西石門鐵礦南區(qū)軟破礦巖支護(hù)方法研究

常 帥，任鳳玉，李 楠

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819；2.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015)

1 概述

西石門鐵礦南區(qū)為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體賦存于奧陶紀(jì)灰?guī)r與燕山期閃長巖的接觸帶上，呈不對稱背斜構(gòu)造，軸部平緩，兩翼傾角一般10°～30°，礦體厚度1.2～30m，埋深150～300m。礦體穩(wěn)定性沿鉛直方向變化較大，一般靠近頂板部位的磁鐵礦石硬度較大，中等穩(wěn)定，而靠近底板部位的矽卡巖化磁鐵礦石比較破碎，穩(wěn)定性差；頂板灰?guī)r節(jié)理裂隙較發(fā)育，一般中等穩(wěn)定；下盤閃長巖整體性較好，穩(wěn)定到中等穩(wěn)定；在閃長巖與礦體之間的矽卡巖層厚1～10m，松軟破碎，極不穩(wěn)定。

礦山原用有底柱分段崩落法、房柱法開采時(shí)，其采準(zhǔn)巷道的穩(wěn)定性問題解決難度大。近年來，統(tǒng)一改用無底柱分段崩落法開采，采用素噴、錨噴、噴錨網(wǎng)、U型拱架等多種支護(hù)形式，適應(yīng)了不同類型巖性特點(diǎn)，使采準(zhǔn)工程的穩(wěn)定性得到有效控制。然而，隨著礦山上部正規(guī)回采采場的結(jié)束，其殘采采場大面積展開，受殘采采場形成原因以及地壓、巖體穩(wěn)定性影響，原用支護(hù)形式已不能滿足生產(chǎn)要求。此外，隨著采深增加，深部回采區(qū)域礦體也受到小礦點(diǎn)破壞，一方面礦體殘缺破損，空區(qū)較多且部分地段地壓較大，而且南北區(qū)在掘進(jìn)過程中，當(dāng)遇到較大冒落區(qū)或民采塌方區(qū)時(shí)就停掘，這與礦山礦體空區(qū)較多的開采條件不相適應(yīng)，需要解決巷道過散體層技術(shù)問題；另一方面采空區(qū)周圍巖體在采動壓力長時(shí)間作用下，容易發(fā)生碎裂、巖移，使圍巖承載能力急劇下降，尤其是矽卡巖化磁鐵礦和底板矽卡巖層，穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，采準(zhǔn)巷道經(jīng)常出現(xiàn)塌冒現(xiàn)象，使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。

2 礦山原支護(hù)形式適應(yīng)性分析

西石門鐵礦是冶金系統(tǒng)有名的難采礦山，經(jīng)過多次采礦技術(shù)攻關(guān)和投產(chǎn)以來20多年的不斷改進(jìn)，不穩(wěn)圍巖中采準(zhǔn)巷道的支護(hù)形式，優(yōu)選為噴錨網(wǎng)與U型可縮式金屬拱架支護(hù)。但生產(chǎn)中仍存在支護(hù)嚴(yán)重破壞現(xiàn)象，在以上支護(hù)破壞采場及礦段具體表現(xiàn)為：①巷道大量出現(xiàn)冒落、片幫現(xiàn)象，許多巷道堵塞廢棄，造成采準(zhǔn)工程報(bào)廢；②支護(hù)拱架前移、被壓彎、偏斜，部分拱架腿扭曲變形。多數(shù)巷道經(jīng)多次重復(fù)拱架支護(hù)，仍然變形破壞嚴(yán)重；③噴錨網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體與巷道側(cè)幫離層，出礦口噴錨網(wǎng)壓剪破壞、張拉開裂。斷層帶滑移、噴層開裂掉塊。巷道破壞造成礦量損失嚴(yán)重，給生產(chǎn)安全帶來較大壓力。

分析來看，噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)具有迅速提供連續(xù)支撐力、保持和提高巖體的抗剪強(qiáng)度、充分發(fā)揮被支護(hù)圍巖自承能力等優(yōu)點(diǎn)，但施工及時(shí)性不容易保證；U型可縮式金屬拱架具有較高的初撐力、能夠提供較大的支護(hù)抗力、拱架的屈服縮動可以降低圍巖作用于支架上的壓力等優(yōu)點(diǎn)，但受巷道開挖斷面形狀影響較大，往往形成點(diǎn)支護(hù)，不能緊貼斷面支護(hù)。當(dāng)進(jìn)入被破壞礦體開采時(shí)，又由于空區(qū)狀態(tài)復(fù)雜造成局部礦段地壓大、圍巖穩(wěn)定性差以及地壓作用方向變化復(fù)雜等因素影響，使得采準(zhǔn)工程經(jīng)常遭受破壞。

