柔性加固技術在房柱采礦法中的應用研究

呂達海，高洪鵬，張 輪

(1. 云南文山斗南錳業股份有限公司，云南 文山 663101；2. 云南省鶴慶錳業有限責任公司，云南 鶴慶 671500)

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采礦

柔性加固技術在房柱采礦法中的應用研究

呂達海1，高洪鵬2，張 輪1

(1. 云南文山斗南錳業股份有限公司，云南 文山 663101；2. 云南省鶴慶錳業有限責任公司，云南 鶴慶 671500)

介紹了斗南錳礦將柔性加固技術應用于房柱采礦法，通過柔性加固技術加強頂板管理、提高了采礦安全性及采礦回采率，對同類礦山實現安全、高效開采有借鑒意義。

柔性加固；房柱采礦法；斗南錳礦

0 前 言

斗南錳礦為地下開采的大型錳礦，下屬兩個礦區，根據礦體的賦存條件和產狀，采礦方法以房柱法開采為主，淺孔留礦法為輔。礦體頂板圍巖多為粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖和碎屑狀灰巖、含錳灰巖等，f系數在6～7之間。上述巖體破碎、松軟，圍巖抗壓和抗拉強度都較低。另外由于采礦爆破對周圍圍巖產生大量微裂隙，進一步降低了爆破后巖石的物理性能。這就是頂板圍巖在采場空區較大時容易垮塌的基本原因，采場頂板的垮落對礦山生產安全造成了嚴重的影響。

經過近十年統計，造成該礦安全事故主要是礦體的偽頂板和直接頂板。偽頂板厚度為0.2～0.5 m厚的泥質粉砂巖，隨采脫落；直接頂板為2 m左右的粉砂質泥砂，空區暴露后大部分地方在很短時間內會隨之垮落。

為了減少頂板跨落對采場正常生產的影響，確保礦山的安全生產，云南斗南錳業有限責任公司與中鋼集團馬鞍山礦山研究院聯合開展斗南錳礦采場頂板柔性加固技術研究工作。在項目研究期間項目組對礦山的地質情況、礦巖物理力學性質及工程地質條件進行了詳細認真的研究，針對礦區特有的地質條件因地制宜，提出了適宜的采場頂板柔性加固方法，對該礦的安全生產有重要意義。

1 礦區采礦簡述

斗南錳礦采用的房柱法主要參數為：階段高度25～30 m，礦塊劃分一般以斷層為界，礦塊一般長度按40～60 m來劃分。礦房沿傾斜方向布置，根據礦山實際，礦房寬5～8 m，房間留有房間柱2 m×2 m，間距3～8 m，礦塊間留2 m連續礦柱，頂柱厚2 m，可視頂板情況適當回采。采、切工程布置是從中段平巷向礦體掘進人行通風聯絡道上山，反穿α=20(°)～25(°)，每隔20～30 m出礦梭槽上山，見礦后進行拉底連通，在拉底內向上掘進切割上山至礦塊頂柱邊界。每兩兩上山之間間隔8 m左右布置一條聯絡道，3～5條切割上山向上中段平巷掘進人行通風聯絡通道，構成回風系統與安全出口。

2 采場頂板柔性加固理論分析

緩傾斜薄礦體的開采，在國內外一直是難題。礦體傾角緩，采下礦石無法自溜，需采用機械運搬或人工扒運，采場出礦強度低；同時礦體和頂板整體性差帶來的地壓管理難度大與生產要求的經濟合理性是一對矛盾，采場頂板管理仍困擾著礦山安全生產[1]。根據對國內緩傾斜礦體的采礦方法統計，包括有色和貴重金屬開采在內，采用空場法占85%，其余主要采用分層充填法和電耙留礦法。在國外，空場法占61%，其余主要為充填法。

