巷道臨時支護，采用樹脂錨桿作為永久支護材料。管縫式錨桿支護存在錨桿抗拉拔力偏小、錨桿易腐蝕的情況。三山島金礦地下水呈弱酸性，礦巖中含有大量的硫化物，發生化學反應后提高了地下水的酸性，從而使地下水的腐蝕性更強?，F場調查發現，在三山島金礦部分地段支護的金屬管縫式錨桿腐蝕極其嚴重，而腐蝕后的錨桿各種性能極大地減弱，不能有效維護巷道穩定，甚至完全失去作用。而從現場巷道破壞后的錨桿破壞形式來看，有些錨桿從中部發生斷裂，只有部分斷裂的錨桿和圍巖一起垮落；此外，調查還發現部分管縫式錨桿由于發生腐蝕或銹蝕，錨桿尾部的托盤處發生斷裂，導致托盤失效，進而使金屬網脫落，巷道圍巖也發生垮冒。此外，對于三山島金礦高應力破碎圍巖的地質條件，由于樹脂錨桿錨固形式為端頭錨固，端頭的錨固質量決定了錨桿能提供的實際錨固力大小。因此，樹脂錨桿端頭應安裝至頂板穩定巖層中，而對于破碎圍巖，端頭錨固所能提供的錨固力會減弱，使得實際支護阻力難以達到設計的錨固力，影響錨固效果。

從三山島金礦巷道支護中存在的問題可以看出：現有的支護技術不能有效控制地壓，傳統的支護方式與支護材料不能滿足深部開采的需要，現場錨桿支護參數與巖體穩定性狀態不匹配，不能形成錨網與巖體的有效支護整體，也發揮不了錨網對巖體的擠壓而形成拱形壓縮擠壓帶；現用管縫式錨桿端頭破壞后錨固力不足，不能有效錨固并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱；巖體及地下水腐蝕作用較強，現用金屬錨桿易被腐蝕而失去有效支護作用，導致巷道易發生變形垮冒。

因此，對于三山島金礦高應力破碎礦巖，傳統的支護技術和支護材料不能有效控制地壓，應以充分利用圍巖的自穩能力為原則，研究新的支護方法和支護材料。

1.1 礦區礦體特征

礦區現保有39個礦體，分為①號、②號、③號、⑤號、⑦號、⑧號礦體群。①號礦體群分布于主斷裂帶(F1)下盤緊靠主裂面的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中，②號礦體群賦存于①號礦體群下的絹英巖化碎裂巖帶內的黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖中，③號、⑤號礦體群賦存于蝕變帶下盤外帶(黃鐵絹英巖化花崗巖帶)內，⑦號礦體群賦存于主裂面上盤0～65 m的絹英巖化碎裂巖帶內，⑧號礦體群分布于主裂面上盤約600 m處，規模較小。

①-1號礦體為礦區內最大礦體，其礦石量占礦區總礦石量的86.8 %，金金屬量約占礦區總金金屬量的85.5 %。該礦體展布于171勘探線—S56勘探線，分布于F1主斷裂帶以下的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶頂部或中上部，賦存標高-10～-1 824 m。礦體呈較穩定的大板狀，工程控制走向延長一般2 450～3 400 m，最長3 952 m；傾向延伸一般為200～1 600 m，最大延伸2 165 m。礦體賦存于主裂面下0～60 m的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中，產狀嚴格受新立—三山島斷裂帶控制。三山島段礦體走向16°～48°，平均走向33°，傾角32°～57°，平均42°;由北向南，礦體傾角有逐漸變陡的趨勢；由淺至深，礦體傾角有逐漸變緩的趨勢。新立段礦體走向37°～89°，平均走向71°，傾向南東，傾角30°～65°，多為40°～55°，平均52°，但在新立段南段159勘探線—171勘探線，礦體走向發生偏轉，走向約17°，淺部礦體局部傾向北西，傾角70°～80°；深部礦體走向北東，傾向南東。礦體形態整體呈大脈狀，局部呈似層狀和透鏡狀，形態較簡單。沿走向、傾向呈舒緩波狀展布，變化程度沿走向較傾向大。礦體具膨脹狹縮、分支復合現象，分支礦體發育。

礦體厚度 0.92～44.29 m，單工程平均厚度12.90 m，厚度變化系數81.2 %，屬厚度變化較穩定型礦體。礦體沿走向呈兩頭厚大、中間薄的變化特點；在傾向上表現為上部厚大、下部變薄的趨勢，西部95勘探線—171勘探線-600 m以上區域基本被大于10 m的厚大礦體所占據。-700～-1 000 m的中部，三山島段礦體厚度依然厚大，新立段礦體明顯變薄。