從巖體力學(xué)角度來說，造成巷道破壞的高地壓主要來自兩個(gè)方面，一是西石門南區(qū)部分采空區(qū)頂板已經(jīng)冒透地表，塌陷坑周圍的上覆巖體發(fā)生大規(guī)模巖移，引起井下滯后開采的局部礦段的采動壓力急劇增大；二是多空區(qū)礦體中空區(qū)之間的不規(guī)則礦柱承受集中應(yīng)力的作用，引起附近礦體地壓增大。

圍巖穩(wěn)定性差主要受巖性影響，其破碎的原因主要包括：①緊貼礦體下盤的矽卡巖巖性松軟，易風(fēng)化、塌冒，揭露之后支護(hù)不及時(shí)，暴露空氣中遇水產(chǎn)生膨脹變形，尤其在含水地段，形成表面破碎層，不再具備支護(hù)力，造成短期內(nèi)噴層脫落；②矽卡巖受壓能力弱，厚度大，當(dāng)采場進(jìn)路穿過該巖層時(shí)，進(jìn)路頂板由礦體變?yōu)槲◣r，頂板穩(wěn)定性降低，再加上自身特性及爆破振動、地壓等影響，破碎逐漸向巖體內(nèi)部發(fā)展，形成破碎松動圈，最終導(dǎo)致頂板變形碎裂，產(chǎn)生冒落。

此外，回采工藝也對支護(hù)方式及支護(hù)效果產(chǎn)生重要影響。如西石門鐵礦原用有底柱分段崩落法開采時(shí)，其工藝特點(diǎn)對底柱切割程度高，而耙道等工程又布置在軟弱矽卡巖內(nèi)，造成了雖多次支護(hù)仍不能保持穩(wěn)定的局面，嚴(yán)重影響礦石回采。目前采用的無底柱分段崩落法，當(dāng)聯(lián)巷沿矽卡巖層橫向拉開時(shí)，矽卡巖暴露面積增大，受地壓及軟巖特性影響，即使支護(hù)，聯(lián)巷也無法保持長時(shí)間穩(wěn)定。當(dāng)聯(lián)巷布置在穩(wěn)定的閃長巖內(nèi)時(shí)，又拉長了回采進(jìn)路長度，回采過程中進(jìn)路支護(hù)也容易產(chǎn)生變形破壞。

綜上所述，西石門鐵礦井下支護(hù)變形破壞的原因是多方面的，僅采用單一支護(hù)形式已經(jīng)不能滿足多種因素影響下的支護(hù)要求。另外，支護(hù)方案研究不僅要考慮支護(hù)形式的改進(jìn)，還要在考慮礦巖特性基礎(chǔ)上研究回采過程對采場穩(wěn)固性的影響，將回采工藝與支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，提高支護(hù)的有效性，確保回采工程的安全穩(wěn)定。

3 回采工藝與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

目前，西石門鐵礦采用的無底柱分段崩落法中，影響支護(hù)穩(wěn)定性的因素包括：切割巷貼近礦體上盤布置、采場聯(lián)巷布置在閃長巖內(nèi)以及進(jìn)路長度一般超過70m，如南二區(qū)55m分段的4#、5#采場進(jìn)路長度均超過100m。

根據(jù)礦體賦存條件分析，將聯(lián)巷布置在閃長巖里有利于工程穩(wěn)定，主要原因是：①底板出露的矽卡巖極為破碎，開丁字口容易塌冒，而將聯(lián)巷設(shè)計(jì)在閃長巖內(nèi)，避開矽卡巖，容易解決巷道穩(wěn)定支護(hù)問題；②開掘矽卡巖可增大礦體的回采長度，利于崩落礦石的充分回收；③下盤矽卡巖含有品位，適量混入并不引起出礦品位的急劇降低。由此可見，這一技術(shù)措施是適應(yīng)礦體開采條件的。

切割巷貼近礦體上盤布置與由聯(lián)巷布置位置引起的長進(jìn)路回采則不然。由于回采進(jìn)路穿過松軟破碎的矽卡巖，當(dāng)采用長進(jìn)路進(jìn)行回采時(shí)，以采場為單元組織生產(chǎn)則進(jìn)路存留時(shí)間長易冒落，以進(jìn)路為單元組織生產(chǎn)則采場環(huán)境差。將切割巷布置在上盤時(shí)雖然近上盤礦量可以在本分段回采一部分，但同時(shí)需要崩落較多的上盤巖石。這樣不僅要花費(fèi)額外的鑿巖爆破費(fèi)用，還將為下部分段控制廢石混入帶來反效應(yīng)。此外，近上盤礦量的回采需要時(shí)間，從而增大了矽卡巖巷道的存留時(shí)間，增加了冒落的風(fēng)險(xiǎn)性。綜合來看，長進(jìn)路回采與切割巷貼近礦體上盤布置是不合適的。

