第６９卷第６期 有 色 金 属（矿山部分） ２０１ ７年１１月 ｄｏｉ：１０．３９６９ｌ／Ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４１７２．２０１７．０６．０１９ 组装式可缩Ｕ型钢支架组在凿岩巷支护中的应用 张俊 （金诚信矿业管理股份有限公司，北京１０００１０） 摘 要：赞比亚谦比希铜矿主矿体崩落法采区凿岩巷位于矿体下盘的含矿板岩和下盘砾岩交界处，巷道围岩 受涌水量大、矿岩破碎、地应力大等影响稳定性很差。生产实践表明，常规支护方法不能保证凿岩巷的稳定和安 全。通过理论分析和试验，探索开发了适合凿岩巷支护的改进的ｕ型钢支架组支护方式。介绍了组装式可缩Ｕ 型钢支架组支护方法、支护参数、特点、支护工艺、施工要点和井下现场应用情况，对产生的经济和安全效益进行了 分析。 关键词：凿岩巷；崩落法采场；围岩稳定性；地应力；Ｕ型钢支架支护 中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１ ４１７２（２０１ ７）０６—００９２ ０４ 一～ 一～一～～一～一一一一 一一 一～～一一一～一一一一 甜 ～一～～～一～～ 一 目前赞比亚谦比希铜矿主矿体开采深度在地表 ７００ ｍ以下，根据矿体开采条件，主矿体开采主要采 用分段崩落法和上向水平分层充填法。崩落法采出 矿量占主矿体总出矿量的７０％以上。分段崩落法 凿岩巷位置根据矿体倾角和矿岩稳定情况布置于矿 体下盘含矿页岩和下盘砾岩交界处ｌ＿】］，由于深部开 采产生的地应力大，地质条件复杂，矿岩破碎且含 水，涌水量大，凿岩巷围岩稳定性很差，支护方法不 当和支护不及时会造成冒落垮塌甚至局部巷道报 自谦比希铜矿恢复开采以来，为保证巷道和采 场的稳定，开展了多种支护方式研究和实践，如喷锚 支护，湿喷加树脂锚杆支护 ］，锚杆锚索钢筋网联合 支护，锚杆锚索加工字钢支架联合支护等，根据巷道 围岩特征进行分类分级支护研究＿４ ］，取得了显著 成果，在保证采场和各类巷道稳定和安全作业方面 起到了指导作用。对于主矿体深部崩落法采场凿岩 巷，由于其处于深部高应力破碎区域，加之地质条件 的复杂性和后期疏水滞后引起的矿岩涌水量大等因 素影响，虽多次进行上述支护方法尝试，支护效果均 废［２］，不仅造成采场矿量损失，还会给相邻采场和下 部分段的回采增加难度。 作者简介：张俊（１９６５一），男，工程师，采矿工程专业，主要从事矿山 开采生产技术和管理工作。 不理想。经过长时间针对性研究和试验，探索出适 合谦比希铜矿主矿体崩落法凿岩巷围岩特点的支护 方式，即在掘进凿岩巷过程中，首先对其进行锚杆锚 第６期 张俊：组装式可缩Ｕ型钢支架组在凿岩巷支护中的应用 ９３ 索联合支护，随后及时进行组装式可缩Ｕ型钢支架 组快速支护。采用这种支护方法，提高了支护效率， 保证了凿岩巷在掘进、采场回采出矿过程中的稳定 和采场的安全顺利回采。 １ 工艺原理、特点和适用范围 在谦比希铜矿主矿体崩落法采场矿体下盘矿岩 交界处的凿岩巷掘进过程中，在锚杆、锚索支护的基 础上，每隔一定距离跟进支护一组Ｕ型钢支架。