一種地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法與流程

2023-10-11 16:16:44

本發明涉及一種地下礦山大規模首採水平礦塊頂板拱懸掛橋梁支護承載方法，屬於地下礦山水平礦塊頂板支護方法技術領域。

背景技術：

隨著鋼鐵工業的迅猛發展，鋼鐵工業對鐵礦石需求日益增加，除了大量進口鐵礦石之外，冶金礦山企業對地下礦進行大規模的開採勢在必行。當前，進行大規模井下開採必須解決的眾多的技術性難題。其中，具有急傾斜厚大或極厚大礦體的地下礦山特別適於大規模開採，因其礦塊內礦房垂直礦體走向布置，並形成多礦房(礦塊內劃分成一二步礦房進行回採充填)同時開採，但回採水平必將因採動影響發生地壓變異，為保持井下大規模開採的安全和有序進行，就需要針對這種大規模地下開採礦塊頂板巖層的穩定性進行新型支護技術研究，並將整個開採水平作為整體計算考慮。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法，這種方法對地下礦山懸掛橋梁支護從支護承載機理、支護力學模型和支護參數三方面進行了創新，解決了使用懸掛橋梁支護方法提高礦塊頂板巖層的穩定性的問題。

解決上述技術問題的技術方案是：

一種地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法，它採用以下步驟進行：

1.利用公式計算拱懸掛橋梁承載支護體系的內力值、計算設計深部注漿錨索的布設位置及其長度值、以及利用計算結果決定對礦體上下盤處是否進行注漿錨杆加固；

2.利用礦房上部剛掘進的鑿巖硐室，在硐室頂板打入注漿中空錨杆，形成各個礦房頂板淺層小拱壓縮區來承載大拱下覆巖層自重；

3.在每個礦房或相隔幾個礦房的鑿巖硐室頂板打入注漿錨索，形成深部懸掛機構，將大拱下覆巖層自重分配到大跨不可逆三鉸拱結構上；

4.在礦體上下盤礦房鑿巖硐室水平或微傾斜打入注漿錨杆加固大跨三鉸拱拱腳承載能力；

5.最後，對注漿錨杆和注漿錨索進行加固。

上述地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法，所述計算拱懸掛橋梁承載支護體系的內力值的公式為：

公式(i)中的標號如下：

va、vb—為拱腳垂直反力，n；

ha、hb—為拱腳水平反力，n；

fi—為注漿錨索懸掛力，n；

x—代表橫坐標值，m；

f—為大跨拱拱失，m；

l—大跨拱跨度，m；

—為對應簡支梁c點處彎矩,n*m；

q(x)—為大跨拱結構上覆載荷函數。

上述地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法，所述計算設計深部注漿錨索的布設位置及其長度值的公式為：

公式(ii)中的標號如下：

l』—為礦塊(或礦房)長度，m；

ρ—為巖層密度，kg/m3；

g—重力加速度，取10n/kg；

d—為錨索鑽孔直徑，m；

li—為第i個錨索的長度，m；

σ—為錨索的抗拉強度，pa；

則中空注漿錨索總長度為：

上述地下礦山拱懸掛橋梁支護承載方法，所述注漿錨杆和注漿錨索的支護參數為：

淺層中空注漿錨杆：錨杆直徑ф25mm，錨杆長3.5m，鑽孔孔徑ф42-46mm，錨杆排距1.5m～2m，排內錨杆間距1.2m～1.5m；

上下盤水平中空注漿錨杆：中空錨杆在硐室立幫上按照錨杆排距1.5m～2m，排內錨杆間距0.8m～1.2m布設，錨杆直徑ф25mm，錨杆長5m，鑽孔孔徑ф42mm-46mm。

本發明的有益效果是：

本發明在礦房鑿巖硐室形成的過程中，適當讓硐室頂板巖體自行變形、釋放應力，然後再利用大水礦山注漿的工藝過程，加以錨固注漿，並將大跨度不可逆三鉸拱結構之下巖層自重懸掛到拱形結構上，就會形成包含深層錨索懸掛機構、淺層錨杆壓縮機構、上下盤水平加固機構、礦房圍巖自穩機構四大承載機構的拱懸掛橋梁支護承載體系。其中，中空錨杆注漿主要作用在於頂板淺層加固，中空錨索注漿則在於深部加固。

本發明通過公式計算及分析過程，可有效計算布設深部注漿錨索，並對大跨不可逆三鉸拱結構的穩定性進行分析，進而布設淺層注漿錨杆和拱腳註漿錨杆，形成加固支護區，綜合深層錨索懸掛機構、淺層錨杆壓縮機構、上下盤水平加固機構、礦房圍巖自穩機構四大承載機構的支護方法，可保障井下大規模礦體開採安全。

