長安金礦地下開采巷道分級支護研究*

許敏捷，周宗紅，周曉軍，劉 清

(1.云南黃金集團 金平長安礦業(yè)有限公司，云南 紅河 661508；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

回采巷道是無底柱分段崩落法鑿巖、爆破、出礦的基本回采單元，回采巷道(進路)的質(zhì)量和穩(wěn)定性是降低礦石開采損失貧化、生產(chǎn)成本和保證安全生產(chǎn)的前提。金平長安礦業(yè)有限公司長安礦段(簡稱“長安金礦”)的礦體下盤為斷層，礦巖穩(wěn)固性較差，巷道掘進支護不合理，常出現(xiàn)垮落、片幫等問題，嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)，故研究巷道合理的支護工藝參數(shù)十分必要。

目前，已有一些學(xué)者對地下巷道分級支護進行了研究，取得了豐碩的成果。陳國良等[1]通過分析甲瑪?shù)V區(qū)破碎軟弱巖體巷道的失穩(wěn)模式，針對4個級別的巖體分別選擇相應(yīng)的支護方式，采用數(shù)值模擬方式優(yōu)選了Ⅱ-Ⅳ級巖體巷道支護參數(shù)。文興[2]分析了阿舍勒銅礦深部巷道支護的主要影響因素，提出了基于圍巖條件、巷道斷面尺寸、巷道功能和服務(wù)年限、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素的巷道支護分級方法，確定了對應(yīng)的支護形式和參數(shù)。張晉軍等[3]針對謙比希銅礦的復(fù)雜開采條件，根據(jù)斷面尺寸、暴露面積、圍巖性質(zhì)、水文情況、工程地質(zhì)條件等將巷道劃分為5個類別，將錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、濕噴混凝土多種支護方法進行優(yōu)化組合，形成了5個不同支護強度等級的方案。孟中華等[4]在高峰礦-200 m中段和-185 m中段開展了現(xiàn)有支護技術(shù)手段和支護效果調(diào)查，進行了深井碎裂巖體新型螺紋鋼錨桿支護現(xiàn)場試驗。張永達等[5]針對夜場坪鉬礦礦巖軟弱破碎、穩(wěn)定性差異較大的情況，全面分析影響支護分級的主導(dǎo)因素，運用多指標(biāo)綜合分類法對巷道進行了支護分級，并制訂了相應(yīng)的支護方案。郭海濤等[6]針對弓長嶺某礦山現(xiàn)有支護方式與巖體變形不相適的問題，分析了各種支護形式的優(yōu)劣，確定了合理的巷道斷面尺寸。

長安礦段地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件極其復(fù)雜，現(xiàn)有支護工藝難以滿足該礦地下開采巷道支護的要求。本文根據(jù)該礦工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對巷道失穩(wěn)模式和支護現(xiàn)狀進行了現(xiàn)場調(diào)查，在巖體支護分級的基礎(chǔ)上，綜合考慮礦巖特性、巷道功能、斷面尺寸、服務(wù)年限、結(jié)構(gòu)面和破壞模式等因素，提出了以噴錨網(wǎng)支護為主、金屬支架為輔的分級支護方案，設(shè)計了相應(yīng)的支護形式和支護參數(shù)，并在礦山進行了試驗，取得了較好的效果。

1 工程背景

1.1 礦山概況

長安金礦區(qū)位于金平縣城270°方向，平距約10 km，隸屬金平縣銅廠鄉(xiāng)銅廠村委會管轄。該礦于2017年由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，設(shè)計規(guī)模600 t/d，設(shè)計利用儲量146.77萬t，平均品位3.23 g/t。采用豎井開拓，劃分為1 500、1 450 m等中段。1 500 m中段設(shè)計儲量22.36萬t，平均品位3.11 g/t，金屬量660.44 kg。

礦體呈薄、中厚、厚-緩傾斜、傾斜、急傾斜產(chǎn)出，礦巖穩(wěn)固性屬于一般-差。設(shè)計采用無底柱分段崩落法、淺孔留礦采礦法。由于礦體產(chǎn)狀復(fù)雜多變，礦巖穩(wěn)固性差，巷道垮冒嚴(yán)重。

1.2 巷道失穩(wěn)情況

對1 524～1 450 m分段沿脈、穿脈及切割平巷的失穩(wěn)模式和支護現(xiàn)狀進行了調(diào)查分析，根據(jù)巖性和巖體結(jié)構(gòu)的不同，將該礦巷道的破壞模式劃分為以下3種類型：

a.斷層控制的松散體冒落。松散體的冒落多發(fā)生在斷層破碎帶附近，以F6斷層礦巖接觸帶尤為嚴(yán)重。

b.節(jié)理巖體中的巖塊滑塌。在巖質(zhì)堅硬、節(jié)理發(fā)育的巖體中，滑塌體由地質(zhì)不連續(xù)面與開挖臨空面共同切割巖體而成。頂板三角形冒落發(fā)生在2組以上節(jié)理交叉發(fā)育的地段，巖體被節(jié)理面切割成形狀和大小不同的巖塊，受自重、巖體風(fēng)化和地下水等多重因素的影響而下滑失穩(wěn)。

c.結(jié)構(gòu)面控制的片幫。該礦巖體節(jié)理較為發(fā)育，圍巖在重力和地下水等共同作用下，易發(fā)生沿節(jié)理面的片幫失穩(wěn)。

