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2020-07-16
Series No. 528  
June 2020  
METAL MINE  
总第 528 期  
2020 年第 6 期  
深部地压控制技术与采场优化支护研究  
张瑞明1 魏丁一2 杜翠凤2 徐海月2 常宝孟2  
21  
1. 山西工程职业学院,山西 太原030009;2. 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)  
为了合理有效地对深部地压进行控制,选取某矿作为研究对象,通过现场调研现有的主要支护手段,  
建立了分级支护模型,对巷道支护进行了设计。研究结果表明:U 型钢拱架、喷射混凝土、锚网和锚杆为目前的主  
2
要支护方式;在稳定性一般或较好的采场,单位面积所需锚杆为 0.67 根/m ,锚杆网度可适当调大为 1.5~2.0 m×1.5~  
2
.0 m;若围岩过于破碎时,锚杆网度应严格按设计施工;根据巷道矿岩的工程质量,然后结合巷道使用时间、暴露  
面积及影响程度,得到支护等级指标 RQ 值,根据 RQ 值将巷道支护分成 5 级,最终确定各采场支护形式及支护参  
数,为深部安全高效开采提供科学依据。  
关键词 地压控制 锚杆支护 影响因素 分级支护 支护参数  
中图分类号 TD353  
文献标志码 A  
文章编号 1001-1250(2020)-06-156-05  
DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202006024  
Research on Deep Ground Pressure Control Technology and Stope Optimization Support  
1
2
2
2
2
22  
Zhang Ruiming Wei Dingyi Du Cuifeng Xu Haiyue Chang Baomeng Wang Yuan  
1. Shanxi Engineering Vocational CollegeTaiyuan 030009China2. School of Civil and Resources EngineeringUniversity  
of Science and Technology BeijingBeijing 100083China)  
Abstract In order to control the deep ground pressure reasonably and effectivelya certain mine is selected as the re?  
search objectand the existing main support methods are investigated on site to establish a classification support model and a  
roadway classification support design. The results show that U-shaped steel arch framessprayed concreteanchor nets and  
bolts are the main support methods at present. The required bolt per unit area of the mining area with average or better stabili?  
2
ty is 0.67 pieces/mand the bolt mesh size could be adjusted to 1.5~2.0 m×1.5~2.0 m. If the surrounding rock is too bro?  
kenthe bolt mesh should be constructed strictly according to the design. According to the engineering quality of the roadway  
ore and rockand then combined with the roadway use timeexposed area and influence degreethe support level index val?  
