矾山磷矿采矿顶板支护施工方案.docx
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矾山磷矿采矿顶板支护施工方案
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Ⅱ号和Ⅲ号两层矿体。
Ⅱ号矿体垂直厚度为12.9m，水平厚度为25.4m；Ⅲ号矿体垂直厚度为～7.2m，水平厚度为～11.9m左右，矿体倾角38度。
Ⅱ号和Ⅲ号之间的夹石8～10m，水平厚度13～17m，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，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：
Ⅲ号矿体靠近下盘4～6m属于不稳固段，容易抽冒，靠近上盘为基本稳固～不稳固；Ⅱ号矿体属于中等稳固，其上盘围岩属于中等稳固以上；Ⅱ号和Ⅲ号矿体之间夹石，属基本稳固类型。
Ⅲ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：
m3；
（2）围岩体重：
m3；
（3）矿石硬度系数：
f=6～8；
（4）围岩硬度系数：
f=8～10；
（5）矿岩松散系数：
；
（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Ⅱ号矿体采用点柱上向水平分层充填采矿法，Ⅲ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
Ⅱ号矿体
Ⅱ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～，坚固性系数f=5～7，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～2m之间，纵向的深度在～1m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Ⅱ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9～12m，网度为3×3m。
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1×1m。
（1）长锚索支护参数设计
a、钢绞线型号的确定
长锚索加固时通常选用直径为15～30mm钢丝绳或者钢绞线，破断力在120～450KN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Φ,绳1×7，股（1+6）型单股钢绞线。
单根钢绞线总断面积为134.24mm2，重量为m，钢丝破断拉力总和为260KN，抗拉强度为1860MPa。
采用两根Φ单股钢绞线绑扎一起，破断拉力总和为520KN，取修正系数为，即两个Φ单股钢绞线绑扎一起破断拉F=520KN×=。
b、锚固长度确定
锚固力要求达到锚固采场顶板3m×3m网度内三角楔形冒落体的岩石重力（如图3-1.），再乘以F系数为的安全系数。
计算得锚固力要求为F=vγg=×3××3××=
图3-1
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，能悬吊的重力。
根据长锚索锚固力，采用两个钢丝绳，满足设计要求。
②按钢丝绳从胶结体中拔出时，锚固长度（单位m）；
式3-1
式3-1中：
L1—锚索锚固长度m；
K—安全系数，K=～2，取；
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；
γ—注浆系数，。
设计采用水泥浆，水泥浆水灰比为，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==×106N/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=π××2=，则一米钢丝绳与砂浆的粘结力为P1×S1=×106N/m2×m2=。
因此锚索体从胶结体中拔出时，锚固长度。
③按胶结体与钢丝绳一起沿孔壁滑移，锚固长度（单位m）；
式3-2
式3-2中：
L2—锚索锚固长度m；
K—安全系数，K=～2，取；
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；
γ—注浆系数，。
水泥浆与锚索孔壁的粘结强度与孔壁岩石有关，矾山磷矿Ⅱ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=。
锚索炮孔的直径为60mm，每米炮孔的表面积S2=π×=，则水泥浆与每米炮孔壁的粘结力P2×S2=×106×=47t。
按胶结体与钢绞线一起沿孔壁滑移时，锚固长度为。
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。
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Ⅱ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，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7～14排锚索钻孔长度为12m，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Ⅱ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3m×3m,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3m～5m时,可适当加大网度到4×4m或5×5m。
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，本次设计选用两根直径为Φ钢绞线，选取钻孔直径Φ60mm。
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，其28天粘结强度为，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。
（2）长锚索的安装
锚索孔打好后，按以下要求安装锚索：
①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。
②现场用高压风将锚索孔吹净，手工将钢绞线送入锚索孔；采取由外向里的前进式注砂浆，必须用胶带将Φ8mm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。
③在孔口处锚索体一侧放一根Φ25mm×600mm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250～300mm，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425#普通硅酸盐水泥，浆液为水灰比。
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TJ—25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
2
2
钻架
TJ—25
台
2
3
切割机
J3G1-400
台
1
4
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
