加筋預裂支護法在保護淺孔留礦上盤頂板中的應用

李過生，李春，李向東 ，劉東銳

(1.嵩縣前河礦業有限責任公司，河南 嵩縣 471433；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

0 引言

巖金礦開采過程中，針對中厚度以下的陡傾斜金礦體，在圍巖穩固的條件下，常選擇工藝簡單的淺孔留礦法進行開采[1]。由于淺孔留礦法采礦過程中會形成大暴露面的上盤頂板，存在安全隱患，而且近年來淺孔留礦法在開采中多次出現上盤頂板塌方而造成的人員傷亡和財產損失等事故，使得很多礦山在采礦過程中不敢使用淺孔留礦法[5-6]。淺孔留礦上盤頂板的支護問題一直存在，為保護上盤穩定性，可以在淺孔留礦采準施工完成后，利用采準工程施工鉆機硐室，在淺孔留礦上盤頂板沿頂板產狀按照扇形布置中深孔，預設鋼筋，再在后期采礦過程中結合錨桿和條形網形成聯合支護體對淺孔留礦上盤頂板進行支護，以提高上盤頂板在后期采礦和放礦過程中的穩定性。

1 淺孔留礦法及上盤頂板隱患

1.1 淺孔留礦開采方法

采用留礦法開采的巖金礦多為礦石及圍巖穩固，破碎后礦石不易再結塊的中厚以下急傾斜礦床。段高多控制在30～60 m，40 m段高最為普遍。礦塊長度根據礦石和圍巖的穩固性，通常選擇40～60 m，根據勘查規范，為便于后期管理，礦塊長度以40 m居多，因此礦塊規格為40 m×40 m。在礦塊兩端施工天井、聯絡道。預留5 m高的底柱并施工拉底，間隔5～6 m施工漏斗。利用拉底巷道作為自由面，采用YT-28鉆機施工，孔深控制在2.2～2.5 m，沿礦體走向逐層施工，每層回采控制在2.5～3.0 m；控制各個漏斗放礦量，每次回采以下部的爆堆作為施工平臺[2]。回采至上一中段后留5～6 m作為頂柱；最后再施工 3～4個充填小井，為放礦結束后用廢石充填空區做準備。淺孔留礦采礦法如圖1所示。

圖1 淺孔留礦采礦法

1.2 上盤頂板存在的隱患

隨著淺孔留礦逐層向上回采，上盤頂板暴露面積會逐漸增大，最大暴露面積可達到 900～1000 m2。在回采過程中，上盤頂板因爆破振動和采空區導致的應力集中而極容易垮塌。其垮塌有兩種情況，一是在回采過程中小面積垮塌，工人在作業過程中風險增加；二是回采后期整體放礦時，上盤頂板完全暴露，造成大面積垮塌，且常有大塊垮落，造成二次貧化和漏斗堵塞，對后期管理帶來不便。

2 上盤頂板加筋預裂方法

2.1 施工工藝

將礦塊兩端人行天井中部聯絡道擴大成鉆機硐室。利用聯絡道根據鉆機所需硐室規格向上盤鑿巖施工，直至揭露礦體與上盤圍巖分界面，利用深孔鉆機沿礦體上盤頂板走向施工中深孔，中深孔按扇形孔布置。中深孔自礦塊兩端向中間施工，嚴格按照設計傾角及長度施工[3]。

扇形中深孔施工完畢后，將鋼筋及炸藥裝入孔內，采用大區多排微差爆破，一次性將采場上盤頂板進行預裂爆破，使礦體和上盤圍巖形成分界，并將鋼筋預埋進上盤頂板內部（見圖2）。

圖2 加筋預裂孔布置

2.2 加筋預裂爆破參數

加筋預裂爆破時，對炮孔布置、裝藥方法以及鋼筋布置均有一定的要求，具體包括以下6個方面。

（1）炮孔按照扇形布置，炮孔方位按照礦體上盤頂板傾斜面與炮孔走向投影面的交線布置，以防炮孔穿入礦體，造成后期采礦時的礦體損失，也防止炮孔距離礦體太遠，預埋的鋼筋無法與后期錨桿、條形網形成一個整體，失去支護作用。

（2）炮孔深度根據設計達到礦塊長度的1/2，即為15～21 m。炮孔遠端距離不大于2 m。

（3）采用Φ10 mm鋼筋做為預埋筋，鋼筋長度和炮孔深度相匹配。

（4）鋼筋上綁好導爆索，采用巖石乳化炸藥，裝藥結構為不耦合連續裝藥。當炮孔深度超過20 m時，在鋼筋上用捆綁膠帶同時捆綁2卷炸藥連續裝藥；在鋼筋10～20 m位置上用捆綁膠帶綁1卷炸藥連續裝藥；在鋼筋3～10 m位置上用捆綁膠帶綁1卷炸藥間隔裝藥，間隔200～300 mm；孔口3 m不裝炸藥。