每 组预制Ｕ型钢支架的支腿和棚梁搭接后，用卡缆包 裹联接紧固，进行快速支护，壁后密实填充。当围岩 变形产生压力超过Ｕ型钢支架的支腿和棚梁搭接 处摩擦阻力后，由于卡缆包裹联接设计允许搭接处 支腿和棚梁相互有限滑动，支架体可被压收缩，允许 围岩变形释放一部分应力，随即ｕ型钢支架所受压 力下降，使围岩、壁后充填体和Ｕ型钢支架组成的 整体联合支护体系达到自稳支撑平衡，并充分发挥 围岩的自支撑能力。由于Ｕ型钢支架的弹性作用 限制围岩的变形，降低发生片帮、冒顶的可能性，改 善了巷道围岩的稳定性能和施工作业环境，保证巷 道掘进及后续作业的安全。 上述支护原理分析和现场实践表明，这种快速 组装式可缩Ｕ型钢支架组支护方式具有如下特点： Ｕ型钢支架强度高，韧性好，壁后填充密实后受压 均匀，支架可被有限压缩，允许围岩变形释放一部分 应力，将围岩、壁后充填体和Ｕ型钢支架组成统一 的支撑体，充分发挥围岩的自支撑作用，在深部地应 力大、破碎及松软巷道支护中，是一种科学、有效、适 宜的支护形式；根据所需支护的巷道断面尺寸及现 场条件，采用预制的可快速组装ｕ型钢支架，方便 现场搭接组装和安装，能快速对凿岩道进行支护，安 装效率高，保证了支护的及时性；每两架为一组作为 一个支护单元，且组内两架支架间距可根据围岩稳 定情况和炮孔排距进行调节，适应复杂地质条件下 破碎围岩和中深孔设计参数要求，每组Ｕ型钢支架 之间间隔支护，保证凿岩道掘进及采场回采过程的 安全；所采用的Ｕ型钢支架各部件在地表预制，具 有统一的规格，方便施工并易形成统一的技术标准， 外形轮廓和巷道断面契合度高，更容易保证支护的 施工质量，且维修量小；Ｕ型钢支架及附件可回收 重复利用。 谦比希主矿体开采实践表明，组装式可缩Ｕ型 钢支架组支护方式，可用于地质条件复杂、围岩松软 破碎、涌水量大、受采动影响大的类似谦比希铜矿主 矿体深部崩落法或分段空场嗣后充填法采场凿岩巷 的快速支护。 ２ 支护参数 谦比希铜矿主矿体深部分段崩落法采场凿岩巷 断面尺寸：宽×高一３．８ ｍ×３．８ ｍ，四分之一三心 拱形，支护后的净断面尺寸：宽×高一３．６ ｍ× ３．５ ｍ。 ２．１ Ｕ型钢支架参数 每架Ｕ型钢支架由２个支腿、１个棚梁和４个 连接卡缆（配套相应的螺栓螺母）等组成。根据围岩 稳定情况和支护后净断面要求，确定支腿、棚梁等的 材料和尺寸。 使用材料：支腿和棚梁为预制的Ａ３Ｙ３６３５型Ｕ 型钢，卡缆为ＣＧ４０５型２９ 卡缆。 各部件设计尺寸如下。 支腿：每根支腿预制为下部平直，上部弯曲为弧 形，平直部分高度为２ ３８０ ｍｍ，上部弯曲部分用于 与弧形棚梁搭接，弯曲部分内侧弧长为１ ００５ ｍｍ。 棚梁：棚梁预制为拱形，与凿岩巷三心拱断面契 合，内侧弧长３ ４７０ ｍｍ。 卡缆：梁的两端插入和搭接在支腿的弯曲部分， 棚梁和支腿的搭接长度为６５０ ｍｍ，每侧搭接部分 用上、下２个卡缆固定。包裹联接棚梁和支腿搭接 部分的卡缆用螺栓螺母连接并可调节包裹松紧，允 许Ｕ性支架受压时棚梁和支腿搭接部分在卡缆包 裹约束下相对滑动，实现ｕ性钢支架适应围岩变形 受压收缩的功能。组装的Ｕ型钢支架见图１。 局部放大 ，——————、～ ｒ－ｍ９３９．