ThiernoAmadouMouctarSow,任鳳玉,陳曉云

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽 110819;2.弓長嶺礦業(yè)公司, 遼寧遼陽市 111007)

弓長嶺井下礦采準(zhǔn)巷道破壞形式及其支護(hù)技術(shù)研究

ThiernoAmadouMouctarSow1,任鳳玉1,陳曉云2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽 110819;2.弓長嶺礦業(yè)公司, 遼寧遼陽市 111007)

弓長嶺井下礦中央?yún)^(qū)開采急傾斜中厚礦體,隨著采深的增大,采準(zhǔn)工程出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)的部位增多、規(guī)模逐漸增大,進(jìn)入-280m中段開采后,采準(zhǔn)工程的塌冒已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。經(jīng)過調(diào)查巷道發(fā)生破壞的部位與破壞區(qū)巖性變化,查明上盤楔形體圍巖的附加力作用是引發(fā)回采巷道大規(guī)模破壞的主要原因,為此提出卸壓開采方案,即在高應(yīng)力區(qū)先回采上分段沿脈進(jìn)路,為下分段卸掉垂直壓力后,再掘進(jìn)下分段沿脈進(jìn)路。此外,根據(jù)巷道破壞過程與地壓顯現(xiàn)形式,分析了現(xiàn)用工字鋼金屬架支護(hù)方法的不適應(yīng)性,提出根據(jù)巖性與地應(yīng)力大小選擇樹脂錨桿、噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的改進(jìn)方案。初步試驗(yàn)表明,改進(jìn)方案可有效解決上盤沿脈巷道的塌冒難題,并可較好地適應(yīng)弓長嶺井下礦深部礦巖條件,不失為弓礦實(shí)用技術(shù)。

采準(zhǔn)巷道;破壞形式;巷道支護(hù);噴錨支護(hù);地壓控制;卸壓開采

0 引 言

弓長嶺井下礦為沉積變質(zhì)礦床,包含上、下盤兩條含鐵帶計(jì)6層礦體,礦體全長4850m,單層厚度2～30m,礦體傾角65°～90°。礦石主要為磁鐵富礦,質(zhì)地堅(jiān)硬(f=8～10),節(jié)理發(fā)育,中等穩(wěn)定(局部不穩(wěn)定)。上、下盤基巖主要為混合巖、斜長角閃巖與硅質(zhì)巖層,中等穩(wěn)定到穩(wěn)定。在礦體與上下盤基巖之間,斷續(xù)出露綠泥片巖,松軟破碎(f=3～4),容易片落,屬不穩(wěn)定巖石。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,水文地質(zhì)條件簡單。

弓長嶺井下礦是我國開采較早的大型地下鐵礦山,沿礦體走向劃分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)與東南區(qū)三區(qū)開采,其中中央?yún)^(qū)上盤含鐵帶的開采深度已達(dá)640 m。曾用過多種采礦方法回采[1],經(jīng)多年來的生產(chǎn)選優(yōu),現(xiàn)今全面應(yīng)用沿走向布置進(jìn)路的無底柱分段崩落法開采。隨著采深的增大,沿脈采準(zhǔn)工程出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)的部位逐步增多、規(guī)模逐漸增大。進(jìn)入-280m中段開采后,采準(zhǔn)工程塌方冒頂現(xiàn)象已經(jīng)嚴(yán)重影響到采礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 采準(zhǔn)巷道的破壞形式

