竇梅林

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司西石門鐵礦)

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西石門鐵礦殘礦回采復(fù)雜圍巖巷道掘支技術(shù)

竇梅林

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司西石門鐵礦)

摘要西石門鐵礦采用平底塹溝底部結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)冒落法開采下盤殘礦，由于下盤圍巖軟破且受原采空區(qū)的影響，采準(zhǔn)工程的掘進(jìn)與維護(hù)均十分困難。為解決該問題，在調(diào)查分析殘采巷道破壞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將殘礦采準(zhǔn)工程分為3類：①實(shí)體軟破圍巖，該類圍巖多半采動應(yīng)力大，且應(yīng)力方向變化復(fù)雜，巷道開挖后支護(hù)拱架扭曲變形嚴(yán)重，為減緩變形速度和調(diào)節(jié)應(yīng)力方向，采用噴錨網(wǎng)+U型可縮性金屬拱架聯(lián)合支護(hù)形式；②散體圍巖，該類圍巖多為矽卡巖+粉礦，雖經(jīng)過一定的沉實(shí)作用，巷道掌子面能夠立住，但開挖后頂板易坍塌，為此采用超前錨桿+U型可縮性金屬拱架結(jié)合支護(hù)形式；③巷道穿過冒落空區(qū)，此時空區(qū)高度多為5～7 m，寬3～5 m，頂板易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，為此設(shè)計(jì)采用整體拱棚支護(hù)技術(shù)。上述措施實(shí)施后，西石門鐵礦殘礦回采工程的穩(wěn)定性得到了有效控制，改善了礦井安全生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜殘礦的安全回采。

關(guān)鍵詞殘礦回采軟破圍巖散體圍巖冒落巷道支護(hù)整體拱棚

西石門鐵礦為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體背斜，軸部傾角平緩，礦體兩翼傾角一般10°～30°，厚1.2～30 m，平均15.13 m。礦體不穩(wěn)定到穩(wěn)定，頂板圍巖為奧陶紀(jì)灰?guī)r，中等穩(wěn)定到不穩(wěn)定；底板圍巖為燕山期閃長巖，穩(wěn)定到中等穩(wěn)定。在礦體與底板圍巖之間，賦存1層厚0～10 m的矽卡巖，極不穩(wěn)定。礦區(qū)分南、北、中三區(qū)開采，采礦方法經(jīng)多次優(yōu)化定型為無底柱分段崩落法，經(jīng)20多a的開采，開采階段從230 m水平降至40 m水平。開采過程中有民采破壞礦體以及有底柱采場的頂柱、底柱、間柱以及部分零星小礦體作為殘礦殘留于采場中，礦量可觀。起初該類殘礦資源多作為生產(chǎn)緊張時的儲備礦量進(jìn)行補(bǔ)充開采，隨著開采向深部進(jìn)行，常規(guī)礦體資源消耗過快，現(xiàn)今殘礦回采已成為礦山產(chǎn)量的主體組成部分。礦山采用平底塹溝底部結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)冒落法進(jìn)行殘礦回采，需在下盤布置進(jìn)路、出礦聯(lián)巷等采準(zhǔn)工程，采準(zhǔn)工程的穩(wěn)定性直接決定了殘礦回收的成敗。由于殘采采場下盤巖性軟弱破碎且存在空區(qū)破壞，礦山以往單純采用U型鋼拱架及錨噴網(wǎng)支護(hù)無法滿足要求，部分部位出現(xiàn)拱架扭曲變形、巷道冒落、掘進(jìn)遇到散體圍巖等問題，使得殘采采準(zhǔn)工程掘進(jìn)與維護(hù)均十分困難。為解決殘采過程中的掘支難題，本研究在分析殘采巷道破壞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對相應(yīng)的掘進(jìn)支護(hù)措施進(jìn)行探討。

1掘進(jìn)支護(hù)存在的問題及原因

1.1存在問題

隨著民采破壞礦體開采深度的加大以及淺部殘采采場大范圍的展開，受地壓大、巖體穩(wěn)定性差等因素的影響，以往使用的支護(hù)形式已無法適應(yīng)礦山生產(chǎn)要求，加之淺部民采活動的影響，導(dǎo)致生產(chǎn)中出現(xiàn)了以下問題：①礦體包含空區(qū)較多，部分地段地壓較大，同時，緊貼礦體下盤的矽卡巖松軟易變形、承壓能力弱。此時，U型可縮性金屬拱架部位常出現(xiàn)拱架前傾、彎曲、偏移現(xiàn)象，部分拱架腿扭曲變形嚴(yán)重(圖1)，甚至經(jīng)多次修復(fù)，仍無法改善。使用噴錨網(wǎng)支護(hù)的部位，噴錨網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體脫離巷道表面，噴層開裂掉塊(圖2)。②各采區(qū)殘采采場在掘進(jìn)過程中常遇到較大冒落區(qū)或民采塌方區(qū)，其大多被冒落的散體充填，雖經(jīng)過一定時間的沉實(shí)作用，巷道掌子面能夠立住，但開挖后頂板易坍塌，許多巷道被堵塞廢棄。③采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)過程中常出現(xiàn)頂板突然冒落的現(xiàn)象，尤其是矽卡巖化磁鐵礦與底板矽卡巖層交界的部位，在巷道頂部出現(xiàn)大面積空洞(圖3)，高度可達(dá)5～7 m，寬3～5 m，在該條件下作業(yè)，存在頂板掉塊的安全隱患，另外，空洞過大時常繞道施工，工程量較大。

