金山店礦松軟破碎巖體采準工程合理布置

孫明偉 向 鑄

（武鋼資源集團金山店礦業有限公司）

金山店礦采用無底柱分段崩落法進行開采，采準巷道及溜井的穩定不僅影響到開采安全，還關系到礦山生產效率。而金山店礦東區ⅠⅠ號礦體下盤近礦圍巖有較厚的松軟破碎巖體和高嶺土類巖體，原設計采用下盤開拓和采準方式，采準巷道及溜井變形破壞嚴重，成巷成井難度大，開采安全性差，礦山一般采用高強度工字鋼支護，不僅支護成本高，且依然垮冒嚴重，報廢率高。

目前，國內針對破碎礦巖區域采準巷道的失穩破壞問題研究，主要聚焦在對井巷結構參數［1-2］和支護參數的優化設計［3-6］上，金山店礦也曾對該區域采準巷道支護［7］和溜井結構優化［8-9］做過類似研究，取得一定效果，但依然存在支護成本高、支護時效性有待提高等問題。結合金山店礦的采礦方法相關技術參數，開展采準工程合理布置研究，以保障采準工程的安全可靠，對金山店礦安全高效生產具有意義。

1 工程概況

1.1 東區采準工程現狀

金山店礦采用無底柱分段崩落法采礦，主要的采準工程包括各分段上下盤鑿巖聯巷、鑿巖進路、采區斜坡道、礦廢石溜井、通風天井以及電梯井等井巷工程。采準工程具體布置如圖1所示。

由于東區主要有Ⅰ號和Ⅱ號2 個礦體，2 個礦體獨立開采，獨立通風、行人、落礦和運礦，配有2 套電梯井、2條采區斜坡道、2套通風系統等，每個分段布置2條沿脈鑿巖聯巷。由于采準工程需要服務至整個階段回采完成，因此其布置在開采錯動帶以外，即位于Ⅰ號礦體的上盤和Ⅱ號礦體的下盤。

鑿巖進路一般垂直于礦體走向布置，進路端部掘進切割巷，在切割巷內向上掘進切割天井，采用中深孔將切割巷和切割天井聯合拉槽形成爆破補償空間。采礦時爆破鑿巖進路中的中深孔，從鑿巖進路向鑿巖聯巷依次退采。爆落的礦石在覆蓋層下由鏟運機鏟出，運至礦塊的礦石溜井，掘進的廢石運至廢石溜井。一般5 條進路為1 個礦塊，每個礦塊分別布置1條礦石溜井和1條廢石溜井，礦廢分裝分運。

現在進行采礦生產的-500 m 中段高度為90 m，分段高度15 m，進路間距16 m。上下分段的回采進路為梅花形布置，各分段由上至下回采，同分段內回采順序不定。

1.2 東區采準工程存在的問題

東區Ⅱ號礦體的下盤尤其是34#勘探線以東的區域下盤圍巖為高嶺土，完整性差、強度低、穩定性差，巷道成巷極為困難，巷道穩定性差，支護量大，目前主要采用工字鋼進行強支護，如圖2所示。工字鋼屬于被動支護方式，利用自身的剛度和強度來抵抗巷道圍巖的變形。然而，高嶺土在遇水、在井下潮濕空氣作用下以及采礦活動導致地壓變化的情況下，膨脹性大，巷道地壓顯現十分明顯，導致工字鋼支護出現較大的位移和變形收縮，失去支護作用甚至形成安全隱患，必須對巷道進行大量的二次支護。

因此，東區采準工程尤其是Ⅱ號礦體的下盤鑿巖聯巷不僅支護工作量大，經濟效果差，同時工字鋼支護后的巷道有效使用面積變小，使得大型采掘設備無法通行，導致采礦效率低，巷道服務時間加長，地壓顯現更加嚴重，形成惡性循環。

2 采準工程改進方案

針對上東區采準工程存在的問題，對于成巷條件較差的松軟破碎區域，盡量不在該區域施工巷道，更改Ⅱ號礦體的鑿巖聯巷在礦體下盤的布置方式，布置在其他區域避開松軟破碎區域或掘進其他巷道代替鑿巖聯巷的功能。同時，在考慮調整采準工程布置方案時，要兼顧采礦生產的安全性、經濟性及技術可行性等方面。