本發明是地下礦山懸掛橋梁支護承載方法的首創，這種方法對地下礦山懸掛橋梁支護從支護承載機理、支護力學模型和支護參數三方面進行了創新，解決了使用懸掛橋梁支護方法提高礦塊頂板巖層的穩定性的問題，為地下礦山支護方法開闢了新的途徑，具有廣闊的發展前景。

附圖說明

圖1是本發明的拱懸掛橋梁支護示意圖；

圖2是本發明的拱懸掛橋梁承載機構示意圖；

圖3是本發明受力分析圖。

圖中標記如下：上覆載荷1、三鉸拱2、懸掛錨索3、深層錨索懸掛區4、淺層錨杆壓縮區5、上下盤水平加固區6。

具體實施方式

經研究發現，對於超大規模化的急傾斜極厚大礦體(一般傾角≥55°，厚度在100m～200m水平厚度)，地下首採埋深在300～400m左右；該類礦體礦房長度方向與礦體走向一致，礦塊內礦房採取分步式間隔開採，一步和二步礦房的寬度在16m～24m之間，礦房長度一般為50m～60m，階段高度一般為50m～100m；礦房底部採用塹溝式底部結構，鑿巖水平布置在礦房頂部，開鑿下向垂直深孔進行側向爆破崩落礦石或vcr法下向崩落礦石。在分步式開採過程中，回採水平頂板上覆巖層中形成一個不可逆大跨三鉸拱結構(該結構的拱失與跨度值相等)，受礦房礦石回採影響，頂板及上下盤礦巖體穩定性有不同程度影響，尤其是頂板存在開裂擴展引發大跨拱下覆巖層冒落的危害。

(一)本發明的拱懸掛橋梁支護承載機理

在厚大以上礦體大規模開採過程中，由於地壓變異影響，在礦體水平寬度範圍內，礦塊上覆巖層中形成大跨度不可逆三鉸拱承載結構來承擔拱形結構之上的礦巖重力，拱形之下的巖層自重則需要二步回採礦房礦柱來支撐維護。研究利用新奧法思想，在一二步礦房鑿巖硐室形成的過程中，適當讓硐室頂板(即礦塊頂板)巖體自行變形、釋放應力，然後再利用大水礦山注漿的工藝過程，加以錨固注漿(中空錨杆注漿和中空錨索注漿)。其中，中空錨杆注漿主要作用在於頂板淺層加固；中空錨索注漿則在於深部加固，並將大跨度不可逆三鉸拱結構之下巖層自重懸掛到拱形結構上，形成拱懸掛橋梁支護體系。

該拱懸掛橋梁支護體系，首先是利用礦房上部剛掘進的鑿巖硐室，在硐室頂板打入注漿中空錨杆，形成各個礦房頂板淺層小拱壓縮區來承載大拱下覆巖層自重；再在每個礦房或相隔幾個礦房的鑿巖硐室頂板打入注漿錨索，形成深部懸掛機構，將大拱下覆巖層自重分配到大跨不可逆三鉸拱結構上；最後在礦體上下盤礦房鑿巖硐室水平或微傾斜打入注漿錨杆加固大跨三鉸拱拱腳承載能力。這樣，就會形成包含深層錨索懸掛機構、淺層錨杆壓縮機構、上下盤水平加固機構、礦房圍巖自穩機構四大承載機構的拱懸掛橋梁支護承載體系(見附圖2)。

(二)本發明的拱懸掛橋梁支護承載力學模型

本發明依據拱懸掛橋梁支護承載機理創造了力學分析模型，模型結構受力圖見附圖3。

這裡，模型公式(i)中，

va、vb—為拱腳垂直反力，n；

ha、hb—為拱腳水平反力，n；

fi—為注漿錨索懸掛力，n；

x—代表橫坐標值，m；

f—為大跨拱拱失，m；

l—大跨拱跨度，m；

—為對應簡支梁c點處彎矩,n*m；

q(x)—為大跨拱結構上覆載荷函數。

利用模型公式i可以求解大跨拱結構內力值。

模型中的f錨索懸掛力可根據大跨不可逆三鉸拱下覆巖層自重進行近似求解計算：

公式(ii)中，

l』—為礦塊(或礦房)長度，m；

ρ—為巖層密度，kg/m3；

g—重力加速度，取10n/kg；

d—為錨索鑽孔直徑，m；

li—為第i個錨索的長度，m；

σ—為錨索的抗拉強度，pa。

則中空注漿錨索總長度為：

利用公式(i)～(iii)可以進行大跨不可逆三鉸拱承載結構和深層中空注漿錨索的尺寸參數設計和布局。

(三)支護參數

1.淺層中空注漿錨杆

錨杆直徑ф25mm，錨杆長3.5m，鑽孔孔徑ф42-46mm，錨杆排距1.5m～2m，排內錨杆間距1.2m～1.5m。同時，類比採用直徑為6.5mm的鋼筋，按照300mm×300mm進行金屬網編制。噴射混凝土水泥、砂子、碎石的配比為1:2:2，水灰比為0.4～0.45，水泥採用普通矽酸鹽水泥，標號425，噴射厚度150mm，進行掛網噴射混凝土進行硐室內頂板表層支護。