ue RQ is obtained. According to the RQ valuethe roadway support is divided into 5 levelsand the support form and param?  
eters of each stope are finally determined. This will provide a scientific basis for safe and efficient mining in the deep mining.  
Keywords Ground pressure controlBolt supportInfluencing factorsClassification supportSupport parameters  
5]  
由于当前经济的需要,矿山的开采深度越来越  
深,伴随而来的同样会有许多地压、通风和热害等问  
梦国等 提出以锚网支护技术为基础的厚层泥质顶  
板巷道围岩控制对策,现场应用表明分级准确,还可  
[1]  
[6]  
题 。而对于深部复杂环境下开采过程中的地压控  
判别支护难度较大的区域。戴怡文等 提出永久巷  
制和巷道支护等研究也显得更为迫切,因此许多专  
道采用锚喷支护,临时巷道采用锚杆穿带支护,优化  
了支护结构参数。  
[2]  
家进行了相关工作。胡晴等 利用深部吸能锚杆支  
护原理并结合 ANSYS 对支护方案进行优化,实践表  
基于此,本研究对于某矿现有支护系统进行分  
析,基于深部地压变化对采场参数优化后的支护进  
行设计,建立分级支护数学模型,得到支护等级指标  
RQ 值并进行分级,最终确定各采场支护形式及支护  
参数,为深部安全高效开采提供指导。  
[3]  
明优化大大降低了围岩变形量。吴鑫等 模拟了 5  
种支护方案的巷道围岩变形,确定了最佳支护方案。  
[4]  
韩昌瑞等 考虑地应力、岩性、施工难度和造价等影  
响,得到正确的本构模型对计算结果影响很大。许  
基金项目 2020-03-12发计划项目(编号:2018YFC0604605)。  
作者简介 张瑞明(1967—),男,副教授。通讯作者 杜翠凤(1966—),女,教授,博士,博士研究生导师。  
·
156 ·  
张瑞明等:深部地压控制技术与采场优化支护研究  
2020年第6期  
1
现有支护系统分析  
该矿采用上向水平进路式胶结充填采矿法开采,  
度每增加50%,强度只增加10%~20%。  
1. 3 锚杆支护  
锚杆支护对破碎顶板、层状顶板和顶板块体的支  
进路断面规格为 3.5 m×3.5 m,虽然有利于回采安全,  
但同时存在生产效率低和成本高等问题。目前大多  
数中段大巷、分巷、联巷与采场均采取了支护手段,但  
仍存在一些问题,如钢拱架支护不规范、锚喷滞后、支  
护网度稀疏及过度支护等。目前的主要支护手段如  
表1所示。  
护均有明显效果。但在围岩大变形巷道中,无论是锚  
杆支护还是框式支护,实际支护阻力往往远低于理论  
值。因此更大程度地发挥锚杆阻力是锚杆支护改善  
的关键问题所在。现场应用中可加大全长树脂锚固  
锚杆的屈服强度,采用锚注支护工艺等手段,使锚杆  
支护阻力保持在 0.3 MPa 以上,便可有效地控制围岩  
变形。  
2
采场参数优化后的支护设计  
由于岩体性质的复杂性,一些隐性的地质构造在  
地压调查时不能观测出来。基于生产安全方面的考  
虑,必须采取必要的支护手段,防止采场围岩变形及  
部分岩块塌落。  
1
. 1 U型钢拱架支护  
U 型钢拱架通常都用于围岩松碎、采动影响强烈  
2. 1 结构面对采场稳定的影响  
的巷道,承载能力和支护阻力是判断支架工作状况优  
劣的主要指标。支护阻力取决于支架形式、结构、材  
料强度、承受载荷的特征及约束条件等。由于支架的  
承载能力和支护阻力相差悬殊,实际应用中钢支架的  
有效承载能力都很低。  
节理裂隙等破裂结构面破坏了岩体完整性,其赋  
存数量、连通情况等分布的复杂性影响岩体力学性  
质、变形、破碎及渗透等破坏方式,是岩体介质不连续  
的根本原因。由于结构面空间形态具有非规则、非连  
续等复杂性,描述结构面几何特征的方位、间距和连  
通率等参数不仅难以准确反映结构面网格发育程度,  