５ ｑ ０ Ｃ ∞ ３ ６【Ｘ） 图１组装式可缩Ｕ型钢支架示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｙｉｅｌｄａｂｌｅ Ｕ ｓｈａｐｅｄ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ ｆｒａｍｅ ２．２ Ｕ型钢支架组参数 一组Ｕ型钢支架组由两架Ｕ型钢支架组成，两 架之间的间距根据巷道围岩破碎程度和中深孔排距 确定，一般为１．２～１．５ ｍ，谦比希铜矿主矿体崩落 ９４ 有 色 金 属（矿山部分） 第６９卷 法采场凿岩巷支护中选取间距为１．２ ｍ。 两架ｕ型钢支架支腿埋入支腿柱窝后，同侧的 两支腿之间用拉杆通过Ｕ型螺栓固定，拉杆材料为 热轧槽钢，每根拉杆长度１ ８０Ｏ ｍｉｉ１。 单组Ｕ型钢支架组见图２。 图２ 单组ｕ型钢支架组支护示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｕ ｓｈａｐｅｄ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ ｆｒａｎｌｅ ｓｅｔｓ ２．３ Ｕ型钢支架组支护参数 根据谦比希铜矿主矿体崩落法采场凿岩巷围岩 破碎程度和稳定性，在巷道掘进过程中，首先按设计 进行锚杆锚索支护，随后跟进进行ｕ型钢支架组支 护施工，根据巷道围岩破碎情况，每组问距离为１Ｏ ｍ左右。 ３ 支护施工工艺和实例 ３．１ 支护工艺流程和施工要点 谦比希铜矿主矿体深部崩落法采场凿岩巷Ｕ 型钢支架组支护施工工艺流程：确定支护位置；放 中、腰线；挖柱窝；立支腿；架棚梁；连接加固；背板填 充；现浇砼护腿等。 架设Ｕ型钢支架组施工要点如下： １）挖柱窝：在确定支护施工位置，放中、腰线后， 按照设计要求，靠巷道边帮使用风镐挖窝子，用于立 支腿，窝子的深度不小于１８０ ｍｍ，同侧窝子之间的 距离为１．２ ｍ。 ２）立支腿：在挖好的窝子位置立支腿，支腿的安 装必须竖直，保证钢支架受力均匀。 ３）架棚梁：在弧形棚梁上标出中线位置，把棚梁 架到支腿上，梁的两端插入和搭接在支腿的弯曲部 分，搭接部分每侧用两个卡缆包裹联接固定，通过调 节螺栓顶紧力，允许搭接部分受压时相对滑动实现 Ｕ型钢支架有限收缩。 ４）连接加固：每组钢支架之间用由槽钢预制的 金属拉杆通过螺栓夹板互相拉紧，用于加强支架沿 巷道轴线方向的稳定性；同时在每架钢支架支腿的 两侧巷道帮各施工倾角６０。、深１．２ ｍ的倾斜服务 孔，用长１．８ ｍ、直径０２５ ｍｍ的圆钢，一端配快干 水泥卷锚固于边帮服务孔，另一端将圆钢与钢支架 焊接，将支腿与巷道边帮锚固。 ５）背板填充：背板作业是为了填充拱形梁与巷 道顶部之间的空间，填充物作为巷道与Ｕ型钢支架 之间压力均匀传递的媒介，保证钢支架组受力的均 匀，更有利于支撑作用的充分发挥，采用直径为 Ｏ１５０ ｍｍ、长度为１＿６ ｍ的圆木作为填充物，密实 填充。 ６）现浇砼护腿：Ｕ型钢支架支护后，用Ｃ２０现 浇砼对钢支架的支腿部分进行浇筑保护，浇筑尺寸： 长１．８ ｍ、厚０．５ ｍ、高１．０ ｍ。 ３．２ 支护实例 目前谦比希铜矿主矿体采用崩落法回采的区域 为２ ０７０～２ ７００勘探线７０４～７７０ ｍ水平分段区 域，从７０４ ｍ水平向下已开采至７２０ ｍ水平分段， 该分段位于井口地表以下７２０ Ｉ／＂３深度，崩落法采场 凿岩巷设计在矿体下盘含矿页岩和下盘砾岩交界 处。由于该区域地质条件复杂，矿岩节理裂隙发育， 富水性极高，受上部开采扰动深部地应力增大等原 因，在凿岩巷掘进、特别是中深孔施工后，凿岩巷稳 定性极差，支护方法不当和不及时都曾导致巷道垮 塌甚至报废，严重影响本分段乃至下部分段的顺利 开采。在分析总结以往类似区域凿岩巷支护经验基 础上，在此区域凿岩巷施工过程中，在按设计进行锚 杆和锚索支护之后，随即及时跟进进行组装式可缩 ｕ型钢支架组的快速支护，ｕ型钢支架组支护施工 严格按上述参数设计和施工要点的要求进行。在准 备工作做好，支护材料、器具到位后，平均３ ｈ即可 安装１组Ｕ性刚支架组，比传统工字钢钢拱架支护 每架节约时间约５ ｈ，并且支护及时，保证了崩落法 采场的安全回采。到目前为止主采区崩落法开采区 域成功应用这种组装式可缩Ｕ型钢支架组快速支 护凿岩巷，共计安全回采采场４０多个，凿岩巷支护 长度达２ ０００ ｍ以上，安全回采矿量５Ｏ万ｔ以上。 ４ 效益分析 组装式可缩ｕ型钢支架组在谦比希铜矿主矿 体崩落法采场凿岩巷支护中成功应用，实现了凿岩 巷的高效、经济、安全施工，保证了采场的顺利回采。 在保证安全高效采矿、适应凿岩巷围岩稳定性特点 第６期 张俊：组装式可缩ｕ型钢支架组在凿岩巷支护中的应用 ９５ 和凿岩巷功能、支护施工时问短，劳动强度低，提高 支护效率和采场回采强度及部分Ｕ型钢支架可回 收再利用方面取得了良好的经济和社会效益。 在确保安全的前提下拆卸回收符合上述标准的ｕ 型钢支架组，回收的Ｕ型钢支架经相关部门质量检 验合格后还可再用于巷道支护。现场生产统计表 经过长时间研究试验和创新，探索出的快速组 装式可缩Ｕ型钢支架组支护方式，适应谦比希铜矿 崩落法凿岩巷因围岩地质条件复杂、涌水量大、节理 明，用于支护的Ｕ型钢支架组可回收重复利用率在 ３０ 左右，相当于降低支护材料成本３Ｏ 。 裂隙发育及深部高应力等因素影响造成的巷道稳定 性差、易冒落垮塌、凿岩巷功能和服务期限短等特 点。避免了因支护方法不当和支护不及时造成凿岩 ５ 结语 经过长时间研究和试验，探索出的组装式可缩 Ｕ型钢支架组支护方式，由于在棚梁和支腿搭接部 巷垮塌冒落甚至报废，解决了在掘进、中深孔施工及 回采过程中凿岩巷的不稳定而造成的经济损失问 题，实现了采场的安全顺利回采。在主矿体深部崩 落法开采区域已采出的５Ｏ多万ｔ矿量回采过程中 起到了关键作用，取得了可观的经济效益和安全 效益。 由于组装式可缩Ｕ型钢支架组可以实现地表 预制、井下现场快速组装支护，与传统的工字钢支架 比较，省去井下焊接等工序，支护及时且劳动强度 低，支护施工安全保障程度高。现场统计，平均每组 组装式Ｕ型钢支架组需３ ｈ左右即可完成支护作 业，而之前采用的传统的普通工字钢支架每架支护 时间需要１个班的时间，且劳动强度大，作业人数 多。