2
6
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Φ65mm,总孔深。
锚索孔内安装两根Φ，绳1×7，股1+6型钢绞线，每根锚索比锚索孔长，需要钢丝绳总长为，共。
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=（π××π×××2）×=。
水泥浆配比为水：
水泥=：
1，注浆时漏浆系数按计算，共需要水泥、。
表5-1主要材料消耗表
序号
名 称
规格型号
单位
数量
备注
1
钢绞线
Φ，绳1×7股1+6+12
m
2
排气管
Φ8mm聚氯乙烯管
m
2700
3
水泥
425#硅酸盐
t
4
封口木塞
个
218
5
耐压胶管
Φ25mm
m
100
6
胶布
卷
60
（6）成本概算
①设备投资概算
Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护凿岩设备采用YGZ-90型凿岩机，目前矿山有该设备，不必新买。
设备价格按根据市场询价计算。
需要增加设备费用见表6-1。
表6-1Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护设备费用表
序号
设备名称
数量
单位
单价
金额
备注
（元）
（元）
1
凿岩机
2
元/台
矿山已有
2
切割机
1
元/台
2000
2000
3
注浆泵
2
元/台
85000
17000
4
张拉千斤顶
2
元/台
2000
4000
5
搅拌槽
2
元/台
2000
4000
自制
6
合计
27000
②材料消耗概算
材料价格主要根据市场询价计算。
Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护主要材料消耗费用见表6-2。
表6-3Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护材料消耗费用表
序号
名 称
数量
单位
单价
金额
备注
（元）
（元）
1
钢绞线
元/t
6000
32760
2
排气管
2700
元/m
9450
3
水泥
元/t
360
2304
4
封口木塞
218
元/个
20
4360
自制
5
耐压胶管
100
元/m
8
800
6
胶布
60
元/卷
10
600
7
合计
55724
③人工工资
Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护人工费用见表6-3。
其中凿岩工人工费在钻孔工程费中已包含。
表6-3Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护人工费用表
序号
工种名称
人数
单位
单价
天数
金额
备注
1
锚索安装工
6
元/人·天
200
25
30000
2
运输工
4
元/人·天
200
10
8000
3
注浆工
4
元/人·天
200
25
20000
4
维修工
2
元/人·天
200
10
4000
5
合计
62000
④成本构成
Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护锚索孔总长，单价为30元/m，成本为69915元。
主要成本有钻孔费、设备费用、材料费、人工工资和动力费。
长锚索支护主要成本构成见表6-4。
表6-4Ⅱ号矿体采场顶板长锚索支护主要成本构成表
序号
费用名称
总成本
每m锚索成本
所占
备注
（元）
（元）
比例
1
设备费
27000
2
钻孔
69915
2
材料费
55724
3
人工费
62000
4
其它
10000
包括动力消耗、
材料运输
6
合计
224639
Ⅱ号矿体6#采场431水平顶板长锚索支护总投资费用为224639元，每米锚索成本元。
设备费27000元，占总成本的12%；钻孔费用69915元，占总成本的31%，材料费55724元，占总成本的25%；人工费62000元，占总成本的28%；其他费用10000元，占总成本的4%。
Ⅱ号矿体采场顶板采用12m的锚索支护，可采9m的矿体高度，即可采矿石量为万t，长锚索支护需增加到每吨矿石的成本=224639÷62970=元。
Ⅲ号矿体
Ⅲ号矿体采用上向水平分层进路充填采矿法。
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。
设计采用锚杆与喷射混凝土联合支护，空心锚杆的网度为1.0m×1.0m（长×宽），空心锚杆长度为2.0m。
喷射混凝土厚度为50～100mm。
拉开进路后立即对进路进行喷射混凝土支护，喷射混凝土厚度为20～50mm，等第一次喷射的混凝土达到一定的强度后，再次喷射20～50mm的混凝土。
在局部不稳固的地段加设空心锚杆支护。
锚杆在第一次喷射混凝土后施工。
（1）锚杆参数选择采用管缝式锚杆，锚杆长度为2m，直径为43mm。
锚杆支护网度设计为1m×1m。
（2）混凝土参数混凝土由水泥采用普通425硅酸盐水泥、中砂、石子或者卵石按1：
2：
2的配比拌和而成，其中水灰比为。
中砂的平均粒径在～为宜，石子或者卵石粒径要求在15mm以下。
混凝土喷射机采用矿山现有的设备。
（3）锚杆安装为了保证安装锚杆作业安全，首先进行采场顶板撬顶作业。
撬渣后，钻锚杆孔，安装锚杆。
锚杆孔钻凿位置应严格按设计施工，孔深超过锚杆长度5cm，孔径小于锚杆管缝段外径2mm。
安装时将套好垫板的锚杆头对准锚杆孔，用一根专用短安装杆借助凿岩机的冲击和推力将管缝段挤压推入孔中，使垫板紧贴岩面，至此锚杆安装完毕。
锚杆安装分为两种形式，一种是用YSP-45型凿岩机钻孔，人工安装锚杆；另一种可采用锚杆台车进行机械化锚杆安装，如芬兰汤姆洛克公司生产的MERCURY-IB型锚杆台车,锚杆台车的主要技术参数见表4-1。
表4-1锚杆台车主要技术参数
项目
数量
工作高度/mm
3200～5500
爬坡能力/%
35
内轮转弯半径/mm
3550
外轮转弯半径/mm
5700
长/mm
8750
宽/mm
1600
高/mm
2000
为了保证锚杆安装质量，发挥锚固效果，必须注意钻孔直径符合要求。
在锚杆安装时，注意锚杆安装的难易程度，并据此调整钻孔直径。
当管缝段无法冲击到位时，说明孔径过小，反之安装过于轻松则是孔径过大。
（4）设备材料清单
①设备：
YSP-45型凿岩机2台
混凝土喷射机2台
②材料消耗：
单条进路长60m，宽4米，锚杆网度为1m×1m。
因此计算单条进路的管缝式锚杆消耗根数为60×4÷1=240根。
管缝式锚杆安装综合费用（包括打眼、人工安装费）为60元。
单条进路锚杆安装费用为240根×60=14400元。
四、质量控制
1、所有材料特别是锚索、锚杆专用材料必须进场试验验收合格后方可使用。
2、长锚索用的水泥砂浆配合比以及拌和的均匀性，每工作班检查次数不得少于两次；条件变化时应及时检查。
3、严格按照有关规范及设计文件施工。
4、为保证锚固段长度和防止清碴不彻底，所有长锚索钻孔深度应超钻0.5m。
锚杆孔超深5cm。
5、锚索注浆必须是从注浆管孔底反向一次性连续注浆，如注浆出现间隔，必须采取措施，严禁从孔口注浆至锚固段。
6、锚索注浆在砂浆强度达成终凝前严禁扰动锚索。
7、保证锚索受力方向为直线。
8、锚索加工严禁使用电焊焊接截断钢丝绳，严禁用铅丝绑扎钢丝绳。
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