統(tǒng)計(jì)得出,弓長嶺井下礦采準(zhǔn)巷道的破壞形式主要有三種:一是沿結(jié)構(gòu)弱面的拉伸破壞(見圖1),主要發(fā)生在由水平至緩傾斜節(jié)理面的巖層里;二是沿結(jié)構(gòu)面剪切破壞(見圖2),主要發(fā)生在圍巖層理厚度較大、有X型結(jié)構(gòu)面的巖體,此時(shí)表現(xiàn)為冒落塊度較大,冒落長度多為2～5m,有的可達(dá)7m,冒落高度達(dá)2～3m;三是片幫冒頂(見圖3),主要發(fā)生在層理與節(jié)理比較發(fā)育的巖體中,在重力場作用下,拱角受剪切破壞掉落,側(cè)墻受拉應(yīng)力片落,頂板隨之冒落。還有的先冒頂,后片幫及頂板沿結(jié)構(gòu)面呈楔形體破壞冒落,接著拱角向外擴(kuò)展,這種冒落形式的冒落長度一般較大,多為10～30m,一次冒落高度可達(dá)2～3m。三種形式對應(yīng)的巷道冒頂后的常見形狀見圖4。

圖1 巷道頂板拉伸破壞示意

圖2 巷道頂板剪切破壞示意

圖3 巷道片幫冒頂破壞示意

2 巷道支護(hù)方式改進(jìn)方案

弓長嶺井下礦從20世紀(jì)70年代應(yīng)用無底柱分段崩落法以來,生產(chǎn)采場的地壓顯現(xiàn)多發(fā)生于局部,主要采用工字鋼金屬拱架進(jìn)行支護(hù),如圖5所示。實(shí)踐表明,這種支護(hù)形式在局部地壓顯現(xiàn)、巷道破壞長度短的條件下實(shí)用性較好,特別在圖4(a)與圖4(b)破壞形式中巷道局部冒頂?shù)膱龊?圖5支護(hù)形式具有支護(hù)用料存儲運(yùn)輸方便、支護(hù)作業(yè)安全、見效快等優(yōu)點(diǎn)。但隨著巷道破壞長度與破壞程度的加大,這種支護(hù)形式的用料多、抗復(fù)雜變形能力弱的缺點(diǎn)逐漸顯露出來,尤其對于圖4(c)所示的片幫冒頂破壞形式,當(dāng)巷道破壞長度較大時(shí),不僅施工難度大,而且支護(hù)后經(jīng)常發(fā)生扭曲變形,使支架失穩(wěn)。支護(hù)失穩(wěn)后,巷道頂板或側(cè)幫圍巖大量冒落,最終使巷道報(bào)廢,如圖6所示。

分析表明,對于圖4(a)與圖4(b)破壞形式,在冒頂前后采用適當(dāng)?shù)膰婂^網(wǎng)支護(hù)措施,可有效控制圍巖的進(jìn)一步破壞[2-3]。在噴錨網(wǎng)聯(lián)合體中,混凝土層主要膠結(jié)加固圍巖表層,并提高徑向縫的抗剪強(qiáng)度;錨桿主要用來加固圍巖,并增大切向縫和斜向縫的粘結(jié)力與抗剪力;金屬網(wǎng)則主要起均勻分布噴層內(nèi)力、防止噴層收縮開裂、增強(qiáng)支護(hù)抗力的作用[4-5]。在噴錨網(wǎng)共同作用下,可改善圍巖的完整性、增強(qiáng)巖體自承能力,相當(dāng)于一定深度的圍巖摻入支護(hù)聯(lián)合體而形成具有相當(dāng)厚度的三向均勻壓縮應(yīng)力狀態(tài)的組合承載拱,變被動承壓為主動承壓。在弓長嶺井下礦的礦巖條件下,這種承壓拱的形成可有力克服巷道圍巖最常發(fā)生的沿結(jié)構(gòu)面拉伸破壞與剪切破壞。為此,井下礦從2012年初開始全面推廣噴錨網(wǎng)支護(hù),并根據(jù)圍巖穩(wěn)定狀況,設(shè)計(jì)了素噴、噴錨與噴錨網(wǎng)系列支護(hù)方案,采用樹脂錨桿,支護(hù)形式見圖7。

圖4 弓礦采準(zhǔn)巷道破壞形式

圖5 工字鋼拱架支護(hù)形式

圖6 巷道側(cè)壁圍巖破碎滑落

圖7 噴錨支護(hù)形式示意

但對于片幫冒頂破壞形式,通常發(fā)生于地壓大而圍巖軟破的地段,噴錨網(wǎng)支護(hù)所形成的承壓拱的強(qiáng)度,往往不能滿足穩(wěn)固巷道的要求,為此還需采取有效措施控制破壞性地壓的作用力度。

