井下運輸巷道及采場支護措施探討

趙麗桃

(云南文山斗南錳業股份有限公司，云南硯山 663101)

0 前言

云南斗南分礦白姑、嘎科兩個礦區多年開采地下低磷、低硫優質錳資源，1984年、1987年分別建設白姑、嘎科3萬t/a采礦工程。1996年10月冶金部批準建設斗南20萬t/a采選工程，于1998年12月建成投產，目前已達到年采30萬t/a的原礦生產能力。伴隨開采規模不斷擴大，采礦標高逐漸下降，運輸平巷及采場安全管理出現了新情況，生產安全管理采取了積極應對措施，積累了經驗，為保障礦山生產安全、產量穩步提升做出了貢獻。

斗南礦區位于斗南弧形向斜中部西緣，為一軸向北 50(°)東，北翼地層產狀平緩，南翼陡立(局部倒轉)的不對稱向斜。白姑礦區位于斗南向斜北翼東端，單斜構造，主要開采V8礦體。礦體傾角為7(°)～45(°)，平均 25(°)，礦厚 0.3～2.98 m，平均1.23 m。嘎科礦區位于斗南向斜南段，為北翼產狀平緩、南翼陡立的不對稱向斜；主要開采V1礦體，其中北翼為緩傾斜產出，平均礦厚1.43 m，南翼為急傾斜產出，礦體傾角為 35(°)～85(°)，平均 65(°)，礦厚為0.5～2.0 m，平均礦厚為0.98 m。

地下采礦活動破壞巖體原有的完整性和降低了原有的力學強度，伴隨時間的推移，開拓、采礦爆破震動、地質構造、巖石自重應力和巖石風化等作用[1]，使得工人井下采礦作業的安全系數降低，因此，顯現支護工作的重要。本文根據云南文山斗南錳業股份有限公司斗南分礦區井下安全管理工作多年積累的經驗，介紹了井下運輸巷道及采場支護的措施，對我國錳礦山運輸巷道及采場支護工作有一定的意義。

1 礦區開采簡介

隨著采礦中段繼續延伸，兩礦區已在建設深部開采的重要設施工程。中段運輸平巷由沿礦脈走向脈內開拓轉為沿礦脈走向脈外底板開拓。

白姑礦段主斜井開拓方式為：沿礦石底板側翼開拓〔坡度20(°)〕，用于提升礦石。副斜井開拓方式為：沿礦石底板中間開拓〔坡度25(°)〕，主要用于人行、材料運輸。現已建成機械通風系統，在礦體兩翼開拓脈外通風井形成抽出式通風系統；建成梯級排水系統，井下涌水及生產用水從副斜井排出。

嘎科礦段主、副井開拓方式為：沿礦石底板中間開拓〔坡度 20(°)〕，服務礦區南、北翼人行、材料運輸、礦石提升。北翼建成機械通風系統，各中段在運輸平巷最西端開掘脈外永久通風井，以該通風井掘通為標志，界定是否進入機械通風系統，以改善工人作業環境。嘎科礦區1 620 m標高以上各中段排水采用自流排水方式，以下各中段建成梯級排水系統。

2 礦巖穩固性分析

通過對礦區地質構造分析，巷道開拓、礦石開采多年來的總結，得出影響圍巖穩固有以下因素。

2.1 礦區地質構造

礦區構造復雜程度可歸于中等，其中：嘎科礦段褶皺較強烈，斷層也較發育，屬中等偏復雜；白姑礦段為一單斜構造，褶皺不太發育，斷層比較稀少，屬中等偏簡單。

1)礦層及圍巖工程地質特征。錳礦層主要為致密塊狀和條帶狀灰質氧化錳礦組成，質堅性脆，節理裂隙較發育，多由次生方解石脈充填。礦層頂底板巖性為粉砂巖，泥質粉砂巖，粉砂質泥巖，泥巖類和碎屑角礫灰巖，含錳灰巖等組成(如表1所示)。

表1 斗南錳礦區礦巖強度分類

從表1可看出，礦區各巖石強度分類，由此判斷巖層穩固情況。

2)由于構造影響，巖層節理裂隙發育，破壞了巖體的完整性和降低了巖體的力學強度，斷裂不僅將礦體破壞錯開，更嚴重的是斷層破碎帶巖質松軟，巷道通過時出現冒頂事故，施工難度加大。

