地下矿山支护系统：类型、选择方法与监测

选择地下矿山支护系统并非简单地选择更坚固的锚杆或增加更多支护构件。该系统必须与预期的围岩行为、开挖断面几何形状、应力条件、地下水、安装能力以及巷道的设计服务年限相匹配。

对于采购或指定矿山围岩支护产品的团队，建议首先查看CQ Rockbolt 的地下采矿与隧道支护解决方案。一个实用的决策路径是：识别可能的破坏模式，定义所需的支护功能，比较备选构件，验证安装质量，并监测现场性能。

什么是地下矿山支护系统？

地下矿山支护系统是岩体加固、表面支护、结构支护、安装质量控制和现场监测的协调组合。它并非单根锚杆、单层金属网或单个钢支架。

例如，锚杆可加固潜在不稳定的围岩；金属网和喷射混凝土可在开挖面附近保留松动的岩石；而钢拱架或支柱可在软弱围岩或大跨度巷道中提供额外的结构承载路径。这些构件必须协同工作。如果垫板、金属网连接、锚固区或周围的喷射混凝土首先失效，即使高承载力的锚杆也无法保证系统性能。

地下矿山支护系统示意图，展示支护拱架、锚杆、金属网、喷射混凝土及隧道结构

支护目标也因项目而异。短寿命的掘进巷道可能需要快速的局部岩石固定。永久性通道可能需要耐久的围岩加固和防腐蚀保护。高应力巷道可能需要一个在周围岩石持续变形时仍能保持功能的系统。

地下矿山支护的主要类型有哪些？

1. 岩体内部加固

锚杆、摩擦锚杆、机械锚固锚杆、全长锚固锚杆、自钻式锚杆和锚索可加固开挖边界以外的岩石。

每种构件的传力方式不同。机械锚杆通过端部锚固传递载荷。Split Set 摩擦锚杆依靠与钻孔壁的接触。Swellex 膨胀式锚杆通过膨胀紧贴钻孔壁形成紧密接触。全长锚固锚杆通过锚杆杆体、锚固剂和周围岩石传递载荷。

当不稳定性延伸到岩体更深处或需要更长锚固长度时，可考虑使用钢绞线锚索。在破碎围岩或需要一次完成钻孔和注浆的条件下，应评估自钻式锚杆系统。

选择岩石加固方案时，需评估钻孔条件、钻孔直径、锚固或粘结长度、岩石质量、安装方法、腐蚀暴露、垫板接触以及验收试验要求。锚杆的额定载荷等级只是决策的一部分。

2. 表面支护与岩石固定

表面支护控制加固点之间的松散材料，并减少开挖边界处的岩石掉落风险。常见构件包括矿山金属网、钢带、承载垫板、喷射混凝土和纤维增强喷射混凝土。

金属网可以固定较小的岩块，但其性能取决于搭接、固定、边缘约束以及与承载垫板的兼容性。钢带可以将载荷分布到多根锚杆上，但可能无法提供连续覆盖。喷射混凝土可以形成连续的表面层并减少岩石剥落，但其性能取决于基面处理、排水、厚度、粘结力、韧性、早期强度以及喷射质量。

当不稳定性延伸到岩体更深处时，表面支护不能替代内部加固。应根据预期的岩块尺寸、围岩条件、变形需求以及人员暴露情况来选择表面支护。

3. 结构支护与立柱支护

钢支架、钢拱架、木支架、液压支柱和垛式支架在开挖边界附近提供直接的结构约束。

它们可能适用于软弱围岩、大跨度巷道、交叉口、修复区域或具有显著收敛变形的地点。例如，格栅钢梁可用作矿山巷道支护和承载应用中的辅助结构构件。

结构支护的实际性能取决于实际细节，包括岩石接触、背板、垫块、填充、基础、间距和连接质量。钢支架安装后并不一定均匀承载。如果岩石接触不良，载荷传递可能与设计假设存在显著差异。

4. 特殊条件下的让压与吸能支护

在挤压性围岩、高应力区域或动压条件下，支护可能需要控制变形或吸收能量，同时继续固定破坏的岩石。

过于刚性的构件可能在地压移动停止前就达到其极限。然而，如果垫板、金属网、钢带或喷射混凝土无法适应相同的变形，单根让压锚杆无法保证整个系统的性能。应评估完整围岩支护系统的载荷-位移特性、允许位移量、能量吸收能力、连接承载力以及表面固定性能。

为什么组合支护系统在地下矿山中很常见？

地下开挖工程常常同时面临多种尺度的不稳定性。内部加固可以控制岩体内部的移动。金属网和喷射混凝土可以固定表面的松散材料。结构支护可以提供额外的约束并帮助管理收敛变形。

组合系统很常见，因为每个构件都有不同的作用。关键要求是间距、刚度、变形能力、安装顺序和连接设计方面的兼容性。

针对不同破坏模式需要哪些支护功能？

支护选择应从破坏模式假设开始，而不是从产品目录开始。

此评估应确定可能移动的对象、移动方式、条件发展的速度以及需要保护的目标。楔形体可能需要内部锚固和表面固定。挤压性巷道可能需要所有支护层在规定的变形范围内保持功能。