要解決上述兩個(gè)問題，需要適當(dāng)縮短進(jìn)路長度和改善進(jìn)路穩(wěn)固性條件，同時(shí)，根據(jù)礦體厚度與礦體形態(tài)適當(dāng)遠(yuǎn)離上盤布置切割巷。在保證三分段回采的條件下[1]，推薦切割巷布置在巷道底板離上盤邊界垂高7～8m的位置(圖1)。改用圖1所示的切割巷位置后，可使穿過厚層矽卡巖的進(jìn)路長度縮短8～15m，增大每米巷道的平均礦石采出量，利于高效開采，同時(shí)減少上盤巖石的崩落量，降低爆破成本和巖石混入。

另外，為保證三分段回采，提高礦石回收率，應(yīng)合理優(yōu)化分段高度。如南二區(qū)40m中段Ⅰ分區(qū)主礦體鉛直厚度平均21m左右，分段高度11m，因此，絕大多數(shù)礦段不具備三分段回收條件，礦石回采率低，儲量消耗快。根據(jù)類似緩傾斜礦體礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將分段高度降低到不超過10m[2]，取8～9m為宜。

圖1 切割巷的推薦位置示意圖

總之，以上多種回采工藝改進(jìn)措施降低了回采過程對支護(hù)穩(wěn)定性的不利影響，改善了巷道的穩(wěn)定性條件。

4 巷道支護(hù)技術(shù)改進(jìn)及實(shí)施

根據(jù)原支護(hù)形式適應(yīng)性分析可知，支護(hù)穩(wěn)定性受支護(hù)形式自身特點(diǎn)以及空區(qū)、地壓、巖性等多種因素影響。因此，支護(hù)技術(shù)改進(jìn)應(yīng)從以上幾個(gè)方面著手。

經(jīng)過多年實(shí)踐，目前礦山已積累了一定的矽卡巖巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)[3]，如噴錨網(wǎng)、U型拱架等支護(hù)方式，在實(shí)際生產(chǎn)中關(guān)鍵要注意支護(hù)的及時(shí)性問題。如北區(qū)由80m水平下向小井橫掘的70m分段穿脈巷道穿過近礦矽卡巖層時(shí)，在離掌子面約10m左右的部位，掘后支護(hù)遲滯4d就發(fā)生了難以支護(hù)的大冒頂(冒高約3m、冒頂長度約6m)。這一現(xiàn)象表明矽卡巖巷道對支護(hù)時(shí)空性要求嚴(yán)格：空巷長度超過10m、空頂時(shí)間超過4d就發(fā)生了不可恢復(fù)的大冒落。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此類矽卡巖巷道空頂長度不能超過3m、空頂時(shí)間不能超過2d。因此，掘進(jìn)過程中需及時(shí)支護(hù)，防止矽卡巖風(fēng)化、變形，發(fā)生冒頂事故。

此外，研究表明，地壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)是圍巖變形量大，持續(xù)時(shí)間長，一般的支護(hù)方式只能限制和控制圍巖的變形量，但不能阻止圍巖的變形[4]。結(jié)合西石門鐵礦高應(yīng)力分析，對于巖體整體性好的礦段，可結(jié)合上下礦段情況，采用崩落卸壓法[5]轉(zhuǎn)移巖體應(yīng)力，從而減小作業(yè)部位壓力，提高支護(hù)利用率；對于占多數(shù)的由多空區(qū)引起的地壓增大礦段，提出采用噴錨網(wǎng)+U型鋼拱架的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，要求拱架緊貼巷道斷面，空隙處充填對開木，保證拱架的有效作用。該技術(shù)既有很高的支護(hù)強(qiáng)度，又允許有很大的變形量，可以滿足巷道服務(wù)期間的持續(xù)性要求。該技術(shù)的特點(diǎn)是：①充分發(fā)揮U型鋼拱架及錨桿高支護(hù)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合；②增大或充分利用U型鋼拱架的可伸縮性，利用錨桿的高讓壓性外錨機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)U型鋼拱架在高支護(hù)阻力工作狀態(tài)下的同等大變形；③利用U型鋼支架與錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)U型鋼支架與錨桿之間的協(xié)調(diào)支護(hù)。目前，這一支護(hù)方式多用于南區(qū)地壓顯現(xiàn)部位較多的采場，支護(hù)后采場進(jìn)路穩(wěn)定性得到明顯提高，原來的多次支護(hù)現(xiàn)象明顯減少，降低了生產(chǎn)成本。

