1、矾山磷矿西区充填采矿法试验采场顶板支护设计说明书长沙矿山研究院2010 年 8 月一、矿块地质情况矿体形态：矿块包括号和号两层矿体。号矿体垂直厚度为 12.9m，水平厚度为 25.4m；号矿体垂直厚度为6.87.2m，水平厚度为 10.511.9m 左右，矿体倾角 38 度。号和号之间的夹石 810m，水平厚度 1317m，下盘倾角 38 度。区域情况：在 8 号勘探线外侧，有条走向平行 8 号勘探线、倾角约为 85 度，宽度约为 1.5 米的断层，在脉外巷和斜坡道均有出水现象。在 4 号矿块中部有一条倾角为 88 度，宽约 0.6 米的岩脉。在 3 号矿体下盘 10 米处，存在 F1 断层，
2、由于该断层在出现在黑云母磷灰石岩中，且黑云母含量较高，层理发育，容易出现抽冒现象，施工时应多加注意。6 号矿块地质情况：总的来说比较简单，从地质资料情况看，无大的构造裂隙带。矿体围岩的稳固性：号矿体靠近下盘 46m 属于不稳固段，容易抽冒，靠近上盘为基本稳固不稳固；号矿体属于中等稳固，其上盘围岩属于中等稳固以上；号和号矿体之间夹石，属基本稳固类型。号矿体下盘围岩存在一层较厚的黑云母磷灰石岩，层理发育，比较破碎，为不稳固类型。矿岩物理力学性质：（1）矿石体重：3.27t/m 3；（2）围岩体重：3.26t/m 3；（3）矿石硬度系数：f=68；（4）围岩硬度系数：f=810；（5）矿岩松散系数：
3、1.60；（6）岩、矿自然安息角 39；（7）矿石及围岩均无氧化性、结块性、泥化性及自燃性。二、采矿方法的选择配比根据矿岩的稳固性，工程布置现状，充填系统建设情况，确定号矿体采用点柱上向水平分层充填采矿法，号矿体采用上向水平分层进路充填采矿法。三、采场顶板支护设计1、国内外采场顶板支护形式目前国内外对不稳固的顶板支护形式主要有锚杆支护，长锚索支护，喷射混凝土支护与金属网支护。锚杆支护主要是通过锚杆的悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用，使破碎风化层之间摩擦阻力和抗弯曲强度增大，增加了其稳定性，同时每根锚杆周围形成一个两头呈锥状的筒形压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此连结成一体，此区域内破碎带岩块相
4、互挤压，形成具有一定厚度的连续均匀压缩带。此压缩区不仅能维持自身稳定，而且具有承载能力。由于锚杆长度短、锚固力较小，它适合于块状构造的岩石，岩石节理面距离小，可悬吊的岩块的重量较小的顶板支护。长锚索支护是在矿岩中钻凿中深孔，然后放入一根或多根钢丝绳，并向孔中注水泥浆，凝固后即可加固和支撑采场顶板。长锚索结构与砂浆锚杆相同，由于长锚索比普通砂浆锚杆长，钻孔直径大，锚固范围大，因此，锚杆的三种作用挤压作用悬吊作用组合梁作用都能充分发挥，锚固力大，被锚岩体整体性和稳定性都得到改善。再加上高压注浆，使得节理面由砂浆充填，改善了岩石的整体性，进而增加了岩石的强度。长锚索技术应用于采场支护后，从理论到实践
5、发展很快，现已成为采场支护主要方法之一。在国外，加拿大、澳大利亚、芬兰等国是应用长锚索技术先进的国家，这些国家的长锚索产品已商业化和系列化，锚索施工安装已实现机械化。近些年来，我国一些矿山如湘西金矿、凤凰山铜矿、铜录山铜矿以及金川二矿区等也采用长锚索进行采场支护，并取得不错的效果。喷射混凝土支护在采场支护中的应用不如巷道支护广泛，主要应用在分段崩落采矿法的回采进路的掘进与维护，以及进路充填法的回采进路以及作为采场冒顶片帮的紧急支护措施等方面。金属网多用来配合锚杆来联合支护非常破碎的岩石。2、支护形式的选择号矿体号矿体采场顶板为磷灰石岩以及磁铁磷灰石岩：为坚硬岩组。单轴极限抗压强度 49.767