巷道圍巖破壞的現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞情況

1.3 支護現(xiàn)狀

除了部分穩(wěn)固性較好區(qū)域(Ⅱ級巖體)無需支護外，礦山現(xiàn)有巷道支護形式主要有錨噴支護(噴射混凝土、錨網(wǎng)、噴錨網(wǎng))、金屬支架支護、混凝土支護、混合式支護等。現(xiàn)場巷道支護情況見圖2。

圖2 現(xiàn)場巷道支護情況

1.4 巷道破壞原因分析

1.4.1 節(jié)理裂隙

主要礦體賦存于F6斷層破碎帶東盤蝕變帶的砂礫巖、鈣質(zhì)砂巖、砂泥巖、蝕變的輝綠巖中。礦巖較堅硬，但節(jié)理裂隙發(fā)育，上盤圍巖和礦體中含3～6條/m，下盤圍巖中含10條/m。出現(xiàn)大面積巷道垮冒的地區(qū)，一般為斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育地段。

1.4.2 支護

支護率低，大部分Ⅲ、Ⅳ級巷道未支護；噴射混凝土厚度小，大多為10～20 mm；支護不及時，某些巷道掘進后較為穩(wěn)定，但是數(shù)月后在風(fēng)化和地下水的共同作用下，巖體強度降低，巷道頂板出現(xiàn)垮塌。

1.4.3 地下水

地下開采涌水量為3 949 m3/d，含水量大。

1.5 改進方法

經(jīng)調(diào)查分析可知，影響巷道穩(wěn)定性的因素主要有巖體強度、地下水、地應(yīng)力環(huán)境、巷道服務(wù)年限、巷道功能、節(jié)理產(chǎn)狀等。采取的改進方法如下：

a.控制斷面形狀與尺寸。北部巷道斷面尺寸為2.8 m×2.8 m，南部為2.6 m×2.6 m。

b.采取錨噴支護為主、鋼支架為輔的分級支護?？筛鶕?jù)影響巷道穩(wěn)定性的主要因素劃分不同的支護等級，選擇相應(yīng)的支護形式和支護參數(shù)，提高支護的針對性，以有效控制支護成本。

2 巖體質(zhì)量評價與分級

現(xiàn)場取樣并進行室內(nèi)巖體力學(xué)實驗，結(jié)果顯示：上盤圍巖單軸抗壓強度為101.6 MPa，結(jié)構(gòu)面間距為0.181 4 m；礦體單軸抗壓強度為97.9 MPa，結(jié)構(gòu)面間距為0.282 4 m；北部下盤圍巖單軸抗壓強度為98.9 MPa，結(jié)構(gòu)面間距為0.10 m。

采用巖體地質(zhì)力學(xué)分級(CSIR)法和Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量分級法等對巖體質(zhì)量進行評價，得到上盤圍巖、礦體和下盤圍巖的RMR指數(shù)分別為47～65、42和42；礦石的Q值為7.5，屬于一般巖體；上盤圍巖的Q值為15，屬于好巖體；下盤圍巖的Q值為6.5，屬于一般巖體。

結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)力學(xué)實驗結(jié)果、礦山支護情況調(diào)查、礦巖質(zhì)量評價的結(jié)果，對該礦巷道圍巖進行分級(見表1)。

表1 長安金礦巷道圍巖分級

根據(jù)表1的圍巖分級判據(jù)，可將該礦礦體上盤圍巖分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級；礦體為Ⅲ、Ⅳ級；2#-3#勘探線以北下盤圍巖為Ⅲ、Ⅳ級；F6等斷層破碎帶分為Ⅴ級。

3 支護形式和支護參數(shù)的確定

3.1 支護形式的確定

該礦礦體下盤為F6斷層破碎帶，采準(zhǔn)工程一般布置在上盤，上盤圍巖和礦體主要為Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級巖體，因此首選噴錨網(wǎng)支護，局部破碎帶選用金屬支架+混凝土支護。

綜合考慮礦山現(xiàn)有的支護操作技術(shù)和成本、效果、難易程度等因素，Ⅱ級巖體不支護；Ⅲ級圍巖巷道采用錨網(wǎng)支護或噴射混凝土支護；Ⅳ級圍巖巷道采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護，局部采用金屬支架支護。

3.2 錨桿支護參數(shù)計算

該礦巖體較堅硬，故選用管縫式錨桿，錨桿支護參數(shù)的計算過程如下。

1)錨桿長度L(大于2倍巖石節(jié)理間距)