备选支护构件和系统如何比较？

成本和安装速度很重要，但不能一概而论。它们取决于钻孔设备、劳动力能力、地下水条件、材料供应、安装循环和检查要求。

项目条件应如何指导支护选择？

1. 开挖用途、几何形状和破坏后果

确定巷道是临时掘进、生产通道、永久基础设施、交叉口，还是人员长期暴露的区域。跨度、高度、断面形状、附近开挖工程以及可用工作空间都会影响矿山巷道支护要求。

支护失效的后果应决定保守程度、检查频率和应急计划。

2. 岩体条件和可靠的锚固区

评估岩性、节理、层理、断层、软弱夹层、风化程度以及预期的破碎围岩深度。锚固元件应达到或在能够提供可靠阻力的岩石区域内工作。

当锚固区不确定时，在指定锚杆类型和长度之前，可能需要更多的地质调查、测试或分析。

3. 应力、变形和动载需求

开采深度、回采顺序、应力重新分布、附近巷道和地震活动会显著改变支护问题。

需定义预期的位移和位移速率，而不仅仅是初始载荷。当收敛或动载破坏可能发生时，需确认锚杆、附件、表面支护和结构构件能够在要求的变形范围内保持其预期功能。

4. 地下水、钻孔、施工和耐久性条件

地下水会影响钻孔稳定性、锚固剂质量、喷射混凝土粘结力、腐蚀、岩石软化和细颗粒迁移。支护系统还必须适合可用的钻机、安装设备、搅拌和泵送能力、通风、通道以及生产循环要求。

当使用注浆或树脂锚固时，应评估锚固剂和树脂注浆材料的适用性，包括安装和养护要求。

5. 系统兼容性和可维护性

检查锚杆头与垫板、金属网与钢带、喷射混凝土与基面、以及钢支架与背板之间的界面。还需要考虑排水和防腐蚀保护。

对于涉及预应力或螺纹杆附件的支护系统，PT 钢筋和预应力锚固系统可作为完整支护配置的一部分进行评估。

如何验证安装质量？

安装质量必须是地下矿山支护过程的一部分，而不仅仅是施工后的文档任务。

1. 锚固元件的安装与验收

验证可能包括：

• 钻孔深度和直径
• 钻孔清理
• 锚杆长度和安装长度
• 树脂或锚固剂的搅拌和养护过程
• 承载垫板贴合和螺母紧固
• 必要时进行张拉
• 根据批准的项目程序进行拉拔试验或验证试验

质量计划应定义抽样频率、拒收标准、纠正措施以及释放支护区域的责任人。

2. 表面支护和结构支护的安装与验收

对于金属网和钢带，检查覆盖范围、搭接、固定、边缘约束和损坏情况。对于喷射混凝土，验证基面准备、厚度、粘结力、早期强度、排水处理以及测试要求。

对于钢支架和立柱支护，检查间距、岩石接触、垫块、背板、基础、连接以及不均匀加载或变形的可见迹象。

3. 记录安装完成状态

记录安装的支护类型、尺寸、间距、测试结果、修复、偏差、地下水条件以及相关的照片或岩土工程观察记录。

这些记录为后续检查建立基线，并有助于区分新的劣化与原始安装状态。

监测如何确认支护性能？

围岩支护监测应基于明确的破坏假设。它不能替代工程判断，但可以显示围岩和支护行为是否保持在预期范围内。

收敛监测站可以跟踪顶板与底板或侧墙之间的闭合量。多点位移计可以识别不同深度的移动。测力计可以监测选定的锚杆、锚索或结构支护。例行检查可以识别开裂、剥落、金属网变形、垫板移动、喷射混凝土损坏、构件断裂和地下水变化。

在监测开始前，应制定触发-行动-响应计划。触发值应考虑仪器精度、正常变化、允许变形、支护能力、变化速率、人员暴露和失效后果。

不要从其他矿山或一般性文章中复制触发值。当观测值超过项目定义的限值时，响应措施可能包括额外检查、限制进入、补充支护、改变开采顺序或修订岩土工程评估。

常见问题解答

更高强度的锚杆总是最好的升级方案吗？

不是。更强的锚杆杆体可能无法解决锚固不良、粘结长度不足、表面支护失效、安装质量差或超出整个系统能力的变形问题。首先要识别失效机制。请参阅地下矿山锚杆选择指南以更详细地比较锚杆类型。

金属网或喷射混凝土可以替代岩体加固吗？

金属网和喷射混凝土可以固定靠近开挖面的松散材料，但它们通常不能替代控制深层不稳定性所需的岩体加固。

何时应审查已安装的支护设计？

当位移、支护载荷、构件损坏、验收试验结果、地下水条件、开挖断面几何形状、爆破损伤、开采顺序或应力条件超出原始设计假设或项目触发标准时，应进行审查。

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