1.2原因分析

(1)支護(hù)方式與支護(hù)環(huán)境不適應(yīng)。U型可縮性金屬拱架具有較高的初始支撐力，可提供較大的支護(hù)阻力，拱架的可收縮性可自行適應(yīng)圍巖變形進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，且經(jīng)過大變形后仍可保持足夠的承載能力，但在支護(hù)初期拱架與巷道邊壁貼合不緊密，往往形成點(diǎn)支護(hù)狀態(tài)，拱架局部受力，易變形[1]。在多空區(qū)礦體中，存在局部礦段地壓明顯增大、地壓作用方向變化復(fù)雜等問題，更易造成拱架受力不均，使得支護(hù)拱架出現(xiàn)傾倒、彎曲變形等現(xiàn)象。

圖1　拱架破壞(二次支護(hù))

圖2　錨噴支護(hù)破壞

圖3　掘進(jìn)冒落形成空洞

(2)礦山多空區(qū)狀態(tài)引起地壓增大。從巖體力學(xué)角度來講，我國金屬礦山中僅個別礦山地壓活動是由原巖應(yīng)力高所致，大部分礦山地壓活動的根源是存在于巖體中的采空區(qū)[2]，空區(qū)引起的高地壓主要表現(xiàn)在：①采空區(qū)頂板冒透地表，在失去頂部支撐后應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，引起井下局部礦段采動壓力急劇增大[3]。②多空區(qū)礦體中采空區(qū)的存在引起空區(qū)周圍應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中于空區(qū)之間的不規(guī)則礦柱上，導(dǎo)致地壓增大。

(3)圍巖穩(wěn)定性差。礦體圍巖穩(wěn)定性差主要受巖性影響，礦體下盤圍巖主要為矽卡巖和蝕變閃長巖，屬軟巖，其巖性松軟、易風(fēng)化，遇水泥化嚴(yán)重，若被揭露后不及時支護(hù)，在空氣中會以較快的速度膨脹變形，形成表面破碎層，不再具備支護(hù)力，噴漿后易產(chǎn)生噴層脫落。另外，圍巖承壓能力弱，受爆破振動、地壓等因素影響，裂隙及破碎帶更易向巖體內(nèi)部發(fā)展，形成破碎松動圈，導(dǎo)致頂板變形碎裂，產(chǎn)生冒落、片幫及錨桿托盤松動等現(xiàn)象。

(4)支護(hù)施工不及時。圍巖破碎、風(fēng)化水解迅速，需及時支護(hù)。噴錨網(wǎng)支護(hù)具有快速提供連續(xù)支撐力、保持和提高巖體抗剪強(qiáng)度、充分發(fā)揮圍巖自承能力等優(yōu)點(diǎn)，但施工工序多，及時性不易保證，直接影響了噴錨網(wǎng)的支護(hù)質(zhì)量及其作用的長效性。

2巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)

2.1實(shí)體軟破圍巖巷道

在西石門殘采采場，圍巖軟弱破碎及由于空區(qū)的存在造成局部地壓增大是影響巷道穩(wěn)定的兩大因素，為此，對于二者同時作用的部位，采用噴錨網(wǎng)+U型可縮性拱架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。拱架安裝時需緊貼巷道斷面，背部充填半圓木，拱架間焊接連桿，提高拱架整體性。施工時，首先及時施工噴錨網(wǎng)，然后施工U型可縮性金屬拱架，如此既可保證較高的支護(hù)強(qiáng)度，又允許產(chǎn)生較大的變形量，可滿足巷道服務(wù)期間的支護(hù)持續(xù)性要求。噴錨網(wǎng)+U型可縮性拱架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)：①具有充分發(fā)揮U型鋼拱架及錨桿高支護(hù)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)主、被動聯(lián)合支護(hù)[4]。②增大或充分利用U型鋼拱架的可伸縮性，利用錨桿的高讓壓性外錨結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)U型鋼拱架在高支護(hù)阻力工作狀態(tài)下的同等大變形。③利用U型鋼拱架與錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)U型鋼支架與錨桿間的協(xié)調(diào)支護(hù)[5]。目前，該支護(hù)措施已被應(yīng)用于地壓顯現(xiàn)部位較多的采場，以往多次支護(hù)的現(xiàn)象明顯減少(圖4)。