（5）在距炮孔孔口最近的一卷炸藥上裝上電子雷管，然后對孔口進行封堵，堵孔深度不小于1 m。

（6）采用大區微差爆破，爆破后礦體與上盤頂板中間形成一條分界面。

2.3 加筋預裂法的優點

通過加筋預裂爆破使礦體與上盤頂板中間產生一條連續裂隙，形成礦體與上盤頂板圍巖的分界面。該分界面在后期回采過程中可以有效阻斷采礦爆破的振動傳遞至上盤頂板，從而降低對上盤頂板的擾動破壞。其次，爆破后預埋的鋼筋會牢固地固定在分界面上，作為后期礦石回采過程中對上盤頂板支護的超前支護體。

3 現場施工工藝

3.1 施工工藝

以拉底巷道為自由面開始回采礦石，回采過程中，逐分層向上回采。每分層向前推進一茬炮，便對上盤頂板進行條形網聯合錨桿進行支護，支護位置距爆破作業面5～8 m，循環推進，防止支護被爆破損壞。回采完畢后，條形網+錨桿及上盤鋼筋形成一個網狀支護體，對上盤頂板進行支護。

3.2 回采及支護參數

回采過程中利用 YT-28淺孔鉆機進行鑿巖作業，支護采用錨桿及條形網聯合進行支護，具體參數為：

（1）回采時，分層高度控制在2.5～3.0 m；

（2）炮孔沿礦體走向水平布置，孔深控制為2.0～2.5 m[4]；

（3）采用樹脂錨桿固定，垂直上盤頂板施工錨桿眼，孔深不低于2.2 m，錨桿間距1.0～1.5 m；

（4）采用條形網輔助錨桿支護，條形網可采用2根Φ6 mm的圓鋼筋，間距110 mm焊接而成，長度控制在2.5～3.0 m，利用鋼筋間隔800～1000 mm在條形網中間進行焊接，以增加條形網自身強度；

（5）條形網沿上盤頂板傾向布置，排距控制在1.5～2.0 m；

（6）每條條形網上布置2～3根錨桿；

（7）條形網布置時，與上盤頂板預留的鋼筋交錯布置成網狀；

（8）部分頂板十分破碎，可采用鋼編網代替條形網，以防止頂板圍巖冒落。

3.3 聯合支護優點

在淺孔留礦上盤頂板支護中采用加筋預裂爆破聯合錨桿及條形網進行支護，預埋的長鋼筋屬于超前支護體，與回采中的錨桿和條形網互相作用形成立體支護網，可有效地錨固上盤頂板，防止垮塌。

4 安全技術指標

4.1 安全指標

在淺孔留礦上盤頂板支護中采用加筋預裂爆破聯合錨桿及條形網進行支護后，上盤頂板支護網度小于2.0 m×2.0 m，其中50%頂板暴露面積＜(0.5×2.0) m2，40%頂板暴露面積＜(1.0×2.0) m2，僅有10%頂板暴露面積為2～4 m2。因此在回采及放礦期間能夠避免上盤頂板發生超過4 m2的冒頂，上盤頂板2～4 m2大塊冒頂發生概率僅為以前的5%；上盤頂板1～2 m2大塊冒頂發生概率僅為以前的10%。局部存在冒落風險的位置可以結合鋼編網進行支護，上盤頂板整體穩定性提高，可以完全防止上盤頂板在回采和放礦期間發生垮塌。

4.2 技術指標

淺孔留礦法開采的貧化率通常都大于20%，上盤頂板支護中采用加筋預裂爆破聯合錨桿及條形網進行支護后，上盤塌方極大減少，整體貧化率可以降低到10%以下。

4.3 存在的問題

加筋預裂爆破聯合錨桿及條形網支護上盤頂板的方法其最大難點是加筋預裂爆破深孔的施工。炮孔方位要嚴格按照礦體上盤頂板傾斜面與炮孔走向投影面的交線施工。如果炮孔穿入礦體，將造成后期采礦時礦體損失；如果炮孔距離礦體太遠，預埋的鋼筋無法與后期錨桿、條形網形成一個整體，失去超前支護的作用。

該方法適用于礦體與上盤頂板構造面平整、產狀穩定的上盤頂板的支護。如果構造面變化較大，中深孔施工過程中不能夠沿構造面施工，會造成采礦損失貧化率過高。

5 結論

淺孔留礦上盤頂板加筋預裂爆破完成后，開始進行采場拉底、落礦、分層回采，在回采過程中及時使用樹脂錨桿、條網或鋼編網進行聯合支護。上盤頂板預裂爆破中留置的鋼筋和回采過程中的錨桿、條網共同構成了立體支護防護結構。

在扇形中深孔預裂爆破后，礦體與上盤頂板之間產生一條連續裂隙，形成分界面，該分界面在后期回采爆破過程中可阻擋爆破震動對上盤的擾動破壞。

這種加筋預裂聯合支護方法可以有效防止淺孔留礦上盤頂板發生塌方，具有提高淺孔留礦法的安全性、降低貧化率等優點，為防止淺孔留礦上盤頂板塌方提供了解決方案。