在以上原則的指導下，提出了2 種布置方案：一種為避開下盤破碎巖體，在上盤布置分段沿脈鑿巖聯巷，鑿巖進路垂直于礦體走向布置（簡稱上盤沿脈鑿巖聯巷方案）；一種為在破碎區域不布置分段沿脈鑿巖巷道，鑿巖進路沿礦體走向布置（簡稱沿走向長鑿巖進路方案）。

2.1 上盤沿脈鑿巖聯巷方案

上盤沿脈鑿巖聯巷方案的典型方案如圖3所示，為避開Ⅱ號礦體下盤的高嶺土松軟破碎區域，下盤鑿巖聯巷改為沿Ⅱ號礦體上盤布置。鑿巖進路方向及間距不變，切割巷和切割天井仍在鑿巖進路端部布置，改為布置在Ⅱ號礦體的下盤位置。電梯井、礦廢石溜井、通風天井等采準工程服務于整個階段，為避免壓礦，此類采準工程仍布置在Ⅱ號礦體的下盤。采場安全出口為斜坡道和電梯井；電梯井進風，通風天井回風；各分段涌水由運輸水平匯集后，經泄水孔匯至水倉。

采用上盤沿脈鑿巖聯巷方案時，最主要的變化在于掘進及采礦的礦（廢）石均要通過上盤鑿巖聯巷運至下盤的礦廢石溜井，增加了鏟運機的運距，降低了礦巖運搬的效率，在一定程度上會影響采礦的效率。

采用上盤沿脈鑿巖聯巷方案時，還要求Ⅱ號礦體上盤圍巖穩固性較好。此外，Ⅱ號礦體上盤沿脈鑿巖聯巷與Ⅰ號礦體的距離不大，若Ⅰ號礦體的開采較Ⅱ號礦體更早地進入下部分段的開采，可能會導致鑿巖聯巷區域的應力集中。

2.2 沿走向長鑿巖進路方案

沿走向長鑿巖進路方案的典型方案如圖4所示，為避開Ⅱ號礦體下盤的高嶺土松軟破碎區域，不掘進沿脈鑿巖聯巷，只施工沿走向的長鑿巖進路，沿礦體的走向直接由端部向中部退采。電梯井、礦廢石溜井、通風天井等采準工程仍布置在Ⅱ號礦體的下盤。掘進和采礦時，鏟運機直接將鑿巖進路中礦石和廢石運至下盤的礦廢石溜井中。采場安全出口為斜坡道和電梯井；電梯井進風，通風天井回風；各分段涌水由運輸水平匯集后，經泄水孔匯至水倉。

沿走向長鑿巖進路方案適用于上下盤圍巖都不穩固的情況，由于不施工沿脈鑿巖聯巷，只掘進沿走向的長鑿巖聯巷，因此，采準巷道工程量較小，采切比較小。同時，沿走向長鑿巖進路方案的缺點也十分明顯。首先，沿走向的鑿巖進路長度較長，其掘進施工以及在其中的采礦作業都是獨頭作業，因此通風效果更差；其次，由于鑿巖進路沿走向布置，一般只有1～2條，在巷道掘進和采礦落礦時，只能提供1～2個工作面，效率較低，不如垂直于礦體走向布置鑿巖進路，多條鑿巖進路可同時作業的效率高；再次，由于礦體厚度及走向的變化，中深孔對邊界的礦體控制較難，容易造成損失和貧化。

此外，若上分段采用的是垂直于礦體走向的鑿巖進路布置方式，若在下分段改為沿走向長鑿巖進路布置方式，對于中深孔的鑿巖施工需要更嚴格的要求。其原因是上分段鑿巖進路之間的脊部留有三角形的礦柱，在礦體走向方向留下近似于波浪形的待采礦體，因此，在下分段的沿走向布置的長鑿巖進路中，相鄰的每排炮孔深度都不同。再加上礦體上下盤邊界的變化，使得中深孔的設計和施工都極為復雜，很難控制礦體的邊界。