而且现场的全面系统测量很难实现。特别是大型结  
构面产状与采场和巷道的空间关系对稳定性影响极  
大。某岩块项目结构面如表 2所示。  
1
. 2 喷射混凝土支护  
喷射混凝土支护能及时封闭开挖的围岩表面,提  
供一定的支护力,防止围岩强度恶化,提高强度且具  
有一定的柔性能适应围岩在一定范围内的变形,在矿  
山使用很普遍。喷射混凝土的力学特性主要包括强  
度和变形特征。  
(1)抗压强度和粘结强度。为使喷射混凝土在不  
稳定地层中及时有效地起加固作用,除了有较高早期  
强度外,其抗压强度应随龄期迅速增长,掺入适量速  
凝剂,可使早期强度明显提高,有利于控制碎裂岩体  
变形。经验表明喷射混凝土与围岩粘结力可达 10~  
将表中 3 组结构面在空间上的位置关系分别做  
赤平面投影,得到的投影图如图 1 所示,从图中可以  
看出存在一个有直接坠落可能的塌落锥,是一个标准  
的四面体形状。后续主要考虑位置位于顶板时对采  
场稳定性的影响。  
2
0 MPa。粘结力取决于岩石表面的清洁度,因此喷射  
作业前应先清洗岩石表面。  
2)喷层的变形破坏、厚度与柔性。喷层的受力  
变形分为 3 个阶段:粘结抵抗,梁效应和薄壳效应。  
变形初期,喷层的粘结抵抗作用取决于围岩表面矿物  
成分和喷层厚度,并一定程度上随喷层厚度增加而增  
[7]  
强。喷层的柔性与厚度直接相关 。经验表明井下  
喷层一般在 50~100 mm 之间。当厚度小于 50 mm 时,  
由于材料收缩导致喷层渗水和破坏。喷层厚度也可  
由巷道围岩收敛量确定。喷薄层、多次喷层和加入速  
凝剂都可延长喷层的塑性时间,加入钢纤维及使用钢  
筋网都可增加喷层柔性。喷层厚度和强度的增加不  
呈线性变化,喷层厚度范围为 100~250 mm 时喷层厚  
·
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总第528期  
2020年第6期  
以内聚力和内摩擦角为 0 时的破坏结果为例,如图  
所示,破坏形成滑塌锥后并不一定意味着塌落。内  
致锚固力失效,此时锚杆网度应严格按照设计施工。  
2
3 采准巷道分级支护标准与体系  
聚力及内摩擦角较大时滑塌锥由于裂隙自身强度仍  
3
. 1 分级支护数学模型  
[8]  
可保持稳定,当裂隙强度继续减小,滑塌锥坠落 。  
由于采准巷道的使用年限、暴露面积和影响程度  
等均不同,因此在设计具体支护方案和参数时,会为  
了降低成本而采取不同形式。针对采场工程地质变  
化大的区域进行支护分级很有必要,后期可按不同等  
级的巷道标准来合理设计方案。  
巷道支护分级主要考虑以下几点:  
1)矿岩的工程质量。其作为影响巷道稳定性的  
最重要因素,必须重点分析。  
2)巷道的暴露面积。巷道暴露面积与自稳能力  
2
. 2 测点布置  
1)支护时机。该矿采用管缝式锚杆,巷道开挖  
成负相关。平巷断面一般情况下变化不大,但巷道交  
叉处暴露面积明显增大,因此需要考虑巷道暴露面  
积。  
完成后应立即对顶板或两帮进行锚杆支护,这是因为  
此时弹塑性变形结束,峰后的剪胀变形成为锚杆的主  
要锚固力来源,能最大程度发挥锚杆支护作用。  
(3)巷道的使用时间。巷道使用时间与维护要求  
成正相关。原有的采准巷道随开采的加深渐渐消失,  
巷道使用要求不同,保有期也不同。  
(2)支护网度。锚杆网度是用来保证承受锚固区  
围岩的重量。管缝锚杆的锚固力与锚杆尺寸及材料  
参数的关系为  
(4)巷道的影响程度。不同巷道失去稳定性对生  
πf0 σs t2 · e - e  
αl  
-αl  
产造成的影响程度也不同。  
6
Rα  
e + e  
, α2 = EKt  
N =  
, (1)  
αl  
-αl  
综上所述,在进行具体的巷道支护分级时,主要  
因素取巷道所在的矿岩工程质量,然后使用相应的系  
数将使用时间、暴露面积及影响程度与矿岩工程质量  
指标 Q相乘,得到支护等级指标 RQ值。RQ值的计算  
公式为  
式中,N 为锚杆锚固力;α 为安全系数,取 0.21;K  
为围岩周边剪切强度;t 为管壁厚度;R 为锚杆打入后  
管的平均半径;E 为钢材平面应力弹性模量;σs 为钢  
材的弹性恢复力;f 为钢与围岩的静摩擦系数,一般  
0
RQ = QK1 K2 K3,  
(2)  