礦體單樣金品位最小值0.05×10-6，最大值163.89×10-6；單工程金品位1.03×10-6～23.89×10-6，平均3.00×10-6，品位變化系數167.5 %，屬有用組分分布不均勻型礦體。

三山島及新立采礦權主要開采對象均為①-1號礦體，其已開采區位于67勘探線—S16勘探線-165～-680 m(新立采礦權)及S16勘探線—S56勘探線-50～-600 m(三山島采礦權)。

1.2 新立-560 m西南巷地質概況

新立-560 m水壓膨脹錨桿試驗區巖性主要是絹英巖化花崗巖，主要礦物成分是石英、絹云母、長石等，巖石較為破碎，偶爾可見滴水、淋水。根據工程地質、水文地質條件及礦體賦存條件，節理裂隙發育規律調查，礦區地應力測量和礦巖巖石力學性質試驗結果等，選擇Q分級和RMR分級2種方法進行巖體質量分級。根據實測數據，該區域巖體質量評價結果為：Q值為1.27，為Ⅲ級巖體；RMR值為41.4，為Ⅲ級巖體。因此，確定該區域的巖體質量等級為Ⅲ級。

2 水壓膨脹錨桿作用機理及技術優勢

2.1 結構及作用機理

水壓膨脹錨桿是該支護系統的主體元件，由桿體、閥體等部件組成(見圖1)，通過加壓膨脹為頂板(護坡時為巖體)提供強大摩擦力和支撐力。水壓膨脹錨桿的桿體由高強度、高彈性鋼管制成，沿管全長有一條開縫，管的上端是錐體，管的下端焊有一個用鋼板制成的圓環。桿體壁厚為2～4 mm，水壓膨脹錨桿直徑一般為35～38 mm，鉆孔直徑一般為40～42 mm，錨桿直徑比鉆孔直徑小2～5 mm，長度可根據現場需要進行加工，開縫寬度一般為5～10 mm。水壓膨脹錨桿可以不用錨桿錘就可輕松嵌入已施工的鉆孔中，通過加壓膨脹給鉆孔巖壁以強大的預應力，使錨桿與孔壁之間產生徑向擠壓應力，并與巖壁之間形成強大的摩擦力，使桿體牢固地脹撐在鉆孔內。桿體與孔壁的摩擦力便成為錨固力，甚至使松動區巖石裂縫閉合，集懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用于一體，對井下采空區頂板形成強大的支撐作用。

圖1 水壓膨脹錨桿

水壓膨脹錨桿內部水腔中被注入高壓水(或其他能凝固的漿體，如高水材料、膨脹水泥等)，可為桿體提供壓力，相當于一次性的液壓千斤頂，在10～15 MPa 壓強下，桿體將沿徑向擴張并給孔壁柱750～1 850 kN的壓力，將桿體牢牢地擠壓在孔壁上，大大增加桿體與圍巖的摩擦力，達到220～550 kN，基本接近錨桿材料的抗拉強度。

2.2 技術優勢

以長1.8 m的水壓膨脹錨桿為例，在10～17 MPa壓強下，錨桿將沿四周擴張并給巖壁750～1 850 kN的壓力，錨桿與巖壁形成強大的摩擦力，經試驗證明，可達到100～300 kN的抗拉拔力(巖石性質不同，摩擦系數不同)，抗拉拔力能接近錨桿材料的極限抗拉強度，而一般的管縫式錨桿抗拉拔力為15～30 kN。水壓膨脹錨桿的強大預應力會使頂板裂隙閉合，使松散巖石不致掉落，并形成組合拱支撐頂板，根據巖石條件錨桿網度可以大幅度降低，并可以將水壓膨脹錨桿加長使用。傳統錨桿一般為1.8 m，水壓膨脹錨桿可以根據需要加工成2.5 m、3.0 m或更長。若錨桿長大于3.0 m時，可以將錨桿分成多節加工，進行組合連接，可以達到十幾米或更長，內部充壓介質更換為能凝固的漿體(如高水材料)，就會起到長錨索的作用。水壓膨脹錨桿也可以與傳統的管縫式錨桿搭配使用，會起到更好的組合拱作用。水壓膨脹錨桿支護與傳統支護方式相比具有以下特點：

1)水壓膨脹錨桿為主動給力支護，在巖石未形成二次變形或應力重新分布之前就提供了強大的支撐力。

2)安裝簡單、靈活、省力。

3)主動提供強大支撐力和摩擦力。

4)可以根據井下工程需要，加工為長度不等的錨桿。

5)水壓膨脹錨桿可以加工成多節，連接后注入能凝固的漿體(如高水材料)后，會達到與長錨索同樣的效果和作用。但施工要比長錨索簡單，支護效果也比長錨索效果好，勞動強度大幅度降低，工作效率大幅度提高。

