一种地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法与流程

本发明涉及一种地下矿山大规模首采水平矿块顶板拱悬挂桥梁支护承载方法，属于地下矿山水平矿块顶板支护方法技术领域。

背景技术：

随着钢铁工业的迅猛发展，钢铁工业对铁矿石需求日益增加，除了大量进口铁矿石之外，冶金矿山企业对地下矿进行大规模的开采势在必行。当前，进行大规模井下开采必须解决的众多的技术性难题。其中，具有急倾斜厚大或极厚大矿体的地下矿山特别适于大规模开采，因其矿块内矿房垂直矿体走向布置，并形成多矿房(矿块内划分成一二步矿房进行回采充填)同时开采，但回采水平必将因采动影响发生地压变异，为保持井下大规模开采的安全和有序进行，就需要针对这种大规模地下开采矿块顶板岩层的稳定性进行新型支护技术研究，并将整个开采水平作为整体计算考虑。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法，这种方法对地下矿山悬挂桥梁支护从支护承载机理、支护力学模型和支护参数三方面进行了创新，解决了使用悬挂桥梁支护方法提高矿块顶板岩层的稳定性的问题。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法，它采用以下步骤进行：

1.利用公式计算拱悬挂桥梁承载支护体系的内力值、计算设计深部注浆锚索的布设位置及其长度值、以及利用计算结果决定对矿体上下盘处是否进行注浆锚杆加固；

2.利用矿房上部刚掘进的凿岩硐室，在硐室顶板打入注浆中空锚杆，形成各个矿房顶板浅层小拱压缩区来承载大拱下覆岩层自重；

3.在每个矿房或相隔几个矿房的凿岩硐室顶板打入注浆锚索，形成深部悬挂机构，将大拱下覆岩层自重分配到大跨不可逆三铰拱结构上；

4.在矿体上下盘矿房凿岩硐室水平或微倾斜打入注浆锚杆加固大跨三铰拱拱脚承载能力；

5.最后，对注浆锚杆和注浆锚索进行加固。

上述地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法，所述计算拱悬挂桥梁承载支护体系的内力值的公式为：

公式(i)中的标号如下：

va、vb—为拱脚垂直反力，n；

ha、hb—为拱脚水平反力，n；

fi—为注浆锚索悬挂力，n；

x—代表横坐标值，m；

f—为大跨拱拱失，m；

l—大跨拱跨度，m；

—为对应简支梁c点处弯矩,n*m；

q(x)—为大跨拱结构上覆载荷函数。

上述地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法，所述计算设计深部注浆锚索的布设位置及其长度值的公式为：

公式(ii)中的标号如下：

l’—为矿块(或矿房)长度，m；

ρ—为岩层密度，kg/m³；

g—重力加速度，取10n/kg；

d—为锚索钻孔直径，m；

li—为第i个锚索的长度，m；

σ—为锚索的抗拉强度，pa；

则中空注浆锚索总长度为：

上述地下矿山拱悬挂桥梁支护承载方法，所述注浆锚杆和注浆锚索的支护参数为：

浅层中空注浆锚杆：锚杆直径ф25mm，锚杆长3.5m，钻孔孔径ф42-46mm，锚杆排距1.5m～2m，排内锚杆间距1.2m～1.5m；

上下盘水平中空注浆锚杆：中空锚杆在硐室立帮上按照锚杆排距1.5m～2m，排内锚杆间距0.8m～1.2m布设，锚杆直径ф25mm，锚杆长5m，钻孔孔径ф42mm-46mm。

本发明的有益效果是：

本发明在矿房凿岩硐室形成的过程中，适当让硐室顶板岩体自行变形、释放应力，然后再利用大水矿山注浆的工艺过程，加以锚固注浆，并将大跨度不可逆三铰拱结构之下岩层自重悬挂到拱形结构上，就会形成包含深层锚索悬挂机构、浅层锚杆压缩机构、上下盘水平加固机构、矿房围岩自稳机构四大承载机构的拱悬挂桥梁支护承载体系。其中，中空锚杆注浆主要作用在于顶板浅层加固，中空锚索注浆则在于深部加固。

本发明通过公式计算及分析过程，可有效计算布设深部注浆锚索，并对大跨不可逆三铰拱结构的稳定性进行分析，进而布设浅层注浆锚杆和拱脚注浆锚杆，形成加固支护区，综合深层锚索悬挂机构、浅层锚杆压缩机构、上下盘水平加固机构、矿房围岩自稳机构四大承载机构的支护方法，可保障井下大规模矿体开采安全。