3 采動地壓控制技術(shù)

弓長嶺井下礦中央?yún)^(qū)每一分段的大規(guī)模地壓顯現(xiàn),均發(fā)生在靠近上盤的礦巖體內(nèi),如圖8所示。分析上盤側(cè)礦巖的受力條件,垂直靜壓力的主要來源是上盤圍巖楔形體的重量,而該楔形體的體積與采深的平方成正比,因此當(dāng)采深達(dá)到一定值后,上盤圍巖楔形體的壓力勢必隨采深的增大而加速增大。由于礦體傾角較大,該楔形體的壓力主要作用于楔形體下部的礦巖上,引起應(yīng)力集中,造成穩(wěn)定性較差圍巖的持續(xù)變形與大規(guī)模破壞。

圖8 -220m分段采準(zhǔn)巷道塌冒部位示意

為解決高應(yīng)力和不良巖層所產(chǎn)生的巷道圍巖破壞問題,必須尋求有效控制地壓的方法。一般說來,對于無底柱分段崩落法的采準(zhǔn)巷道,根據(jù)圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面特征、斷面大小、存留時(shí)間長短以及地壓活動強(qiáng)度等,采取光面爆破、適時(shí)支護(hù)、及時(shí)維修與快速回采等措施,可有效控制地壓破壞。但對于楔形體作用范圍之內(nèi)的采準(zhǔn)工程,由于應(yīng)力高度集中,當(dāng)?shù)V巖穩(wěn)固性較差時(shí),上述措施不足以控制地壓破壞,最好采用卸壓開采方法[6-8],避開楔形體的附加高應(yīng)力。具體說,要利用上分段沿脈進(jìn)路的回采空間為本分段沿脈巷道卸壓,即先回采上分段的沿脈進(jìn)路,形成卸壓(或減壓)條件后,再開掘本分段的沿脈巷道。

結(jié)合弓長嶺井下礦的礦巖條件,提出分段卸壓崩落法的采場結(jié)構(gòu)如圖9所示。基于該采場結(jié)構(gòu)的卸壓開采方案與以樹脂錨桿為主體的噴錨網(wǎng)支護(hù)形式,在弓礦使用效果良好,現(xiàn)今基本杜絕了上盤沿脈巷道的塌冒現(xiàn)象,保障了采礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

圖9 分段卸壓崩落法采場結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié) 論

(1)弓長嶺井下礦隨采深增大,其采準(zhǔn)巷道破壞機(jī)率與規(guī)模逐漸增大,主要原因是上盤圍巖楔形體附加力隨采深增大而加速增大的作用結(jié)果。

(2)現(xiàn)用工字鋼金屬拱架支護(hù)形式,隨著巷道破壞長度與破壞烈度的增大,已不再是弓礦有效而實(shí)用的支護(hù)方式。

(3)由于圍巖質(zhì)量與地應(yīng)力不同,弓礦采準(zhǔn)巷道地壓顯現(xiàn)主要呈現(xiàn)出3種類型:頂板拉伸破壞、頂板剪切破壞和片幫冒頂破壞。根據(jù)圍巖質(zhì)量與上部地壓顯現(xiàn)信息,可對所掘巷道可能的破壞類型做出評估,據(jù)此確定支護(hù)方案。

(4)試驗(yàn)表明,在弓礦條件下,對于頂板拉伸與剪切破壞類型,采用樹脂錨桿或噴錨支護(hù)方式效果良好;對于片幫冒頂破壞形式,需采用樹脂錨桿的噴錨網(wǎng)支護(hù)形式,圍巖破碎部位還需采取卸壓方法,避開楔形體的附加高應(yīng)力。

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2012-09-11)

ThiernoAmadouMouctarSow(1981-),男,幾內(nèi)亞人,博士生,主要研究采礦方法與采場地壓控制。