對于過散體層巷道來說，由于巷道處于散體堆當(dāng)中，當(dāng)散體松散時(shí)具有較好的流動性，容易給巷道穩(wěn)定帶來不確定性，同時(shí)矽卡巖破碎后散體承載能力低，依靠散體自身擠壓強(qiáng)度來達(dá)到穩(wěn)定是很難實(shí)現(xiàn)的；散體壓實(shí)時(shí)又增大了巷道壓力及掘進(jìn)難度。同時(shí)，西石門鐵礦揭露散體多來源于空區(qū)冒落，若空區(qū)后期持續(xù)冒落，則會產(chǎn)生沖擊，造成巷道壓力增大。因此，巷道過散體層技術(shù)要考慮支護(hù)的安全性和支護(hù)強(qiáng)度。

結(jié)合西石門鐵礦多空區(qū)軟破礦體現(xiàn)狀，考慮散體層支護(hù)的特殊性、U型拱架支護(hù)特點(diǎn)，提出了U型拱架與超前錨桿相結(jié)合的支護(hù)方案。該方案的特點(diǎn)是：超前錨桿預(yù)先布置在掌子面前端，深入散體堆，發(fā)揮預(yù)支護(hù)作用力，從而增強(qiáng)前端散體的穩(wěn)固性，滿足巷道穩(wěn)定要求；而U型拱架作為支護(hù)的主體，充分發(fā)揮其支護(hù)強(qiáng)度大，變形空間大，能夠承受較大壓力的特點(diǎn)，保持巷道在短期內(nèi)不會出現(xiàn)大的變形。將超前錨桿與U型拱架二者結(jié)合的技術(shù)措施不僅滿足了支護(hù)強(qiáng)度要求，也滿足了支護(hù)的穩(wěn)定性要求，是解決巷道過散體層問題的有效途徑。

超前錨桿布置形式如圖2所示，錨桿傾角不大于15°，錨桿長度可根據(jù)散體堆積密實(shí)情況選取，一般情況選用2.5m長度即可，特別破碎情況下選用長度4m的錨桿。每排布置錨桿10～20根不等，當(dāng)散體受壓比較密實(shí)時(shí)，超前錨桿間距可大些；當(dāng)散體比較松散時(shí)應(yīng)減小錨桿間距，采用密排支護(hù)。錨桿底部預(yù)留1m，其與進(jìn)路頂板垂直相交部位作為下排超前錨桿的布置位置。支護(hù)拱架間距為0.6～0.8m，實(shí)施中根據(jù)具體情況做適當(dāng)調(diào)整，拱架頂部充填對開木，保證拱架與頂板緊密接觸，同時(shí)還能阻擋碎石掉落傷人。

圖2 超前錨桿圖布置形式示意圖

目前，巷道過散體層技術(shù)已在西石門鐵礦南北區(qū)實(shí)施，如南二區(qū)73m分段12-1號溜井為相鄰兩個(gè)采場生產(chǎn)用井，受小礦點(diǎn)采礦影響導(dǎo)致頂板冒落，溜井被埋。2011年3～4月進(jìn)行恢復(fù)工作，采用巷道過散體層技術(shù)，拱架未出現(xiàn)變形跡象，巷道穩(wěn)定性情況良好，安全有效地達(dá)到了溜井恢復(fù)目的。目前，該技術(shù)在南區(qū)用于溜井恢復(fù)及過空區(qū)工程，北區(qū)由于下盤蝕變閃長巖特別破碎，也用于采場回采或殘采采場進(jìn)路掘進(jìn)。可以看出，這一技術(shù)在保證安全的前提下解決了散體巷道掘進(jìn)一大難題，降低了生產(chǎn)成本，減少了礦山經(jīng)濟(jì)損失。

綜上，針對以上多種支護(hù)條件，改進(jìn)后的技術(shù)措施滿足了地壓大、巖體破碎、支護(hù)及時(shí)性等要求，保證了生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

5 結(jié)論

1) 支護(hù)方案研究不僅要考慮支護(hù)方式的改進(jìn)，還要在考慮礦巖特性基礎(chǔ)上研究回采過程對采場穩(wěn)固性的影響。在礦山現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，提出縮短進(jìn)路長度、將切割巷布置在巷道底板離上盤邊界垂高7～8m的位置及優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)三種技術(shù)措施，改善了巷道的穩(wěn)定性條件。

2) 在巷道掘進(jìn)過程中需及時(shí)支護(hù)，以滿足矽卡巖對支護(hù)時(shí)空的較高要求，防止冒頂事故發(fā)生。

3) 噴錨網(wǎng)U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，滿足了地壓顯現(xiàn)較大位置的支護(hù)強(qiáng)度和圍巖變形要求，保證了工程穩(wěn)定。

4) 超前錨桿與U型拱架結(jié)合的技術(shù)措施解決了巷道過散體層技術(shù)難題，適合西石門鐵礦多空區(qū)軟破礦體的開采條件。

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