若以上問題不能較好地解決，可能會出現以下問題：

（1）中深孔對礦體上下盤邊界控制較差，丟礦現象嚴重，崩落大量廢石，導致損失率和貧化率均較高。

（2）中深孔對上分段鑿巖進路脊部的礦石控制不好，導致大塊率較高，甚至可能因缺少自由面而出現超大塊的懸頂礦石。

（3）放礦橢球體的方向隨鑿巖進路方向變化而發生變化，導致放礦橢球體的發展演化規律更為復雜，放礦管理復雜，容易出現過早貧化而導致損失率和貧化率的提高。

3 采準工程布置方案技術經濟評價

以東區-425 m 水平下盤810 礦塊以東的松軟破碎區域礦體為回采對象，將原有方案與以上提出的2個方案（下盤沿脈鑿巖聯巷方案（方案Ⅰ）、上盤沿脈鑿巖聯巷方案（方案ⅠⅠ）和沿走向長鑿巖進路方案（方案ⅠⅠⅠ））應用于此區域的技術經濟指標進行分析比較。主要技術經濟指標包括井巷工程量、中深孔工程量、掘進成本、井巷工程施工周期、支護成本、回采周期等。

3.1 工程量

3 個方案采掘成本比較主要涉及井巷工程量和中深孔工程量。

采用方案Ⅰ時，破碎區域的主要采切工程及工程量包括下盤沿脈鑿巖聯巷（240 m）、進路（13 條×45 m）、切割巷（200 m）、切割井（13 條×14 m），合計共1 207 m。進路內每3 m 布置2 排中深孔，共15 個，總長度按235 m 計，每條進路施工中深孔約26 排，共13條進路，合計39 715 m。

采用方案Ⅱ時，破碎區域的主要采切工程及工程量包括上盤沿脈鑿巖聯巷（300 m）、上下盤連接巷（60 m）、進路（12 條×50 m）、切割巷（200 m）、切割井（13 條×14 m），合計1 342 m。中深孔工程量同方案Ⅰ，即39 715 m。較方案Ⅰ工程量較大的主要原因：①上盤沿脈鑿巖聯巷較下盤沿脈鑿巖聯巷離礦體更遠，導致進路更長；②中段風井布置在下盤位置，上盤沿脈鑿巖聯巷需要在礦體端部與其連通，以保證分段內的通風質量。

采用方案Ⅲ時，破碎區域的主要采切工程及工程量包括長進路（2 條×200 m）、切割巷（3 條×35 m）和切割井（6 條×14 m），合計共589 m。每條長進路中約施工140 排中深孔，共2 條進路，合計32 900 m。采切工程施工時，首先在礦體中施工2條沿礦體走向的長進路，考慮到進路長度大，只切割拉槽一次可能無法一次按拉槽高度回采完200 m 長的進路，從而出現懸頂等事故。因此將進路分3 段切割回采，每隔60～70 m的長度布置1條切割巷。考慮到切割巷長度較長，因此在每條切割巷內各布置2 條切割井。3 種方案主要工程量如表1 所示。井巷工程量由少至多依次是方案Ⅲ、方案Ⅰ和方案Ⅱ，方案Ⅲ中深孔工程量最少，方案Ⅰ和方案Ⅱ的中深孔工程量相同。因此，從工程量的角度考慮，最優的方案為方案Ⅲ。

3.2 采掘成本

所有巷道除切割井外均采用噴錨網支護，方案Ⅰ下盤破碎區域的沿脈鑿巖聯巷及進入礦體前與鑿巖聯巷之間的進路部分，在采用噴錨網初步支護后再采用工字鋼支護，工字鋼支護間距0.7～0.8 m。3種方案總采掘成本分別為594.4、563.1 和316.4 萬元，如表2所示，從成本的角度考慮，最優的方案為方案Ⅲ。

3.3 采礦周期

采礦周期比較主要涉及井巷工程施工周期、中深孔施工周期和回采周期。

方案Ⅰ井巷工程總施工時間為314 d，中深孔施工完成時間349 d，整個破碎區域的回采完成時間為388 d。為了盡快完成該區域的采礦工作，在下盤鑿巖聯巷施工至1#進路的開口位置即開始施工1#進路，至2#進路的開口位置即開始施工2#進路，并在滿足最多同時施工自由面的條件下以此類推；同時，在1#切割巷及1#切割井施工完成后，開始施工1#進路及1#切割巷內的中深孔；最后，在1#進路及1#切割巷內的中深孔施工完成后，即開始1#進路的爆破回采工作，并以此類推。

方案Ⅱ井巷工程總施工時間為290 d，中深孔施工完成時間368 d，整個破碎區域的回采完成時間為473 d。方案Ⅱ較方案Ⅰ的井巷工程量雖然多，但施工時間短，然而中深孔施工完成時間和回采完成時間均較晚，是因為方案Ⅱ中的沿脈鑿巖巷道不經過松軟破碎區域，施工速度較快，施工效率較高，而可供首采的進路（1#進路）及切割工程掘進完成時間較晚導致中深孔開始施工的時間及回采開始的時間均較晚，所以最后回采完成的時間較晚。此外，連接巷作為一條回采進路，其回采必須在其他所有進路回采完成后再進行，這也在一定程度上增加了該區域回采的時間。