對于緩薄礦體，一般采用房柱法進行開采[2]。房柱采礦法是開采水平和緩傾斜薄礦體最有效、應用最廣泛的一種采礦方法。房柱采礦法采場結構和回采工藝簡單，采準切割工作量小，生產能力高，通風條件好，采礦成本低，但是礦柱所占比重較大，而且礦柱回收難度較大，造成礦石損失率較大。因此，應加強地壓管理研究，合理確定礦柱尺寸，提高礦石回收率。

用房柱法開采緩傾斜薄礦體時，前提是用科學的手段保證采場的安全，即有效控制采場頂板的冒落，目的是要提高回收率。針對這一情況，確定合理采場參數尤為重要。

房柱法在劃分回采單元的基礎上，將礦房和礦柱規則交替布置。先回采礦房，留下規則的連續條帶礦柱或不連續礦柱來支撐采空區頂板。這些礦柱一般不予回收，僅當礦石貴重或品位較高時，為提高回采單元的綜合技術指標，才可考慮在后階段進行部分或全部回收，回收礦柱同時要結合采空區處理一起進行。

利用房柱法開采水平或緩傾斜礦體時，主要靠礦房間的礦柱支撐頂板及上覆巖層，保證開采的安全，礦房之間一般留間斷礦柱而不留連續礦柱。

利用房柱法開采水平或緩傾斜礦床時，對回采空間穩定性起限制作用的構件常常是頂板，這是因為礦石被采出后，采空區頂板會在其上覆巖層及自重力的作用下，產生向下的移動和彎曲，同時，在頂板中的某些部位會存在拉應力，當其內部拉應力超過頂板的抗拉強度時，頂板會出現斷裂、破碎、冒落。此外，在采場頂板中，尤其是靠近礦柱的部位，存在較大的應力集中。為保證在回采期間頂板具有良好的穩定性，應合理確定頂板的尺寸，使頂板中不出現拉應力，或使出現的拉應力低于構成頂板巖石的抗拉強度，同時，亦使頂板與礦柱銜接處壓應力、剪應力，相應低于其抗壓、抗剪強度。

斗南錳礦采用房柱法開采緩傾斜礦體，經過多方論證確定了合理的礦柱尺寸、礦柱間距與礦房跨度，采場頂板仍有可能冒落，必須對頂板進行加固，即采取柔性加固措施。

3 采場頂板柔性加固技術方案

3.1采場頂板柔性加固基本原理

一般認為：當含有節理、裂隙的巖體處于復雜應力狀態下，這些節理、裂隙端部會產生大的拉應力集中。當這些裂隙端部某一個拉應力超過巖體抗拉強度值時，裂隙便開始擴張，導致巖體發生破壞。

對于巖體的維護原則是：提高圍巖強度(加固)和改善圍巖的應力狀態(位置、斷面尺寸和減少爆破對圍巖的損傷)。依照該原則，對該礦圍巖的維護提出以下措施。

3.1.1 改善圍巖應力

由于采礦工作的特殊性，改變采場的位置是不現實的，因此，減少爆破對圍巖的損傷，是改善圍巖應力狀態的有效手段[3]。通過生產實踐和科學試驗證明，以下幾種爆破方式是行之有效的措施：采用光面爆破或預裂爆破，減少爆破裂隙；采用緩沖爆破，形成減震帶；較少炸藥量，采用微差爆破。

為此，對兩個采區的生產爆破進行了13次爆破震動監測，完成了試驗炮10次，通過對兩個采區的生產爆破的現場試驗結果的計算分析，并結合兩個采區的計算機仿真模擬，得出兩個采區采場生產爆破參數，爆破單位體積礦石的炸藥消耗量減少30%～50%，爆破塊度適中，爆堆集中，減少了爆破對頂板﹑礦柱的破壞，同時采取的孔底空氣間隔爆破技術，明顯地減少了對頂板的爆生裂隙。

