黃山南銅鎳礦井巷工程掘支工藝優(yōu)化研究

亞呼甫，李再易

(新疆瑞倫礦業(yè)有限責(zé)任公司, 新疆 哈密市 839000)

井巷工程的安全高效掘進(jìn)關(guān)系到礦山企業(yè)生產(chǎn)安全及生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)外礦山科技工作者就此開(kāi)展了大量研究與工程實(shí)踐，取得了豐富成果與經(jīng)驗(yàn)。例如，闞甲廣等[1]對(duì)巷道掘進(jìn)擾動(dòng)效應(yīng)影響因素進(jìn)行了分析研究；王俊生[2]對(duì)松軟破碎巖層巷道的掘進(jìn)與支護(hù)進(jìn)行了研究，研發(fā)出了一種小斷面超前光面爆破掘進(jìn)工藝；李翕然等[3]對(duì)豐山銅礦高應(yīng)力下的松軟破碎巖層巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究；陳鵬剛等[4]針對(duì)李樓鐵礦巷道掘進(jìn)中的難題設(shè)計(jì)了一種巷道掘進(jìn)聯(lián)合支護(hù)方案,并詳細(xì)分析了具體的施工工藝流程；郝螢[5]對(duì)山西麻家梁礦14106運(yùn)料斜巷掘進(jìn)支護(hù)方案進(jìn)行了研究，顯著提高了巷道穩(wěn)定性；王亮[6]提出采取"注漿+圓鋼托架"聯(lián)合支護(hù)方法對(duì)破碎頂板進(jìn)行維護(hù)，取得了顯著成效。但由于各個(gè)礦山礦巖性質(zhì)及工程地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，因此籠統(tǒng)的參照某一特定的井巷掘支工藝往往不能解決具體礦山的施工問(wèn)題，需結(jié)合實(shí)際情況對(duì)井巷掘支工藝進(jìn)行優(yōu)化。

黃山南銅鎳礦位于新疆維吾爾族自治區(qū)哈密市，由于礦化帶多為破碎帶，極不穩(wěn)固，先后采用淺孔留礦法、分段礦房法、階段礦房法、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法等方法進(jìn)行采礦。但不管采用上述哪種采礦方法，采切工程都必須穿過(guò)破碎帶，加上采場(chǎng)采礦爆破影響，大部分采切巷道變形，坍塌，部分采準(zhǔn)工程因巖石破碎被迫停止，從而造成采準(zhǔn)工程嚴(yán)重滯后，影響礦山正常生產(chǎn)。為此，該礦開(kāi)展了相關(guān)科技攻關(guān)，以確保采準(zhǔn)切割工程施工效率和安全。經(jīng)優(yōu)化研究，該礦研發(fā)出一種超前錨桿預(yù)支護(hù)與預(yù)留光爆層二次爆破成巷的掘支工藝，有效解決了上述問(wèn)題。

1 工程地質(zhì)條件

黃山南礦區(qū)礦體主要分布于葫蘆巖體(橄欖巖相帶，輝石相帶)的底部，有少量分布于輝長(zhǎng)巖中，礦體呈層狀或透鏡狀，礦體上盤(pán)為輝橄巖，下盤(pán)為輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖，受多期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，礦體內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，易風(fēng)化，易冒落；特別是礦體與圍巖交界部位、剪切應(yīng)力集中，往往形成構(gòu)造蝕變破碎帶，而蝕變多為綠泥石化、滑石化與蛇紋石化，巖石極為破碎，其自身粘結(jié)力很小(見(jiàn)圖1)，井巷工程開(kāi)挖后易出現(xiàn)大面積塌方現(xiàn)象。

圖1 井巷工程垮塌現(xiàn)場(chǎng)

2 井巷工程掘支工藝優(yōu)化研究

建礦初期，該礦采用普通法施工井巷工程，由于礦化帶蝕變極不穩(wěn)固，井巷工程施工極其困難，安全性差，且爆破后巷道成型質(zhì)量差，采用常規(guī)支護(hù)方式難以保證工程的穩(wěn)定性。隨即該礦又開(kāi)展了光面爆破法在井巷工程掘進(jìn)中的試驗(yàn)，該方法有效減少了爆破對(duì)圍巖的破壞，巷道成型質(zhì)量有顯著提高，但常規(guī)噴錨支護(hù)仍不能保證巷道穩(wěn)定，巷道支護(hù)過(guò)程中及后期頂板冒落現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人員設(shè)備的安全，因此不得不采用砌砼支護(hù)，支護(hù)成本高，效率低。

為解決上述問(wèn)題，保障巷道掘進(jìn)過(guò)程中人員設(shè)備安全，降低掘進(jìn)成本，通過(guò)分析研究，提出了超前錨桿預(yù)支護(hù)與預(yù)留光爆層二次爆破成巷的新工藝。

2.1 作用機(jī)理分析

超前錨桿預(yù)支護(hù)的實(shí)質(zhì)是在每次爆破掘進(jìn)前，采用鋼管對(duì)巷道頂板及拱角處進(jìn)行有效支護(hù)，改善其穩(wěn)固性，推遲或避免巷道冒頂、片幫，為后續(xù)永久支護(hù)工作爭(zhēng)取安全空間和時(shí)間。