6)該支護和支護帽一樣屬于柔性支護，更適用于地壓較大的深井支護，對防止深井巖爆或巖崩，以及安全生產具有重大意義。

3 巷道水壓膨脹錨桿支護數值模擬

本次數值模擬以三山島金礦實際地質條件為依據，建立三山島金礦巷道數值模型。針對可影響支護效果的錨桿排距和錨桿間距2種因素，利用Flac3D軟件，對不同方案分別進行數值模擬研究，從頂板圍巖應力、變形、塑性區等幾個方面，分析不同支護方案對頂板的支護效果。

3.1 數值計算模型建立

模型尺寸長×高×寬為60 m×43 m×20 m，以巷道斷面形狀進行具體建模，由于巷道斷面為三心拱形，因此通過Extrusion拉伸建模的方式建立三維模型。巷道斷面為三心拱形斷面，凈寬4 600 mm，墻高2 500 mm。在巷道周圍對網格進行加密，提高應力、位移等礦壓顯現數據的精度。數值模型三維視圖及網格劃分見圖2。

圖2 數值模型三維視圖及網格劃分

從礦山巖體工程的宏觀范圍考慮，采用摩爾-庫侖屈服條件和相關聯流動準則。摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb Model)能夠反映巖土材料不同抗壓強度的S-D效應及對正應力的敏感性，適用于脆性和塑性巖體的剪切破壞，但理想的彈塑性本構模型與巖體的實際力學行為存在差別。根據實際經驗與井巷工程理論，計算模型邊界條件上部為垂直荷載邊界，其余各側面和底面為法向約束邊界，計算時按原巖應力場考慮。為了清除邊界效應，模型范圍取開挖巷道跨度的3～5倍。巷道圍巖視為各向同性均質巖體，巖層材料采用Mohr-Coulomb 屈服準則，大應變變形模式。模型的上邊界條件可簡化為模型上方一定的地層壓力作用，左、右兩邊邊界有水平應力，模型的底邊界和左、右邊界采用零位移邊界條件。數值模擬巖體力學參數見表1。

表1 數值模擬巖體力學參數

在Flac3D軟件中有錨索單元和樁單元2種單元來模擬錨桿。錨索單元通過結構單元和巖體之間的摩擦及自身的強度提供承載力，且只能承載軸向的拉伸和壓縮載荷。通常情況下，錨索單元適合模擬徑向錨桿和預應力錨桿，這類錨桿主要提供軸向承載力。樁單元與錨索單元的不同在于除了可以提供軸力外，還可以承載彎矩。其承載能力大小與結構單元和巖體之間的摩擦,以及結構單元的強度、剛度和橫截面積有關。根據Flac3D軟件內置結構單元的特點，采用樁單元模擬水壓膨脹錨桿，對錨桿的支護效果進行對比分析。

3.2 計算結果與分析

3.2.1 不同錨桿排距巷道圍巖穩定性分析

對巷道進行水壓膨脹錨桿支護，每排布置5根錨桿，錨桿間距為2.0 m，錨桿排距分別為1.0 m、1.3 m、1.5 m、2.0 m，研究錨桿排距對巷道圍巖穩定性的影響。

1)垂直位移比較分析。不同錨桿排距下，巷道垂直位移云圖見圖3。由圖3可知：減小錨桿排距能顯著降低頂板下沉量，錨桿排距為2.0 m時，頂板最大下沉量為27.6 mm；錨桿排距減小為1.5 m時，頂板最大下沉量為24.5 mm，效果明顯；錨桿排距為1.3 m時，頂板最大下沉量為23.9 mm；錨桿排距為1.0 m時，頂板最大下沉量為23.5 mm，說明再減小錨桿排距，對抑制頂板下沉效果有限。

圖3 不同錨桿排距垂直位移云圖

2)塑性區比較分析。不同錨桿排距塑性區云圖見圖4。由圖4可知：隨著錨桿排距的減小，塑性區范圍明顯減小，錨桿錨固位置幾乎不發生塑性破壞，說明水壓膨脹錨桿能夠對圍巖起到較好的加固作用，將圍巖“擠”為一體，從而提高圍巖的承載能力。

圖4 不同錨桿排距塑性區云圖

3.2.2 不同錨桿間距巷道圍巖穩定性分析

模擬錨桿排距均為1.5 m時，不同錨桿間距對巷道圍巖穩定性的影響。錨桿間距分為3種情況：每排布置5根錨桿(錨桿間距1.5 m)、每排布置5根錨桿(錨桿間距2.0 m)、每排布置6根錨桿(錨桿間距1.5 m)。