取 0.35~0.4;l 为锚杆有效长度。计算可得该矿管缝  
式锚杆锚固力为 53.41 kN。  
式中,K1 为巷道维护时间的影响因子;K2 为暴露面积  
的影响因子;K3 为影响程度的影响因子。  
该矿实际生产采用锚杆与穿带联合支护,钢筋穿  
带充分利用其高抗拉强度,将锚杆间岩石托住,构成  
整体支护结构,锚固力更大。这大大增强了整体支护  
能力,特别是倒三角矿岩的支护,起到了有效的安全  
保障作用。  
[9]  
其中 Q 按《工程岩体分级标准》 中确定岩体坚  
硬程度的定性划分及岩体完整程度的定性划分方法  
取值。根据公式乘积得到 RQ,从优至劣对巷道支护  
分成 5 级,即 I~V 级。然后再按分级结果进行方案设  
计,分级级别及指标如表 3所示。  
当进路采场宽度为 5 m 时,有效悬吊岩层厚度  
1
.8 m,矿体厚为 15~80 m,悬吊岩石平均容重取 28.1  
3
kN/m ,则岩石总重力为 3 793.5~20 232 kN;单位面积  
2
内所需锚杆数为 0.94 根/m 。为便于施工,锚杆间排  
2
距应尽量相等,每根锚杆支护的面积为 1.1 m ,理论  
3
. 2 巷道分级支护设计  
由分级结果可知,该矿矿岩工程质量变化较大  
上的锚杆间排距应为 1.0~1.2 m×1.0~1.2 m。实践证  
明,随围岩的错动,锚杆受力状态改变,锚杆长期锚固  
力会在一定的位移范围内不断增长,管缝式锚杆的长  
期锚固力范围为 50~90 kN。取均值 75 kN 为例,因此  
在稳定性一般或者较好的采场,单位面积内所需锚杆  
级到级),沿矿体走向中部稳定性明显优于两  
翼,而深部矿体稳定性优于浅部,矿岩质量级别分区  
比较明显,因此适用于巷道支护分级设计。目前该矿  
主要采用上向水平进路充填法、中深孔双幅分采分段  
充填采矿法和上向水平分层充填法等,巷道种类较复  
2
数为 0.67 根/m ,锚杆网度可适当调大为 1.5~2.0 m×  
1
.5~2.0 m,若围岩过于破碎,则可能由于变形过大导  
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张瑞明等:深部地压控制技术与采场优化支护研究  
2020年第6期  
杂,因此综合考虑各因素,支护分级所选取的系数及  
护等级为级,可采用锚喷或锚网的支护形式,稳定  
性较好的地段可采用级支护等级。而中深孔双幅  
分采分段充填法的回采进路巷道维护时间稍长,支  
护等级需提高一级,采用锚喷网的支护形式。对于  
运输大巷及竖井联络道需要长时间使用,若发生破  
坏,将对生产安全带来重大隐患,因此支护等级应为  
各位置巷道的Q值和RQ值如表4所示。  
或者级,需要采用中长锚杆锚喷网支护,个别破  
碎地段应进一步提高支护等级。  
针对目前普遍情况所作的巷道分级支护设计,  
实际支护设计应根据现场实际情况进行选择。经过  
综合考虑,分级支护方案如表 5 所示,分级支护示意  
图如图3所示。  
上向分层充填法进路法采场联巷与上向进路充  
填法采场联巷的岩石质量处于级与级之间,由  
于开采速度快,因此巷道维护时间普遍较短,因此支  
4
结 论  
设计进行施工。  
(3)建立矿区采准巷道分级支护标准与体系,根  
(1)通过调研可知 U型钢拱架、喷射混凝土、锚网  
据巷道矿岩的工程质量,然后结合巷道的使用时间、  
暴露面积及影响程度,得到支护等级指标 RQ 值,根  
据 RQ值将巷道支护分成 5级。综合考虑支护分级的  
各种影响因素,确定各采场支护形式及支护参数。  
和锚杆为该矿目前的主要支护方式,分别对其支护  
作用原理进行分析,为下一步支护设计优化提供科  
学依据。  
(2)通过计算分析对锚杆支护进行优化设计,在  
稳定性一般或较好的采场,单位面积内所需锚杆数  
参 考 文 献  
2
为 0.67 根/m ,锚杆网度可适当调大为 1.5~2.0 m×  
1
.5~2.0 m,若围岩过于破碎时,锚杆网度应严格按照  
1] 魏丁一,杜翠凤,张宏光,等 . 胶结充填体水化放热规律及其影  
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总第528期  
2020年第6期  
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