采矿工程预控顶支护技术优化分析

摘要：在矿山的井下开采中，采场顶板的稳定性至关重要。在围岩等级低，裂隙发育等位置更是易出现顶板冒落等严重的安全事故，因此，采矿工程中用于加固顶板质量的预控顶支护技术十分必要。在实际的矿山开采项目中，如何根据采场顶板的实际情况来选择有效、经济的预控顶支护技术是预控顶支护中的重点、难点问题。本文对采场顶板的冒落原因、预控顶支护技术进行系统性的分析概述，并结合某镍矿矿区的地质情况给出两套不同的支护方案，应用FLAC对两种支护方案进行建模数值分析，对比不同方案的优缺点，优化后得到最优支护方案。

关键词：顶板支护；采矿工程；数值分析；导管注浆

我国工业的快速发展，促使了对矿产资源的需求。资源的供应问题日益紧张，有限的浅地表矿产资源在近年来几乎开采殆尽[1，2]。因此，对深层资源的开发已经成为矿山企业的重点生产内容，但深层资源开发伴随而来的坍塌、渗水等问题引发的矿山生产安全事故层出不穷[3]。所以，采矿工程中的预控顶支护技术的应用和发展十分重要，故必须要发展相关的支护技术的理论及支护方法。技术发展的同时也需要兼顾经济效益，如何更有效的控制矿产资源的开采成本并且保障生产安全，在生产安全及井下支护成本之间如何去取舍和优化也是各大矿企十分关心的事情[2，3]。本文通过对预控顶支护进行系统研究及数值模拟来对优化支护方案，以寻求经济和安全之间的最优化。并希望为类似条件矿山的深层资源开采带来参考指导作用。

1常用的预支护技术

预支护技术的应用在工程建设行业及矿产开发行业中应用广泛，无论是公路、铁路隧道，还是市政工程都时常能见到预支护技术的应用。当前，主流的预支护技术如图1所示。

1.1小导管注浆

在作业面顶板位置，均匀插入小导管布置，采用高压注浆机往导管内注浆，浆料硬化将在作业面上方产生具有一定强度的支护圈，可与钢拱架组成棚架，从而抑制顶板围岩的变形。

1.2水平高压旋喷

作业面顶板上方钻水平孔，注入浆料加固，此法具有成功率高，速度快的优点，但是支护抗弯性能较差。

1.3超前锚索杆

是实际工程中最为常用的支护方式，通过对工作面施加锚杆进行超前预加固。

2顶板冒落原因分析

顶板冒落产生的原因机理较为复杂，大致来说可以从顶板的事故种类、岩体问题类型、顶板冒落这几个方面来进行分析。

2.1顶板事故类型

首先，顶板冒落事故大多可分为局部冒落及大范围冒落两种情况，前者多因现场作业时未对破碎顶板进行及时支护所导致，后者冒落面积大，且具有突发性，并且造成的后果严重，其原因多是因为岩体破坏加剧导致超过岩层变形临界点。

2.2岩体破坏类型

岩体破坏是指岩体在一定的应力条件下结构丧失联结或者承载力和稳定性丧失的现象的总称。不同结构的岩体破坏的机理不同，因此破坏类型也不同，而岩体的主要破坏类型分为拉伸破坏和剪切破坏[4]。

2.3顶板冒落原因

顶板冒落产生的原因可分为自然因素及人为开采因素，采场顶板冒落是自然因素和人为开采因素同时起作用，发生冒落的基本规律为：在岩体开挖过程中，由于岩体的自重或者采动中产生的次生应力场的作用，使得采场顶板向采空区的自由面发生弯曲变形。而岩体的抗拉强度一般比较小，当围岩的暴露面积相对过大、顶板处的围岩中的拉应力超过岩体抗拉强度时，就发生了顶板的破坏和冒落。

3金属矿山的顶板支护设计

以甘肃某金属矿矿区为例，结合该地区的围岩特征，设计两种支护方案如下。

3.1锚索杆+小导管注浆支护

顶板支护采用小导管注浆工艺，并且打入锚索进行联立支护。通过锚索和小导管的共同支护作用，提高了顶板的抗剪切和抗拉强度，使顶板的抗变形能力变大。

3.2锚索+锚杆的联立支护

此方案采用锚索杆的超前支护进行联立支护。

4数值模拟及分析

4.1模型参数设置

模型所设计的材料的参数，包括采区围岩体的力学参数、支护结构的参数。

4.2数值模拟

对本文设计的两种方案进行了数值模拟，结果如下图4所示：从模拟的结果来看，顶板的沉降变形最大位移主要集中于顶板跨中，在未采取支护措施的情况下，顶板最大位移量31.64mm，锚杆加小导管注浆联立支护方案的最大位移量为22.98mm。锚索+锚杆的联合支护方案中顶板位移最大值为26.26mm。前一方案较后者的位移量缩减了23.6%，因此采用锚杆+小导管注浆的方式较优，从而在该矿山的顶板预支护中采用这一方案。

5结语

通过模拟研究表面明，采用锚杆+小导管的支护方案优于锚索杆支护，复合以往的实际经验。这也表明通过对预控顶支护进行系统研究及数值模拟可以更好的辅助优化预控顶支护方案。

参考文献

[1]刘锋珍.深部高应力巷道围岩稳定性数值模拟研究[D].山东科技大学,2005.

[2]王猛.煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D].辽宁工程技术大学,2010.

[3]袁亮,薛俊华,刘泉声等,煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术[J].煤炭学报,2011,04:535-543.

[4]李松青.基于实物期权理论的矿业权价值评估研究[D].中南大学,2009.

作者：赵其祯 单位：甘肃省金川集团有限公司二矿区