綜上所述，本礦區在相當軟的泥質巖石及其斷裂破碎帶均為巷道開拓、采礦過程中不利工程地質因素。

2.2 主要斷層對礦體的破壞情況

白姑礦區：F3地表長度1 920 m，傾向南西，傾角83(°)，切割層位從鳥格組直到個舊組，將白姑礦段橫切為東西兩段，對礦層有較大破壞。

嘎科礦區：F10斷層對礦體有較大破壞，常使向斜軸部礦體缺失或使其支離破碎。F12斷層斷距一般為24 m，最大33 m。破裂帶角礫巖性質與 F13近似。F13是嘎科礦段規模最大的斷層。破裂帶寬度0.48～4.87 m，平均為2.34 m。斷層角礫巖分明，大小不等，結構疏松。F16與F18大致平行，平均斷距27 m，破裂帶較寬，最大達23.2 m。F17斷層對礦層有破壞作用，尤其在向斜軸部及南翼地段與其他兩組斷層交割處，是構造很復雜的部位。F18斷層斷距一般24 m，最大達93 m，破碎帶寬達0.2～3.52 m，由斷層角礫巖及糜棱巖組成，角礫棱角分明，結構松散。巷道掘進時遇到該斷層破裂帶時極易坍塌。F29斷層位于向斜南翼，常使礦層重復出現。

3 采礦方法

根據冶金部馬鞍山礦山研究院所做《斗南錳礦區采礦方法與地壓活動規律的研究》和《斗南錳礦緩傾斜多層礦體開采方法工藝的研究》的研究成果，冶金部長沙冶金設計院(現中冶長天國際工程有限責任公司)斗南錳礦年產20萬t初步設計，結合礦山實際，采礦方法如下：白姑礦段及嘎科北翼緩傾斜礦體，根據頂板穩固情況、礦石厚度分別采用桿柱(破頂、底)房柱采礦法(使用比較多)、普通房柱采礦法；嘎科礦段南翼急傾斜礦體，根據頂板穩固情況分別采用中深孔(孔深3.5～5 m)留礦采礦法[2]、下向分層法，其中圍巖穩固或中等穩固的礦段采用中深孔留礦法，圍巖不穩固或極不穩固礦段采用下向分層采礦法。

4 運輸平巷安全管理

斗南礦區30萬t/a采礦規模進入穩產期，公司對安全工作非常重視，投入人力、物力不斷加大，礦山安全工作逐步走向規范，爭對不同地質構造影響巷道穩固的情況，采取有效的支護措施，總結了經驗。

4.1 巷道支護簡介及塌方

4.1.1 選用合理的支護方式

1)近幾年巷道施工情況。白姑礦區影響運輸巷道穩固的大斷層是F3；嘎科礦區南翼影響運輸巷道穩固的大斷層是 F16、F17、F18及 F29；嘎科礦區北翼影響運輸巷道穩固的大斷層是 F10、F12、F13。對不穩固巖層根據其服務年限選用合理的支護方式，以達到既經濟合理，又保障安全的效果。

2)澆灌支護(支護厚度不小于300 mm)、噴錨網支護。為阻隔巖石與空氣接觸，減弱風化作用，白姑礦區運輸平巷采取整體噴混凝土支護的方法。

嘎科礦區南翼 F16、F17、F18影響運輸巷道巖石穩固，開掘S-V中段運輸平巷時斷層處塌方，巷道改向掘進未能成功，后經改進支護方式，成功通過斷層。S-V I中段運輸平巷同樣遇到上述斷層，借鑒S-V中段成功經驗，巷道通過斷層破碎帶。

4.1.2 塌方原因分析

1)斷層破碎帶巖石為斷層泥夾粉砂巖顆粒，穩定性極差；

2)施工時間在雨季，地表雨水滲透浸入，更是加劇巖石不穩定性；

3)選用支護方法不科學合理。采用木箱支護、皮材護(邦)頂的方法，架箱距塌方巷道迎頭最近的有1～2 m，工作人員站在塌方巖石形成的坡腳操作，距離過遠，除止不了來自墻和拱3個方向的塌方。

4)施工組織不當，對塌方原因沒有認真分析。

4.2 支護方案改進及效果

1)由于沒能有效遏制塌方，工區管理人員與施工人員舉行現場分析會，討論有效支護巷道、能使掘進工作順利推進的方法，最后討論結果是采用“超前支護的方法”。首先創造人員操作的安全位置，把木箱支護換成鐵箱支護，箱與箱之間的距離不大于0.8 m；其次在墻和拱3個方向以超出最前面一加鐵箱3 m長的范圍用鋼管(φ25～40 mm)護頂(邦)；要求技術員畫出設計圖(如圖1所示)，做技術交底，讓每位參戰人員了解施工意圖，精心組織施工。

從圖1可看出，巷道超前支護起到創造工作面安全作業環境，可有效保證施工人員順利施工。

2)巷道迎頭最近一架箱與后面箱的空隙處以15(°)～20(°)的角度打眼，眼深以超出迎頭 1 m 以上為宜，在眼內置入鋼管護頂(邦)，達到了分散巖石應力的效果，使得作業空間相對安全，有效遏制住塌方，巷道得以繼續掘進。

圖1 超前桿支護

3)該支護方案既方便、價格便宜，又操作簡單。該方法在斗南礦區生產活動中起到了很好的安全保障作用，對于服務年限短而斷層破碎帶大的巷道，采用以上方法，已成功解決多處巷道掘進支護難題，已在礦區推廣。