錨桿長度確定為1.8 m。

2)錨桿間距S(小于3倍巖石節(jié)理間距)

S≤0.5 L，取0.8～0.9 m。

根據(jù)現(xiàn)場巷道失穩(wěn)和支護效果的調(diào)研情況，參考類似礦山經(jīng)驗[7-10]及計算結(jié)果，具體分級支護劃分標(biāo)準(zhǔn)和支護工藝參數(shù)敘述如下。

3.2.1 礦體

單學(xué)科服務(wù)產(chǎn)品在加工力度上普遍要高于全學(xué)科資源服務(wù)產(chǎn)品，一般會從期刊、圖書、工具書、專利中抽取出圖片、表格數(shù)據(jù)、化合物/材料名稱/藥品、化學(xué)反應(yīng)/工程方程式等，以支持對用戶更為準(zhǔn)確的服務(wù)。

礦體一般為Ⅲ級，中等穩(wěn)定，服務(wù)年限<5 a，工程跨度<4 m(穿脈、分段聯(lián)絡(luò)運輸平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用錨網(wǎng)支護或厚50 mm噴射混凝土支護。南區(qū)靠近F6斷層上盤礦巖接觸帶等區(qū)域的礦體為Ⅳ級，穩(wěn)定性較差，服務(wù)年限<5 a，工程跨度<4 m(采準(zhǔn)巷道、探采結(jié)合用穿脈等)，采用噴錨網(wǎng)(錨噴)支護，厚100 mm噴射混凝土與長1.8 m、間距0.8～0.9 m的錨桿(噴錨網(wǎng))聯(lián)合支護。局部采用混凝土支護，厚200～250 mm，必要時采用鋼支架、混凝土支護。

3.2.2 上盤圍巖

上盤圍巖一般為Ⅱ級，穩(wěn)固性和整體性較好，服務(wù)年限<5 a，工程跨度<4 m，不支護(分段聯(lián)絡(luò)巷道、沿脈、穿脈等)。部分為Ⅲ級，中等穩(wěn)定，服務(wù)年限<5 a，工程跨度<4 m(階段開拓巷道、分段聯(lián)絡(luò)運輸平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用錨網(wǎng)或厚50 mm噴射混凝土支護；服務(wù)年限>5 a，工程跨度<4 m(斜坡道等)，采用厚100 mm噴射混凝土與長1.8 m、間距0.8～0.9 m的錨桿(噴錨網(wǎng))聯(lián)合支護。局部為Ⅳ級，穩(wěn)定性較差，工程跨度<4 m(采準(zhǔn)巷道、礦巖接觸帶等)，采用厚100 mm噴射混凝土與長1.8 m、間距0.8～0.9 m的錨桿(噴錨網(wǎng))聯(lián)合支護(見圖3)，必要時采用鋼支架、混凝土支護。

圖3 巷道噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護

3.2.3 下盤圍巖

下盤圍巖主要為Ⅳ級，穩(wěn)定性較差，工程跨度<4 m(采準(zhǔn)巷道、探采結(jié)合用穿脈等)，采用厚100 mm噴射混凝土與長1.8 m、間距0.8～1.0 m的錨桿(噴錨網(wǎng))聯(lián)合支護；工程跨度4～8 m，采用厚150 mm噴射混凝土與長2.0 m、間距0.8～1.0 m的錨桿加鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護。部分為Ⅲ級，中等穩(wěn)定，服務(wù)年限<5 a，工程跨度<4 m(分段聯(lián)絡(luò)運輸平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用錨網(wǎng)或厚50 mm噴射混凝土支護。

3.2.4 F6斷層破碎帶

Ⅴ級，不穩(wěn)定，服務(wù)年限<5 a，采用厚150 mm噴射混凝土與長1.8 m、間距0.8～1.0 m的錨桿加鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護，必要時采用鋼支架、混凝土支護。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范、長安金礦巷道支護實踐和類似礦山工程經(jīng)驗[11-14]，參照巷道支護分級結(jié)果，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，提出了巷道分級支護的形式和參數(shù)(見表2)。

表2 巷道支護類型及參數(shù)

4 結(jié)論

a.在地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)力學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場巷道失穩(wěn)模式和支護現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，認為影響長安金礦巷道穩(wěn)定性的主要因素為節(jié)理裂隙、支護和地下水。

b.根據(jù)礦巖特性、巷道功能、斷面尺寸形狀、服務(wù)年限、結(jié)構(gòu)面和破壞模式等，將長安金礦巷道圍巖劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

c.根據(jù)礦床地質(zhì)條件和開采技術(shù)經(jīng)濟條件，提出了以噴錨網(wǎng)為主、金屬支架為輔的支護方案，根據(jù)巷道支護等級設(shè)計了相應(yīng)的支護形式和支護參數(shù)。