6、0.3MPa，坚固性系数 f=57，块状结构，属脆性岩石。从矿体上盘的拉底巷的暴露顶板面看，岩石的节理裂隙较发育，节理面成不规则的 X 形分布，节理面的平面距离在0.82m 之间，纵向的深度在 0.81m 之间。节理面光滑，一般不含水，没有胶结物。顶板出现了块状楔形的不稳固岩体。总体来说，顶板岩石坚硬，但岩石的完整性不好，节理裂隙发育，属于不稳固矿体。需要采用顶板支护来保障安全生产作业。根据矾山磷矿号矿体采场顶板岩石的性质选择采用长锚索支护顶板，长锚索长度为912m，网度为 33m。采场局部的破碎带应加设锚杆与金属网以辅助长锚索支护。锚杆采用长度为 3m 的空心锚杆，网度为 11m。（1）长锚
7、索支护参数设计 a、钢绞线型号的确定长锚索加固时通常选用直径为 1530mm 钢丝绳或者钢绞线，破断力在 120450KN 之间。选择时通常根据锚固所要求的钢丝绳或者钢绞线的破断力外表面积进行选取。当选用旧钢丝绳和钢绞线时，直径应选的大一些。根据钢绞线所需的悬吊力进行理论计算和类比国内外类似工程设计，选取两根 15.24mm,绳 17，股（1+6）型单股钢绞线。单根钢绞线总断面积为 134.24mm2，重量为 1.12kg/m，钢丝破断拉力总和为 260KN，抗拉强度为 1860MPa。采用两根 15.24mm 单股钢绞线绑扎一起，破断拉力总和为 520KN，取修正系数为 0.88，即两个15
8、.24mm 单股钢绞线绑扎一起破断拉 F=520KN0.88=457.6KN。b、锚固长度确定锚固力要求达到锚固采场顶板 3m3m 网度内三角楔形冒落体的岩石重力（如图 3-1.） ，再乘以 F 系数为 1.5 的安全系数。计算得锚固力要求为 F=vg=0.531.7833.291.5=39.52t长 锚 索图 3-1 按钢丝绳的破断力计算钢绞线的型号两根钢绞线的破断力为 457.6KN，能悬吊 45.76t 的重力。根据长锚索锚固力 39.52t，采用两个钢丝绳，满足设计要求。按钢丝绳从胶结体中拔出时，锚固长度(单位 m)；式 3-11= 11式 3-1 中：L1锚索锚固长度 m；K安全系数
9、，K=1.52，取 1.5；F锚索悬吊范围内的岩石重力；P1钢绞线与砂浆的粘结强度；S1每米钢绞线的表面积 m2；注浆系数，0.7。设计采用水泥浆，水泥浆水灰比为 0.4，水泥标号选择普通425#硅酸盐水泥，其 28 天水泥浆与锚索的粘结强度为 P1 =3.05MPa=3.05106N/m2。设计采用 2 根直径为 15mm 的钢丝绳，一米钢丝绳的表面积 S=0.015242=0.096m 2，则一米钢丝绳与砂浆的粘结力为 P1S1=3.05106N/m20.096 m2=29.28t。因此锚索体从胶结体中拔出时，锚固长度 1.35m。按胶结体与钢丝绳一起沿孔壁滑移，锚固长度(单位 m)；式
10、3-2= 222式 3-2 中：L2锚索锚固长度 m；K安全系数，K=1.52，取 1.5；F锚索悬吊范围内的岩石重力；P2砂浆与锚索孔壁的粘结强度；S2每米锚索孔壁的表面积 m2；注浆系数，0.7。水泥浆与锚索孔壁的粘结强度与孔壁岩石有关，矾山磷矿号矿体采场顶板为磁铁磷灰石岩，水泥浆与锚索孔壁的粘结强度P2=2.5MPa。锚索炮孔的直径为 60mm，每米炮孔的表面积S2=0.06=0.188m 2，则水泥浆与每米炮孔壁的粘结力P2S2=2.51060.188=47t。按胶结体与钢绞线一起沿孔壁滑移时，锚固长度为 0.84m。根据锚固长度的计算，选择按锚索不被破坏的最大锚固长度，长度为 1.3
11、5m。因此，设计长锚索接力长度为 3m。根据 YGZ-90 钻机的性能以及顶板岩石的可凿性，设计长锚索长度为 12m，即回采矿石 9m 后开始下一轮长锚索的施工。长锚索接力段为 3m。c、钻孔长度及方向矾山磷矿 6#试验采场顶板砂浆长锚索支护从号矿体上盘至下盘总共布置 14 排长锚索。第 1 排锚索钻孔长度为 5m，倾角 60。第 2 排锚索钻孔长度为 6.5m，倾角 60。第 3 排锚索钻孔长度为8m，倾角 60。第 4 排锚索钻孔长度为 10m，倾角 60。第 5 排锚索钻孔长度为 12m，倾角 70。第 6 排锚索钻孔长度为 12m，倾角 80。其余第 714 排锚索钻孔长度为 12m，