5 采場頂板安全管理

地下采礦活動改變了巖體原有的完整性，降低了原有的力學強度。為充分利用地下錳資源，采取科學合理的方法采出礦石，針對斗南礦區緩傾斜、急傾斜科出的礦體，冶金部礦山研究院做了采礦方法試驗與采場地壓顯現的試驗(如表2所示)。

表2 試驗采場地質條件及結構參數

5.1 采礦方法存在問題

1)緩傾斜礦體往深部延伸，傾角逐漸加大，已由試驗時的角度平均上升了3(°)～7(°)，采礦方法需要改進；

“中國古代風俗畫的描繪對象常常是以人為中心的社會風俗，應該非常清楚，中國古代的風俗人物畫是依托在各種功利性需求上而產生的。”[2]如果必須要找到一些早期原始的風俗畫作為其源頭進行討論的話，則應上溯到石器時代。那些刻在巖石上的線條和彩繪在陶器上的圖案，雖然遠古先民受原始的生活環境與創作條件的限制，但是他們仍是可以用如此簡單的筆觸勾勒出那時的場景，即使他們創作的目的并非是欣賞藝術之美。遠古先民僅僅是為了生存而進行創作，他們的創作意識是單一而獨特的，這種生存包括巫術形式、紀念、祝禱等。很明顯，即使這一時期的繪畫只是當時社會生活的單純表現，但其寫實性卻非常值得人們關注。

2)礦體傾角上升，爆破后成塊礦石隨自重容易滾落，對工作面操作人員安全造成威脅；

3)礦房中每個回采步距(8～10 m)需留礦住支撐臺棚以擋住空區垮落的巖塊，造成資源損失；

4)隨著中段高度下降，傾角變陡，步距結束所做臺棚受巖塊沖擊力加大，臺棚易倒、易斷，起不到防護作用，而且出現幾次巖塊沖斷事故，給后續處理工作帶來麻煩；

5)回采工作面爆破后，頂板暴露瞬時失去支撐而產生變形下沉，每個步距最后一排炮臺采下的部分礦石由于頂板來壓，回收利用不完全；

6)回采工藝中鑿巖爆破后木頂柱支撐大多被沖擊波吹倒，礦石運輸(電耙搬運)作業人員處于安全系數低的環境中。

5.2 原因分析和應對措施

1)原因分析

回采工藝：鑿巖爆破→采場通風→浮石清理→礦石運搬→頂板支護。

分析生產工藝環節，造成資源損失和人身傷害的直接原因是礦石頂板來壓，鑿巖、爆破、清理浮石、支護均需要暴露在部分采空區頂板之下作業，且作業時間長達15 h/d。

針對以上問題，斗南公司與中鋼集團馬鞍山礦山研究院合作，做出采場頂板控制與爆破優化技術研究，并得出總結報告。

斗南公司采納了報告中提出的推廣非電起爆網絡建議，工作面全部用上磁電雷管，改善了爆破質量，結合生產實際，公司開展QC活動，專對該生產問題展開公關，并取得實質性的成果。

活動開展簡介

2008年4月，按照QC活動開展程序，嘎科工區以實現清潔生產、降低采礦風險、提高資源回收利用、降低采礦成本為課題進行了登記，并開展活動。通過對斗南礦區礦體賦存條件進行分析和研究，借助以往爆破攻關獲得經驗，提出采用中孔爆破替代淺孔爆破的方案。

通過對采礦方法、落礦方式改進，獲得收益有：a縮短了步距作業周期，提高了回采率；b操作人員均在切割拉底內完成所有工作，降低了作業風險，提高了安全性；c、預留礦柱垮落后可由電耙收回利用，提高了資源利用率。

6 總結

通過有效管理，采礦生產作業的各項工作得到有序開展，事實再次證明：通過技術改造，生產中出現的問題迎刃而解，產生直接經濟效益和間接經濟效益，為公司發展做出了貢獻。總結兩項問題的解決辦法，成功經驗主要有以下幾點：

1)管理人員在事件中組織協調作用顯現。管理者對施工隊、工程技術人員、機械修理加工人員在各種事件中有效協調、調動，發揮各自才能。

2)工程技術員精心設計，為完成工程任務奠定良好基礎。

3)安全工作無小事。發生冒頂事故時，冷靜分析造成工作困難、難以推進的原因，總結不足之處并及時改進。

4)采礦生產中怎樣提高資源回收利用率、提高作業人員安全，一直以來是公司著重解決的，隨著采礦中段向深部延伸，開拓方式的改變，按照安全標準化作業生產，將來會遇到新問題，本著務實的態度，積極采用新方法、新技術解決問題。

5)在以后的工作中，強化安全工作精細化管理，重點落實各項管理規章制度的落實上來，為公司的發展做出更大的貢獻。

[1]郭金峰.斗南錳礦采礦方法與地壓法動規律的研究[R].冶金部馬鞍山礦山研究，云南文山斗南錳礦，1993，15-19.

[2]采場頂板控制與爆破優化技術研究[R].中鋼集團馬鞍山礦山研究院，云南文山斗南錳業股份有限公司，2007，32-36.