方案Ⅲ井巷工程總施工時間為123 d，中深孔施工完成時間358 d，整個破碎區域的回采完成時間為573 d。方案Ⅲ井巷工程量雖然最少，中深孔工程量最少，井巷工程施工時間短，但中深孔施工完成時間基本與其他2種方案的時間相同，回采完成時間晚于其他2種方案，其原因是方案Ⅲ中的長進路為獨頭布置，必須在全部井巷工程施工完成后再開始中深孔施工，同理，在中深孔完全施工完成后才能開始回采作業，且回采只能由里向外退采。因此該方案回采完成的時間最晚。

3.4 采準工程布置方案綜合評價

方案Ⅰ仍在破碎區域施工下盤沿脈鑿巖聯巷，其主要缺點是巷道的支護工程量大，支護成本較高。若巖體破碎程度高，成巷效果極差，則此種方法有不能有效回收破碎區域礦體的可能。其優點主要是和已有鑿巖聯巷布置形式相同，沿脈巷道不穿過礦體，分段內進路的回采順序可以靈活安排。此外，礦體開采時，礦體下盤的錯動范圍較上盤的錯動范圍小，下盤沿脈巷道可以布置在離礦體更近的區域，使得進入礦體的進路長度較小，節約井下工程掘進量。分段回采時下盤沿脈鑿巖聯巷始終通暢，通風效果較好，且在本分段回采完成后仍能作為下分段回采時的回風巷道，有利于下分段回采時的通風工作。

方案ⅠⅠ在破碎區域改為沿上盤布置沿脈鑿巖聯巷，其主要優點是可以避開下盤松軟破碎圍巖，降低巷道的支護成本。相對于沿走向長鑿巖進路方案，大部分鑿巖聯巷仍布置在脈外，除穿過礦體的下盤轉上盤的沿脈巷道在分段內其他進路回采完成后作為回采進路外，分段內的其他進路回采順序相對較靈活。其缺點主要是上盤沿脈巷道布置時離礦體距離較遠，進路長度較長。下盤轉上盤的沿脈巷道穿過礦體，因此在分段完成回采后部分沿脈巷道破壞，無法為下分段回采提供完整的回風路線。此外，鏟車運輸行駛路線相對于方案Ⅰ較長，運輸成本較高。

方案ⅠⅠⅠ在破碎區域不施工沿脈鑿巖聯巷，只施工1～2 條沿礦體走向的長鑿巖進路。該進路兼顧鑿巖聯巷的功能，能避開上下盤均不穩固的巖體，因此井巷工程量最小，支護成本低。其缺點是1～2條長鑿巖進路負責整個破碎區域的礦體回采，提供的回采工作面數量少，回采效率低，破碎區域礦石回采在采切工程完成后進行，分段的回采周期較長。破碎區域礦石回采只有1種回采方向，若出現生產上的意外情況，應變能力較差，存在較高的風險性。同時，進路為長距離獨頭巷道，生產作業時通風效果差。此外，由于回采方向上發生的重大變化，中深孔施工時控制上分段回采后的邊界的難度極大，同時放礦漏斗的形態也會發生極大的變化，因此在回采爆破后礦石回收的損失率和貧化率均較大。

針對松軟破碎巖體采準工程布置方案的優缺點比較見表3。

從以上各種采礦方案技術經濟指標分析來看，原方案回采效率最高，但回采綜合成本高、安全性差；沿走向長鑿巖進路方案回采綜合成本最低、安全性最好，但回采效率也最低、回采風險性較大；這2種方案優缺點都比較突出。相對而言，上盤沿脈鑿巖聯巷方案在技術經濟上的短板較少，是相對最為合理的采準工程布置方案。

4 結論

金山店礦東區ⅠⅠ號礦體采用上盤沿脈鑿巖聯巷方案，既避開了松軟破碎圍巖，同時具備較高的開采效率，生產能力、損失貧化率等主要技術經濟指標與原方案相當，具備較好的靈活性，能夠有效解決下盤采準巷道及溜井變形破壞嚴重、報廢率高的難題。