本发明是地下矿山悬挂桥梁支护承载方法的首创，这种方法对地下矿山悬挂桥梁支护从支护承载机理、支护力学模型和支护参数三方面进行了创新，解决了使用悬挂桥梁支护方法提高矿块顶板岩层的稳定性的问题，为地下矿山支护方法开辟了新的途径，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1是本发明的拱悬挂桥梁支护示意图；

图2是本发明的拱悬挂桥梁承载机构示意图；

图3是本发明受力分析图。

图中标记如下：上覆载荷1、三铰拱2、悬挂锚索3、深层锚索悬挂区4、浅层锚杆压缩区5、上下盘水平加固区6。

具体实施方式

经研究发现，对于超大规模化的急倾斜极厚大矿体(一般倾角≥55°，厚度在100m～200m水平厚度)，地下首采埋深在300～400m左右；该类矿体矿房长度方向与矿体走向一致，矿块内矿房采取分步式间隔开采，一步和二步矿房的宽度在16m～24m之间，矿房长度一般为50m～60m，阶段高度一般为50m～100m；矿房底部采用堑沟式底部结构，凿岩水平布置在矿房顶部，开凿下向垂直深孔进行侧向爆破崩落矿石或vcr法下向崩落矿石。在分步式开采过程中，回采水平顶板上覆岩层中形成一个不可逆大跨三铰拱结构(该结构的拱失与跨度值相等)，受矿房矿石回采影响，顶板及上下盘矿岩体稳定性有不同程度影响，尤其是顶板存在开裂扩展引发大跨拱下覆岩层冒落的危害。

(一)本发明的拱悬挂桥梁支护承载机理

在厚大以上矿体大规模开采过程中，由于地压变异影响，在矿体水平宽度范围内，矿块上覆岩层中形成大跨度不可逆三铰拱承载结构来承担拱形结构之上的矿岩重力，拱形之下的岩层自重则需要二步回采矿房矿柱来支撑维护。研究利用新奥法思想，在一二步矿房凿岩硐室形成的过程中，适当让硐室顶板(即矿块顶板)岩体自行变形、释放应力，然后再利用大水矿山注浆的工艺过程，加以锚固注浆(中空锚杆注浆和中空锚索注浆)。其中，中空锚杆注浆主要作用在于顶板浅层加固；中空锚索注浆则在于深部加固，并将大跨度不可逆三铰拱结构之下岩层自重悬挂到拱形结构上，形成拱悬挂桥梁支护体系。

该拱悬挂桥梁支护体系，首先是利用矿房上部刚掘进的凿岩硐室，在硐室顶板打入注浆中空锚杆，形成各个矿房顶板浅层小拱压缩区来承载大拱下覆岩层自重；再在每个矿房或相隔几个矿房的凿岩硐室顶板打入注浆锚索，形成深部悬挂机构，将大拱下覆岩层自重分配到大跨不可逆三铰拱结构上；最后在矿体上下盘矿房凿岩硐室水平或微倾斜打入注浆锚杆加固大跨三铰拱拱脚承载能力。这样，就会形成包含深层锚索悬挂机构、浅层锚杆压缩机构、上下盘水平加固机构、矿房围岩自稳机构四大承载机构的拱悬挂桥梁支护承载体系(见附图2)。

(二)本发明的拱悬挂桥梁支护承载力学模型

本发明依据拱悬挂桥梁支护承载机理创造了力学分析模型，模型结构受力图见附图3。

这里，模型公式(i)中，

va、vb—为拱脚垂直反力，n；

ha、hb—为拱脚水平反力，n；

fi—为注浆锚索悬挂力，n；

x—代表横坐标值，m；

f—为大跨拱拱失，m；

l—大跨拱跨度，m；

—为对应简支梁c点处弯矩,n*m；

q(x)—为大跨拱结构上覆载荷函数。

利用模型公式i可以求解大跨拱结构内力值。

模型中的f锚索悬挂力可根据大跨不可逆三铰拱下覆岩层自重进行近似求解计算：

公式(ii)中，

l’—为矿块(或矿房)长度，m；

ρ—为岩层密度，kg/m³；

g—重力加速度，取10n/kg；

d—为锚索钻孔直径，m；

li—为第i个锚索的长度，m；

σ—为锚索的抗拉强度，pa。

则中空注浆锚索总长度为：

利用公式(i)～(iii)可以进行大跨不可逆三铰拱承载结构和深层中空注浆锚索的尺寸参数设计和布局。

(三)支护参数

1.浅层中空注浆锚杆

锚杆直径ф25mm，锚杆长3.5m，钻孔孔径ф42-46mm，锚杆排距1.5m～2m，排内锚杆间距1.2m～1.5m。同时，类比采用直径为6.5mm的钢筋，按照300mm×300mm进行金属网编制。喷射混凝土水泥、砂子、碎石的配比为1:2:2，水灰比为0.4～0.45，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号425，喷射厚度150mm，进行挂网喷射混凝土进行硐室内顶板表层支护。