12、垂直顶板布置。根据矾山磷矿现有的凿岩设备，设计采用 YGZ-90 中深孔钻机凿长锚索钻孔。d、钻孔间距长锚索钻孔间距，目前根据经验选取。其网度根据岩层稳定性及节理裂隙发育程度选定。根据矾山磷矿西区采场现时号矿体上盘暴露的顶板情况看,矿体不稳固与节理裂隙较发育，确定长锚索布置网度为 3m3m,以后根据回采暴露顶板的岩石情况适当调整长锚索的网度。当顶板岩石的节理面距离等于 3m5m 时,可适当加大网度到 44m 或 55m。e、钻孔直径钻孔直径不仅要满足钢绞线、排气管、注浆管安装方便要求，还应使钢绞线和砂浆的粘结强度以及砂浆和孔壁粘结强度达到最佳值。一般根据经验和参考国内类似工程进行选取，本次设计
13、选用两根直径为 15.24mm 钢绞线，选取钻孔直径 60mm。f、砂浆配比的确定水泥浆所用水泥选择 425#普通硅酸盐水泥，砂浆配比参照国内类似工程进行确定。本次设计水泥浆配比：水灰比 0.4，其 28 天粘结强度为 3.05Mpa，能满足长锚索的锚固要求。g、长锚索长度的确定长锚索长度根据锚索孔深度确定，一般比锚索孔深度长的0.3m。（2）长锚索的安装锚索孔打好后，按以下要求安装锚索：在地表用砂轮切割机或锚索剪断器将钢绞线按设计长度切割并绑扎好后，运输至施工现场，为防止钢绞线散头，在锚固端按钢绞线大小套上 100mm 的塑料管保护。现场用高压风将锚索孔吹净，手工将钢绞线送入锚索孔；采取由外
14、向里的前进式注砂浆，必须用胶带将 8mm 聚氯乙烯排气管固定在钢绞线上，把钢丝绳与聚氯乙烯排气软管一端同时送入孔底，孔口以外各留 300mm。在孔口处锚索体一侧放一根 25mm600mm 注浆管（橡胶管） ，将注浆管送入孔内 300mm，排气管从孔口引出后将特制的木塞进行封口，封口长 250300mm，注浆管外露 200mm；在上向孔中为防止绳索从孔中滑落，必须用木楔将钢绞线固定在孔口。封口木塞结构见图 4-2。1排气孔 2注浆孔 3钢丝绳图 4-2 封口木塞结构示意图（3）注浆采取由外向里的前进式注浆方式进行，即砂浆自孔口向孔底连续压入，孔内被压缩的气体由排气管排出孔外。水泥浆配制选用 42
15、5#普通硅酸盐水泥，浆液为水灰比 0.4。砂浆搅拌在采场联络巷搅拌槽内进行，搅拌好的水泥浆用网度 3mm 筛子过滤后用注浆泵灌注入孔中。注浆泵选用济南中航山泉机电有限公司生产的 UB-3C 型注浆泵向孔内注浆，注浆压力为 2Mpa，垂直注浆高度可达 30 多米。截留在孔内的空气通过排气管逸出，当稀浆从排气管中流出时，表示砂浆已充满钻孔。（4）劳动组织锚索施工循环为：将施工机具运送至井下现场地表切割钢绞线、加工垫板并运送至井下现场标定孔位立好钻架，对准孔位钻孔加接力钎杆、装联结器钻孔结束拆卸钎杆和联结器将排气管固定在钢绞线上并手工送入孔中安装注浆管并用木塞封口注浆72 小时后切断外露的注浆管安装
16、垫板、锚具张拉锚索压紧垫板。按照 8 小时工作制共分 4 个小班，连续循环作业，根据以上施工循环，锚索施工需要人工见表 3-1。表 3-1 锚索施工劳动组织配备表工种 运输工 凿岩工 锚索安装工 注浆工 维修工 合计人数 4 6 6 4 2 22（5）设备材料清单6#试验采场顶板长锚索加固选用 YGZ-90 型凿岩机进行凿岩，配TJ25 圆盘导轨式钻架，注浆选用 UB-3C 型注浆泵进行注浆。主要设备见表 3-2。表 3-2 主要设备表序号 名 称 规格型号 单位 数量 备 注1 凿岩机 YGZ-90 台 22 钻架 TJ25 台 23 切割机 J3G1-400 台 14 注浆泵 UB-3C 台 2 济南中航山泉机电有限公司5 张拉千斤顶 台 26 搅拌槽 台 2 自制根据计算，6#试验采场顶板长锚索临时加固锚索孔孔径 65mm,总孔深 2330.5m。锚索孔内安装两根 15.24mm，绳 17，股 1+6 型钢绞线，每根锚索比锚索孔长 0.3m，需要钢丝绳总长为 4791.8m，共 5.46t。每个锚索孔内需安装一根排气管，共需排气管 2700m。需要注浆的锚索孔总体积 V=（0.030.03-0.00760.00762）2330.5=5.74m 3。水泥浆配比为水：水