預(yù)留光爆層二次爆破成巷的實(shí)質(zhì)是巷道掘進(jìn)時(shí)每個(gè)進(jìn)尺分2次爆破，首先爆破形成巷道中間部分，然后再形成巷道的全斷面輪廊，第二次爆破時(shí)采用光面爆破。預(yù)留光爆層二次爆破成巷法可減小單位工程的一次爆破炸藥量，減小爆破沖擊波的強(qiáng)度及振幅，降低對(duì)巷道圍巖的破壞程度，保證了巷道表面平整與穩(wěn)定。

同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有巷道永久支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，巷道掘進(jìn)過(guò)程中采用“短掘短支”方式，每個(gè)進(jìn)尺爆破通風(fēng)后即進(jìn)行支護(hù)，采用錨桿+掛網(wǎng)+鋼拱架的方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并進(jìn)行噴漿，隔絕外部空氣，防止巖體風(fēng)化。

2.2 施工工藝優(yōu)化研究

(1) 超前錨桿預(yù)支護(hù)工藝。超前錨桿桿體采用普通鋼管或厚鋼管，長(zhǎng)度為3.5～4 m，直徑Φ38～40 mm。錨桿安裝孔采用7655或YT-28鑿巖機(jī)施工，炮孔深部3～3.5 m，孔徑為40～42 mm。錨桿孔口間距為0.15～0.3 m，方向與巷道中心線向上呈10°～15°，均勻布置在周邊眼上部并保持0.2～0.3 m間距。在層理、節(jié)理發(fā)育的情況下超前錨桿要盡可能多穿層理面，間距適當(dāng)加密，同時(shí)巷道的兩幫也需要用普通錨桿對(duì)其進(jìn)行支護(hù)。

錨桿安裝孔施工完畢后，即可采用沖擊鑿巖機(jī)安設(shè)該鋼管，安裝時(shí)所用鋼管出露在外的部分與前一進(jìn)尺的鋼拱架拱頂焊接在一起，形成一個(gè)整體。

(2) 預(yù)留光爆層二次爆破成巷工藝。巷道掘進(jìn)時(shí)分2次爆破，第一次只爆破掏槽眼與輔助眼部分，形成小斷面的槽腔，然后再進(jìn)行第二次周邊眼的爆破，周邊眼爆破采用光面爆破。

第一次爆破時(shí)，采用直筒掏槽布置形式，合計(jì)9個(gè)掏槽孔，10個(gè)輔助孔，各炮孔起爆段別及裝藥量見(jiàn)表1。

表1 第一次爆破各炮孔起爆順序及裝藥量

第二次爆破采用光面爆破，光爆層厚度0.3～0.4 m，各炮孔孔間距加密至0.5～0.6 m，合計(jì)10個(gè)炮孔，同時(shí)裝藥系數(shù)調(diào)整至0.5～0.6[7]。

(3) 巷道支護(hù)。對(duì)現(xiàn)有巷道永久支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，巷道掘進(jìn)過(guò)程中采用“短掘短支”方式，每個(gè)進(jìn)尺爆破通風(fēng)后即進(jìn)行支護(hù)，采用錨桿+掛網(wǎng)+鋼拱架的方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并進(jìn)行噴漿。

錨桿類型為管縫式錨桿，長(zhǎng)度為2.0 m，錨桿直徑為43 mm，錨桿的間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分別采用1.0 m×1.5 m，1.5 m×1.5 m或1.5 m×2.0 m的支護(hù)網(wǎng)度。鋼筋網(wǎng)采用6～8 mm的Ⅰ級(jí)鋼筋，網(wǎng)度為100 mm×100 mm或150 mm×150 mm。噴漿所用砂漿強(qiáng)度要求大于C15，采用325普通硅酸鹽水泥和堅(jiān)硬耐久的中砂(平均粒徑0.35～0.5 mm)或粗砂(平均粒級(jí)大于0.5 mm)制備而成。鋼拱架采用16#工字鋼現(xiàn)場(chǎng)加工制作而成，鋼拱架間柱1～1.5 m，相鄰鋼拱架之間采用加強(qiáng)筋焊接固定。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

礦山技術(shù)人員在該礦965中段8#穿脈進(jìn)行了超前錨桿預(yù)支護(hù)與預(yù)留光爆層二次成巷新工藝的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，采用新工藝施工的巷道現(xiàn)狀如圖2所示。至2018年8月，該穿脈未發(fā)生一次冒頂片幫事故。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該新工藝巷道掘進(jìn)工程質(zhì)量良好，有效保證了井巷工程的穩(wěn)定與安全，同時(shí)成巷速度較原有工藝提高了50%，單位進(jìn)尺成本降低了約35%(見(jiàn)表2)。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

圖2 965中段8#穿脈現(xiàn)狀照片

3 結(jié) 論

通過(guò)井巷工程掘支工藝優(yōu)化研究，提出了超前錨桿預(yù)支護(hù)與預(yù)留光爆層二次爆破成巷新工藝。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，采用該新工藝巷道掘進(jìn)工程質(zhì)量良好，有效保證了井巷工程的穩(wěn)定與安全，成巷速度較原有工藝提高了50%，單位進(jìn)尺成本降低了約35%。該新工藝有效解決了黃山南銅鎳礦化破碎帶中井巷掘進(jìn)難題，為生產(chǎn)的順利進(jìn)行創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，研究成果對(duì)類似工程的掘進(jìn)與支護(hù)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。