采用快速组装式可缩Ｕ型钢支架组支护，不仅 节省工时６Ｏ 以上，减少作业人数，从而节省支护 作业的人工费用，还缩短了凿岩巷掘进工期和采场 总体回采时间，加快了采场回采作业循环，提高了采 场采矿效率和回采强度。 在谦比希铜矿主矿体深部崩落法开采区域，凿 岩巷从掘进开始至采场中深孔爆破出矿结束时间为 ２．５～３个月，即凿岩巷服务时间平均为３个月，相 对于分段巷和中段巷道的服务时间短的多，而组装 式Ｕ型钢支架组的支护服务时间可以象传统的工 字钢拱架支护时间一样长达数年时间。因此用于崩 落法采场凿岩巷支护的组装式ｕ型钢支架在中深 孔爆破前部分回收再利用是可行和必要的。根据现 场实际情况，确定了回收ｕ型钢支架时保证安全和 质量的回收原则和标准。即首先确定回收范围为距 离采场出矿口２～３排炮孔（５～６ ｍ）范围内的ｕ型 钢支架组；其次在回收前仔细观察巷道尤其是待回 收区段的围岩变形和稳定情况，确保巷道围岩稳定； 观察ｕ型钢支架组受力情况，在填充的木料无明显 变形或变形很小以及Ｕ型钢支架没有朔性变形的 情况下才可以考虑回收。在回收前，首先在紧邻Ｕ 型钢支架组前、后用液压支柱支撑巷道顶板和两帮， 位采用特定的卡缆包裹联接设计，可实现支架受压 时收缩让压功能，允许围岩通过变形释放部分应力， 使围岩、壁后填充物和Ｕ型钢支架组组成整体支护 体系保证巷道围岩的稳定，是一种科学、有效，适于 深部地质条件复杂、涌水量大、地应力大、围岩破碎 的巷道支护方法。可缩Ｕ型钢支架组采用地表预 制、井下支护现场组装安装的方式，支护工序简单， 劳动强度小，支护施工时间短并且及时，施工效率 高；由于凿岩巷服务期限短，在井下巷道施工可缩Ｕ 型钢支架组支护时，大部分工序为组装安装工序，在 凿岩巷服务期限期满可安全方便的拆卸回收再利用 部分Ｕ型钢支架，降低了支护成本。 组装式可缩Ｕ型钢支架组支护方式在谦比希 铜矿主矿体深部崩落法区域成功应用，在保证安全 高效采矿、适应凿岩巷围岩稳定性特点和凿岩巷功 能、支护施工时间短，劳动强度低，提高支护效率和 采场回采强度及部分Ｕ型钢支架可回收再利用方 面取得了良好的经济和社会效益。可为其它类似矿 山巷道支护提供借鉴。 组装式可缩Ｕ型钢支架组支护方式在今后的 巷道支护推广应用过程中，还需再研制新型轻型、高 强度、高韧性支架材料，进一步降低材料成本，增加 地表预制部件类型、减少井下焊接等环节，进一步在 减轻支护劳动强度、提高施工效率等方面进行深入 研究，拓展其应用范围。 参 考 文 献 ［１］赵兴国．赞比亚谦比希铜矿床地质特征［Ｊ］．地质与勘探， ２０１０，４６（１）：１８３—１９０． Ｅ２］ 张晋军．谦比希铜矿主矿体无底柱分段崩落法改进途径ＥＪ］． 中国矿山工程，２００９，３８（５）：１１—１３． ［３］张晋军，施发伍，刘晓辉，等．“湿喷＋树脂锚杆”联合支护技术 应用研究ＥＪ３．现代矿业，２０１３（２）：１２—１５． Ｅ４］张晋军，施发伍，陈志敏，等．谦比希铜矿破碎矿岩巷道分类分 级支护技术［ｊ］．现代矿业，２０１３（７）：７４—７６． Ｅ５］朱献忠，伍耀斌．赞比亚谦比希铜矿巷道特征与支护实践［Ｊ］． 黑龙江科技信息，２０１４（２７）：４６—４７．
