軟硬層疊巖體巷道分級支護方法及其應用

龍 翼，嚴 鵬,*，陳紹民,，皇甫風成

(1.紫金礦業集團股份有限公司； 2.富蘊金山礦冶有限公司)

新疆富蘊縣蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦(下稱“蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦”)巖石類型為火山-沉積變質巖類，礦區主要的賦礦巖石是石榴子石鈣鐵輝石巖、鈣鐵輝石巖和磁鐵角閃斜長片麻巖。巖體結構以塊狀結構為主，層狀結構或薄層狀結構次之，塊狀結構和層狀結構交叉分布，巷道圍巖穩固性受軟硬層疊巖體的影響顯著。因軟硬層疊巖體巷道穩固性差異大，普遍存在支護不到位或過度支護現象，巷道支護設計和施工缺乏系統性和針對性，支護質量參差不齊、支護成本高、掘進速度慢。根據軟硬層疊巖體工程地質條件，采取綜合性的巖體分級方法，合理選用支護方式和材料進行標準化分級支護，既能加快巷道掘進速度，降低支護成本，又能保障不同服務年限巷道的安全性和穩定性，具有明顯的工程技術經濟價值[1-5]。

1 軟硬層疊巖體巷道支護流程及分級方法

1.1 支護流程

軟硬層疊巖體巷道支護流程[6]如圖1所示。

圖1 軟硬層疊巖體巷道支護流程

1.2 巖體分級方法

對巷道圍巖進行科學分級是確定合理支護方式的前提，軟硬層疊巖體分級應遵循“技術先進、經濟合理、安全可靠、協調配套”的科學理念。通過查新檢索國內外巖體分級和巷道支護技術發展現狀，結合國內金屬礦山巖體分級和巷道支護工程應用狀況，采用國家標準分級方法、質量指標評價法和質量系數評價法綜合比較，對軟硬層疊巖體進行分級[7-12]。

1)國家標準分級方法。GB/T 50218—2014 《工程巖體分級標準》規定了分兩步進行的工程巖體分級方法。首先，將由巖石堅硬程度和巖體完整程度這2個因素所決定的工程巖體性質，定義為“巖體基本質量”，據此為工程巖體進行初步定級；然后，針對各類型工程巖體的特點，分別考慮其他影響因素，對已經給出的巖體基本質量進行修正，對各類型工程巖體再作詳細定級。

巖體基本質量指標按式(1)計算：

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：BQ為巷道圍巖基本質量指標；Rc為巖石飽和單軸抗壓強度(MPa)；Kv為巖體完整性指數。

2)巖體質量指標評價法。巖體質量指標評價法依據式(2)計算巖體質量指標(M)：

(2)

式中：Rb為巖石飽和軸向抗壓強度(MPa)；RQD為巖石質量指標。

3)質量系數評價法。質量系數評價法依據式(3)計算巖體質量系數：

(3)

式中：Z為巖體質量系數；I為巖體完整系數；f為結構面摩擦系數。

2 巷道分級支護方式及支護參數指標范圍

按照T/CGA 033—2022 《黃金礦山巷道圍巖分級及支護技術規范》和GB 50086—2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》有關技術要求，以紫金礦業集團股份有限公司紫金山金銅礦深部巷道支護標準、貴州錦豐礦業有限公司地下礦巷道支護標準等金屬礦山典型巷道支護工程實際經驗為參考，針對Ⅰ～Ⅴ級巷道工程巖體類型，確定了軟硬層疊巖體巷道支護方式及參數范圍，結果見表1，主要技術指標范圍[1-2,13-16]見表2。

表1 軟硬層疊巖體巷道支護方式及支護參數范圍

表2 軟硬層疊巖體巷道支護主要技術指標范圍

3 軟硬層疊巖體巷道分級支護方法應用

3.1 巖體結構及工程地質特征

蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦塊狀結構巖體和層狀結構巖體交叉分布，具體包括以下4類結構巖體：