2.上下盤水平中空注漿錨杆

中空錨杆在硐室立幫上按照錨杆排距1.5m～2m，排內錨杆間距0.8m～1.2m布設。錨杆直徑ф25mm，錨杆長5m，鑽孔孔徑ф42mm-46mm。同樣，類比採用直徑為6.5mm的鋼筋，按照300mm×300mm進行金屬網編制。噴射混凝土水泥、砂子、碎石的配比為1:2:2，水灰比為0.4～0.45，水泥採用普通矽酸鹽水泥，標號425，噴射厚度150mm，進行掛網噴射混凝土進行硐室內頂板表層支護。

3.深層中空注漿錨索

錨索技術參數：鋼絲公稱直徑6.0mm；錨索索體直徑ф22mm；長度≥8000mm；安裝孔徑ф32mm；強度1760mpa；樹脂錨固長度1000～1500mm；中空注漿管規格內徑ф7.5mm外徑ф10mm；注漿壓力≥5.0mpa，最大7.0mpa。

錨索的長度、根數及布置位置應根據模型公式(iii)計算求解。

具體實施的步驟：

(1)利用公式計算拱懸掛橋梁承載支護體系的內力值、計算設計深部注漿錨索的布設位置及其長度值、以及利用計算結果決定對礦體上下盤處是否進行注漿錨杆加固；

(2)利用礦房上部剛掘進的鑿巖硐室，在硐室頂板打入注漿中空錨杆，形成各個礦房頂板淺層小拱壓縮區來承載大拱下覆巖層自重；

(3)在每個礦房或相隔幾個礦房的鑿巖硐室頂板打入注漿錨索，形成深部懸掛機構，將大拱下覆巖層自重分配到大跨不可逆三鉸拱結構上；

(4)在礦體上下盤礦房鑿巖硐室水平或微傾斜打入注漿錨杆加固大跨三鉸拱拱腳承載能力；

(5)最後，對注漿錨杆和注漿錨索進行加固。

在步驟1中，計算過程如下：

(1)利用公式(ii)與(iii)計算設計深部注漿錨索的布設位置及其長度值；

(2)利用公式(i)計算拱懸掛橋梁承載支護體系的內力值，有助於大跨結構的穩定性分析；

(3)最終基於步驟(2)的計算結果決定對礦體上下盤處(大跨拱結構拱腳處)是否進行注漿錨杆加固。但受大規模開採強爆破擾動影響，礦塊頂板水平的淺層中空注漿錨杆加固是必要的，也是形成大跨拱結構下覆巖層的託梁的必要手段。

通過上述公式及分析過程，可有效計算布設深部注漿錨索，並對大跨不可逆三鉸拱結構的穩定性進行分析，進而布設淺層注漿錨杆和拱腳註漿錨杆，形成加固支護區，綜合深層錨索懸掛機構、淺層錨杆壓縮機構、上下盤水平加固機構、礦房圍巖自穩機構四大承載機構的支護方法，可保障井下大規模礦體開採安全。

本發明的一個實施例如下：

司家營南區田興鐵礦礦體水平厚度200m(大跨拱的跨度)，拱失200m，傾角45°～60°，首採水平上覆荷載q＝10.4mpa，礦體單軸抗壓強度13.59mpa，礦巖密度3300kg/m3，礦房長度50m(l』)。

實施步驟：

首先，選擇中空注漿錨索鑽孔孔直徑0.032m，錨索抗拉強度1.76*e9pa，利用公式(ii)與(iii)可得到錨索總長度值為180m，考慮施工設計與組織便捷，研究選定每根錨索長度均等20m，則需要9根錨索，即在礦房長度方向上布設3排懸掛錨索，每排在大跨拱跨度的1/4、1/2、3/4三處各布置1根。

其次，利用公式(i)和已經設計好的錨索布設位置，對懸掛橋梁支護承載結構的內力進行計算，得到va＝vb＝3.5*e9n，按照拱腳處承載寬度為20m，承載長度為50/3m(因為3排錨索承擔的長度是50m，每排則是50/3m)，則拱腳處壓應力值為10.5mpa<13.59mpa，屬於穩定狀態，故可以不進行拱腳處的注漿錨杆加固。

最後，受大規模開採強爆破擾動影響，礦塊頂板水平的淺層中空注漿錨杆加固是必要的，也是形成大跨拱結構下覆巖層的託梁的必要手段。其技術參數見發明內容。