3.1.2 提高圍巖強度

提高圍巖強度的主要手段就是對巖體進行加固。錨桿的間距和長度有如下一些經驗數據：

錨桿間距不大于不穩定巖塊寬度的1.5倍(“寬度”是節理的平均間距)，且不大于錨桿長度的50%。

錨桿長度不小于不穩定巖塊寬度的3倍，且不小于錨桿間距的兩倍；隨之開挖跨度的增加，錨桿的長度應是跨度的1/2～1/5。

3.2采場頂板柔性加固技術條件

1) 礦體自然條件

礦體傾角為15(°)～50(°)不等，礦石平均厚度0.8～3 m，采高根據礦體厚度的變化而變化。礦體的偽頂板為0.2～0.5 m厚的泥質粉砂巖，隨采脫落，直接頂板為2 m左右的粉砂質泥砂，空區暴露后大部分地方在很短時間內會隨之垮落。

2) 地壓條件

礦石與圍巖的硬度相差甚大，礦體直接頂板都是硬度不大的泥質粉砂巖或粉砂質泥砂，且偽頂在切割上山過程中隨采隨落。在回采過程中由于空區的逐步增大，斷層裂隙較發育，頂板受斷層裂隙的影響，空區直接頂在斷層裂隙的弱面隨之垮落。

3.3采場頂板柔性加固技術方案

3.3.1 支護或加固方案

根據該礦的礦巖穩固程度和開采技術水平，可供選擇采用的支護方案有5種。

1) 木立柱支護

在頂板比較穩固，采場頂板允許暴露面積加大的局部礦段采用單一木支護。另外，采場頂板受斷層、裂隙發育影響，比較破碎，而礦房回采空間不能采用錨桿加固的礦塊采用木頂柱和礦柱聯合支護。

2) 木立柱加錨桿加固

木立柱加錨桿支護是斗南錳礦現在加固采場頂板的常規手段，設計采用礦山現有的管縫式錨桿。通過前期對礦山節理裂隙的調查，得出礦體及圍巖中的節理間距為0.3～0.5 m，根據錨桿長度和間距的要求：錨桿的網度為0.7 m×0.7 m；長度不小于2.0 m。

木立柱在礦體開采中的作用是舉足輕重的，木立柱直徑要求不小于10 cm，支護密度視頂板穩定情況決定。

3) 木立柱加錨桿加金屬網支護

對于頂板圍巖較破碎的地段，可采用木立柱加錨桿加金屬網加固，錨桿網度和木立柱支護密度同方案(1)，并采用8號鐵絲在各錨桿之間纏繞、連接，形成不大于20 cm×20 cm的網格，可有效的防止片石冒落傷人。現用錨桿為管縫式，長度1.2、1.5、1.8 m 3種。錨桿、木頂柱支護密度1.0～1.5 m。

4) 砂漿錨桿加固

設計的砂漿錨桿網度與長度同方案(1)。砂漿錨桿的優點在于錨桿注漿后的水泥可以滲透到巖層之間，形成膠結面，增加巖層的自身穩定性。缺點是工藝復雜，安裝效率低，需要一定的養護期。

5) 減小礦房尺寸、留礦石點柱

該礦有部分礦段屬于中厚礦體，礦體厚度達5 m左右，給支護帶來一定的難度(特別是木立柱支護)。對于該段礦體，可分層開采，并采用減小礦房跨度(如跨度5～6 m)，同時預留礦石點柱(φ：2～3 m)代替木立柱支護。

3.3.2 錨桿作用

根據錨桿的作用原理，結合現場的試驗環境，錨桿在現場環境的主要作用是：組合作用、懸吊作用、減小跨度的作用。

長期以來，斗南錳礦采場頂板支護主要有以下3種：在頂板比較穩固，采場頂板允許暴露面積加大的局部礦段采用單一木支護；采場頂板受斷層、裂隙發育影響，比較破碎，而礦房回采空間不能采用錨桿支護的礦塊采用木頂柱和礦柱聯合支護；頂板受斷層、裂隙發育影響，回采空間高度滿足錨桿支護礦塊采用木頂柱、錨桿、礦柱三者聯合支護