2.上下盘水平中空注浆锚杆

中空锚杆在硐室立帮上按照锚杆排距1.5m～2m，排内锚杆间距0.8m～1.2m布设。锚杆直径ф25mm，锚杆长5m，钻孔孔径ф42mm-46mm。同样，类比采用直径为6.5mm的钢筋，按照300mm×300mm进行金属网编制。喷射混凝土水泥、砂子、碎石的配比为1:2:2，水灰比为0.4～0.45，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号425，喷射厚度150mm，进行挂网喷射混凝土进行硐室内顶板表层支护。

3.深层中空注浆锚索

锚索技术参数：钢丝公称直径6.0mm；锚索索体直径ф22mm；长度≥8000mm；安装孔径ф32mm；强度1760mpa；树脂锚固长度1000～1500mm；中空注浆管规格内径ф7.5mm外径ф10mm；注浆压力≥5.0mpa，最大7.0mpa。

锚索的长度、根数及布置位置应根据模型公式(iii)计算求解。

具体实施的步骤：

(1)利用公式计算拱悬挂桥梁承载支护体系的内力值、计算设计深部注浆锚索的布设位置及其长度值、以及利用计算结果决定对矿体上下盘处是否进行注浆锚杆加固；

(2)利用矿房上部刚掘进的凿岩硐室，在硐室顶板打入注浆中空锚杆，形成各个矿房顶板浅层小拱压缩区来承载大拱下覆岩层自重；

(3)在每个矿房或相隔几个矿房的凿岩硐室顶板打入注浆锚索，形成深部悬挂机构，将大拱下覆岩层自重分配到大跨不可逆三铰拱结构上；

(4)在矿体上下盘矿房凿岩硐室水平或微倾斜打入注浆锚杆加固大跨三铰拱拱脚承载能力；

(5)最后，对注浆锚杆和注浆锚索进行加固。

在步骤1中，计算过程如下：

(1)利用公式(ii)与(iii)计算设计深部注浆锚索的布设位置及其长度值；

(2)利用公式(i)计算拱悬挂桥梁承载支护体系的内力值，有助于大跨结构的稳定性分析；

(3)最终基于步骤(2)的计算结果决定对矿体上下盘处(大跨拱结构拱脚处)是否进行注浆锚杆加固。但受大规模开采强爆破扰动影响，矿块顶板水平的浅层中空注浆锚杆加固是必要的，也是形成大跨拱结构下覆岩层的托梁的必要手段。

通过上述公式及分析过程，可有效计算布设深部注浆锚索，并对大跨不可逆三铰拱结构的稳定性进行分析，进而布设浅层注浆锚杆和拱脚注浆锚杆，形成加固支护区，综合深层锚索悬挂机构、浅层锚杆压缩机构、上下盘水平加固机构、矿房围岩自稳机构四大承载机构的支护方法，可保障井下大规模矿体开采安全。

本发明的一个实施例如下：

司家营南区田兴铁矿矿体水平厚度200m(大跨拱的跨度)，拱失200m，倾角45°～60°，首采水平上覆荷载q＝10.4mpa，矿体单轴抗压强度13.59mpa，矿岩密度3300kg/m³，矿房长度50m(l’)。

实施步骤：

首先，选择中空注浆锚索钻孔孔直径0.032m，锚索抗拉强度1.76*e9pa，利用公式(ii)与(iii)可得到锚索总长度值为180m，考虑施工设计与组织便捷，研究选定每根锚索长度均等20m，则需要9根锚索，即在矿房长度方向上布设3排悬挂锚索，每排在大跨拱跨度的1/4、1/2、3/4三处各布置1根。

其次，利用公式(i)和已经设计好的锚索布设位置，对悬挂桥梁支护承载结构的内力进行计算，得到va＝vb＝3.5*e9n，按照拱脚处承载宽度为20m，承载长度为50/3m(因为3排锚索承担的长度是50m，每排则是50/3m)，则拱脚处压应力值为10.5mpa<13.59mpa，属于稳定状态，故可以不进行拱脚处的注浆锚杆加固。

最后，受大规模开采强爆破扰动影响，矿块顶板水平的浅层中空注浆锚杆加固是必要的，也是形成大跨拱结构下覆岩层的托梁的必要手段。其技术参数见发明内容。