1)垂直位移比較分析。不同錨桿間距時，巷道圍巖垂直位移云圖見圖5。由圖5可知：在每排均布置5根錨桿時，減小水壓膨脹錨桿間距能顯著降低頂板下沉量。錨桿間距為2.0 m時，頂板最大下沉量為24.5 mm；錨桿間距減小為1.5 m時，頂板最大下沉量為22.9 mm，效果明顯。在每排布置6根錨桿，間距為1.5 m時，頂板最大下沉量為24.1 mm，略高于每排布置5根錨桿時，這是由于巷肩位置的2根錨桿更靠近巷幫，對頂板的懸吊作用有所減弱。

圖5 不同錨桿間距垂直位移云圖

2)塑性區比較分析。不同錨桿間距塑性區云圖見圖6。由圖6可知：在每排布置6根錨桿，錨桿間距為1.5 m時，圍巖塑性區范圍最小，說明提高支護密度能夠減小塑性破壞范圍。且在水壓膨脹錨桿錨固位置幾乎不發生塑性破壞，說明水壓膨脹錨桿能夠對圍巖起到較好的加固作用，將圍巖“擠”為一體，從而提高圍巖的承載能力。

圖6 不同錨桿間距塑性區云圖

綜上可知，減小錨桿排距能降低頂板下沉量，減小塑性區分布范圍，提高頂板支護效果。

同時，減小錨桿間距也能顯著提高圍巖支護效果，在模擬中，錨桿間距減小，對減小頂板下沉量效果明顯。在錨桿間距相同時，每排布置6根錨桿時的塑性區小于每排布置5根錨桿時的塑性區，支護效果更好。而且，模擬中也發現，在拱頂最中間布置1根錨桿，對控制頂板最大下沉量可起一定作用?？偟膩碚f，錨桿間距越小，頂板及幫部圍巖控制效果越好。在實際施工時，也應綜合考慮地應力大小、頂板破碎程度等，確定錨桿間距，在地質條件較好時可適度增加錨桿間距，但最大錨桿間距也不宜超過2.0 m。

4 工程應用

4.1 支護方案

根據新立-560 m西南巷、西山-360 m探礦巷、西山-945 m北巷3個試驗地點的地質力學條件，以及前述理論分析和數值模擬分析，分別提出3條巷道的水壓膨脹錨桿支護設計方案，并進行工業試驗。其中，新立-560 m西南巷水壓膨脹錨桿支護設計方案見圖7。

圖7 新立-560 m西南巷水壓膨脹錨桿支護設計方案

4.2 錨桿抗拉拔力測試及分析

為測試水壓膨脹錨桿的錨固效果，對水壓膨脹錨桿和管縫式錨桿的抗拉拔力進行測試，并進行對比分析，測試地點選在新立-560 m西南巷。水壓膨脹錨桿的抗拉拔力測試分為加壓后抗拉拔力測試和泄壓后抗拉拔力測試。注水壓力取12 MPa左右，注水完畢用拉拔儀進行拉拔，獲取加壓后水壓膨脹錨桿的抗拉拔力。6 d后對錨桿進行泄壓，得到泄壓后抗拉拔力，錨桿抗拉拔力測試試驗結果見圖8。

圖8 新立-560 m西南巷錨桿抗拉拔力試驗結果

由圖8可知：管縫式錨桿抗拉拔力為20～30 kN，而水壓膨脹錨桿抗拉拔力可達100 kN左右，泄壓后抗拉拔力依然明顯高于管縫式錨桿。這說明水壓膨脹錨桿更能對圍巖起到擠壓加固作用，提供較強的支護阻力，保證錨固效果。

5 結 論

1)對水壓膨脹錨桿作用機理進行了深入分析，理論表明水壓膨脹錨桿能夠大大增加錨桿對圍巖的約束力，起到更好的錨固效果，并進一步發揮圍巖自身承載拱作用，增強硐室的承載能力。

2)對巷道圍巖水壓膨脹錨桿支護效果進行了數值模擬分析，對比分析了錨桿排距、錨桿間距、每排錨桿數等因素對巷道圍巖應力、變形、塑性區等特征的影響規律。減小錨桿排距和間距，能改善頂板支護效果。實際施工中，應綜合考慮地應力和頂板破碎程度，確定錨桿間、排距。

3)對支護設計方案進行了現場應用，并進行了支護效果監測與評價。錨桿抗拉拔力測試表明，管縫式錨桿抗拉拔力為20～30 kN，而水壓膨脹錨桿抗拉拔力可達100 kN左右，泄壓后抗拉拔力依然明顯高于管縫式錨桿，說明水壓膨脹錨桿更能對圍巖起到擠壓加固作用，提供較強的支護阻力，保證錨固效果。