1)塊狀結構巖體。分布于礦體及其兩側，巖性為變粒巖、淺粒巖、片麻巖、石榴子石巖、輝石巖和磁鐵礦石，巖體結構致密，將巖體切割成塊狀、厚板狀，巖體較完整，巖體穩定性較好。

2)層狀、薄層狀結構巖體。分布礦體兩側，構成礦體的上、下盤圍巖，巖性為片巖、大理巖，為軟弱—半堅硬巖石。層理、片理發育，巖體多呈片狀、薄板狀，巖體較完整，巖體破壞受軟弱夾層及蝕變程度的制約。

3)碎裂結構巖體。分布于礦體及各類巖組近地表強風化帶、構造破碎帶中，巖體呈碎塊狀、松散狀，巖體力學介質不連續，巖石破碎。巖體的變形破壞受軟弱結構面制約，巖體穩定性差。

4)散體結構巖體。分布于地表強風化帶、斷層破碎帶及泥化夾層中，結構松散，似連續介質。具顯著的塑性特征，變形時間短。巖體穩定性受破碎帶的物質組合控制，工程地質條件差。

蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦巷道圍巖穩固性受軟硬層疊巖體的影響顯著，典型的軟硬層疊巖體工程地質特征見圖2。

圖2 典型的軟硬層疊巖體工程地質特征

3.2 軟硬層疊巖體質量分級

對于蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦軟硬層疊巖體，采用國家標準分級法、巖體質量指標法和巖體質量系數法分別計算巖體基本質量指標BQ、巖體質量指標M和巖體質量系數Z。根據軟硬層疊巖體裂隙水發育情況及巖體穩定性受結構面影響程度，綜合3種分級方法修正后的分級結果見表3。由表3可知：大理巖和片巖巖體質量為Ⅳ級，巖體質量等級屬差；其余巖體質量分級為Ⅲ級，巖體質量等級屬中等。

表3 蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦軟硬層疊巖體分級

3.3 軟硬層疊巖體巷道支護

根據軟硬層疊巖體巷道支護方式及支護參數范圍，按照既符合支護安全技術要求，又能夠方便施工技術管理的原則，對于蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦軟硬層疊巖體，選擇的支護方式及支護參數見表4。軟硬層疊巖體巷道噴錨網支護設計見圖3，錨網和鋼拱架支護現場施工效果見圖4。在蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦650 m中段至500 m中段斜坡道和平巷的支護工程中，通過采用分級支護方式，標準化支護設計施工的質量和效率明顯提升，巷道過度支護和二次返修現象得到有效控制，支護安全性好、成本低，應用效果顯著[17-21]。

表4 軟硬層疊巖體巷道支護方式及支護參數

圖3 軟硬層疊巖體巷道噴錨網支護設計示意圖

圖4 錨網(a)和鋼拱架(b)支護

4 結論和建議

1)采用綜合方法對軟硬層疊巖體巷道圍巖進行分級，結合技術標準要求和典型巷道支護工程實際經驗，確定的軟硬層疊巖體Ⅰ～Ⅴ級巷道支護方式及其參數指標范圍較為合理，具有指導意義和可操作性。

2)在蒙庫鐵礦床東礦段鐵礦典型軟硬層疊巖體工程地質條件下，巷道分級支護設計和施工簡潔高效，巷道過度支護和二次返修現象得到有效控制，支護安全性好、成本低，應用效果明顯。

3)建議加強軟硬層疊巖體巷道支護施工前的支護作業條件風險評估，進一步提升支護作業的安全性和有效性。在斷層、巖爆、涌水量大等特殊工程地質和水文地質條件下，應根據特定的情況采取相應的增強支護方案。

4)建議完善巖體分級支護管理制度和驗收標準，加強業主方和施工方安全生產技術一體化管理，優化巷道鑿巖爆破和支護設計，加強現場施工組織管理，進一步提升錨網、噴射混凝土、鋼拱架等各支護環節銜接的時效性，提高軟硬層疊巖體巷道支護效率和質量，降低支護的人工和材料成本。