3.3.3 柔性加固技術方案及實施效果

根據礦體偽頂板和直接頂板的賦存情況，研究確定以采用頂板柔性加固為主的多種加固方式。

在采場施工中，用錨桿加固頂板，受到回采空間制約因素較多，目前所使用錨桿的規格有1.2、1.5、1.8 m 3種。若礦層頂板較厚，巖層層理比較明顯或發育時，錨桿穿越巖層的層數較少，存在著錨固不夠或錨固效果差的現象，所以初步判定錨桿長度不夠。巖石明顯的層理現象可以形象地比喻成“千層底”，做“千層底”時起固定作用的就是穿插在面料上的各條線，錨桿就好比各條線，起到穩固頂板巖石的作用，但是，加固密度不合理，也會對其造成破壞。

因此，選擇合理的加固密度是非常重要的，在此采取的措施為：加大錨桿長度。設計直孔深度5 m，斜孔深5.7 m。先在切割上山的中間垂直頂板打5.5～5 m深的孔，在此孔兩側距0.7 m處按60(°)的夾角向兩邊礦柱方向打5.2～5.7 m深的兩個眼；改變錨桿支護網度參數，錨桿間距1 m×1 m，排距1 m×1.2 m。

3.3.4 采場頂板柔性加固施工安全技術措施

生產工藝工序中的加固工序由管縫式錨桿加固改變為注漿錨桿加固，采場加固從相對安全的地方向無加固一方推進，注漿錨桿對頂板起到懸吊作用時，有必要再支護木頂柱起預警作用，同時采用頂板壓力監測儀監控頂板的來壓情況[4]。操作注漿機待砂漿逐步注滿孔底后緩慢退出，注漿時應把注漿管伸到位，使眼底注滿；抽出注漿管時應有防止砂漿滑出的措施(采用木楔堵塞)。

砂漿注滿孔口時，立即關閉電源，同時打開注漿機排氣閥進行卸壓，以確保操作安全。

4 結 語

1) 根據偽頂和直接頂的賦存情況(厚度在0.2～2.5 m)，采用多種柔性加固方式，通過木立柱加錨桿加金屬網加固把其聯成一個整體，提高了頂板的穩定性。

2) 通過錨桿和鐵絲進行加固后，頂板聯成一個整體后再匹配一定的木材支護，通過伸入老頂的圓鋼就能把偽頂和直接頂托住，有效地保障了操作工人的安全。

3) 通過現場試驗，采礦回采率由原來的82.03%提高到86.73%，使礦產資源得到更高效的利用。

[1] 王家臣, 楊印朝, 孔德中, 等. 含夾矸厚煤層大采高仰采煤壁破壞機理與注漿加固技術[J]. 采礦與安全工程學報, 2014(6).

[2] 郭金峰. 斗南錳礦緩傾斜薄礦體采礦方法的試驗研究[J]. 中國錳業, 1994，12(5):12-16.

[3] 郭金峰. 20年地下錳礦床開采技術的進展與展望[J]. 中國錳業， 2002，20(3):32-36.

[4] 劉春波, 孫光華, 李富平. 我國地下礦山采礦技術發展及趨勢[J]. 河北理工大學學報(自然科學版), 2009(2).

AnApplicationofFlexibleReinforcementTechnologyinRoof-pillarMining

LU Dahai1, GAO Hongpeng2, ZHANG Lun1

(1.YunnanWenshanDounanMnIndustryCo.,Ltd.,Yanshan,Yunnan663101,China; 2.YunnanHeqingMn-industryCo.,Ltd.,Heqing,Yunnan671500,China)

This paper introduces the application of flexible reinforcement technology to the pillar mining method in Dounan Manganese Mine. It strengthens the roof management through the flexible reinforcement technology to improve the mining safety and the mining recovery rate, which can be used for reference in the safe and efficient mining of similar mine.

Flexible reinforcement; Room and pillar mining method; Dounan Mn-ore

2016-09-12

呂達海(1975-)，男，云南硯山人，高級工程師，副總經理，研究方向：采礦，電話：0876-3883357，E-mail：ldh3366@126.com.

TD853.32

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.015