圖4　南二區(qū)噴錨網(wǎng)+U型拱架支護(hù)情況

噴錨網(wǎng)+U型可縮性金屬拱架聯(lián)合支護(hù)中的錨噴支護(hù)采用雙筋條+管縫錨桿支護(hù)，錨桿長1.8 m，直徑43 mm，每排6～8根，間距0.8～1 m，排距1 m。錨桿、雙筋條安裝之后進(jìn)行噴漿支護(hù)，分3次，1次噴厚30～50 mm，拱為20～40 mm，最終噴厚達(dá)80～100 mm。噴層間歇時間一般為10～15 min，間隔2 h以上時應(yīng)先噴水，再噴漿。噴頭應(yīng)與巖面垂直，確保噴頭與巖面之間留有800～1 200 mm的距離。噴漿完畢2 h后進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于10 d。采用20Mn-25型U型鋼，拱架間距原則上為600～800 mm，穩(wěn)固性差的地段應(yīng)減小拱架間距，柱腿焊規(guī)格為200 mm×150 mm×100 mm的鋼墊板，防止拱架下陷造成不穩(wěn)。拱架上部間隙用對開木或圓雜木充填，間隙1 m以上的充填應(yīng)與圍巖緊密接觸，梁腿搭接量不少于300 mm。

2.2沉實(shí)散體圍巖

在各采區(qū)掘進(jìn)過程中易揭露較大冒落區(qū)或民采塌方區(qū)，區(qū)內(nèi)多充填散體。以往掘進(jìn)工程遇散體時便停掘，與多采空區(qū)礦體條件不相適應(yīng)，需解決散體巷道支護(hù)技術(shù)問題。當(dāng)空區(qū)內(nèi)散體為松散狀時，具有較好的流動性，巷道穿過散體的難度較大；當(dāng)散體壓實(shí)時巷道掌子面盡管能夠立住，但開挖后頂板易坍塌。西石門鐵礦空區(qū)揭露的散體多為壓實(shí)散體(圖5)，在考慮散體層支護(hù)的特殊性、U型拱架支護(hù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用U型拱架與超前錨桿相結(jié)合的支護(hù)方案。該方案將超前錨桿預(yù)先布置于巷道掌子面前端，以一定向上傾角沿巷道眉線打入散體堆，起到預(yù)支護(hù)作用，增強(qiáng)前端散體的整體性，防止散體堆出現(xiàn)大的有害變形或塌落，為拱架支護(hù)作業(yè)提供條件(圖6)。U型拱架作為支護(hù)主體，具有強(qiáng)度大、允許有大變形、可承受較大壓力的特點(diǎn)，保證巷道在服務(wù)期內(nèi)不發(fā)生破壞。同時，拱架結(jié)構(gòu)利于保持巷道整體形狀，可為散體巷道內(nèi)作業(yè)人員提供安全空間。超前錨桿的具體長度視圍巖破碎情況而定，一般情況下取2.5 m，圍巖特別破碎時取4 m。超前錨桿外露0.1 m，端部預(yù)留1 m，錨桿傾角10°～25°[6]，每排布置10～20根。一般將錨桿預(yù)留處與進(jìn)路頂板垂直相交的部位作為下排超前錨桿的布置位置。當(dāng)散體壓實(shí)較緊密時，超前錨桿的間距可適當(dāng)取大一些；反之，應(yīng)減小錨桿間距。巷道過散體層拱架間距設(shè)計(jì)為0.6～0.8 m，但視具體情況各有不同，最大1 m，最小約0.2 m，一般情況下，每2～3排拱架布置1排超前錨桿，拱架背部用半圓木充實(shí)，確保拱架與頂板緊密接觸，另外兼具阻擋碎石掉落傷人功能。在施工支護(hù)之前，應(yīng)及時噴漿，封閉巖石，減少圍巖風(fēng)化。目前，巷道過散體層技術(shù)在西石門鐵礦南北區(qū)多空區(qū)礦體采場中得到了成功應(yīng)用，該技術(shù)安全有效地解決了散體巷道的支護(hù)難題，使冒落空區(qū)殘礦得到了有效回收。

2.3過冒落區(qū)

除軟破巖體及空區(qū)冒落形成的散體巷道外，在西石門南北區(qū)采準(zhǔn)巷道內(nèi)還經(jīng)常發(fā)生矽卡巖夾層局部大冒頂?shù)默F(xiàn)象，冒頂高度常達(dá)5～7 m，寬3～5 m。發(fā)生冒頂時，一般先蹬碴噴漿護(hù)頂，再清理碴堆，并在冒落區(qū)下部架設(shè)金屬拱架，拱架上部填塞圓木封頂。由于矽卡巖破碎，冒落不易完全控制，在噴漿時易掉塊傷人，此外，在冒頂區(qū)下部清理冒落碴與架設(shè)支架時，噴層易發(fā)生局部脫落現(xiàn)象，由此造成噴漿與架設(shè)支架工作的安全條件差，易發(fā)生掉塊傷人事故，致使巷道冒頂后往往得不到及時處理而常常報(bào)廢。

圖5　殘采采場揭露空區(qū)散體

圖6　超前錨桿布置

為此，提出采用整體拱棚過局部冒頂區(qū)方案(圖7)進(jìn)行處理。該方案采用的金屬拱架高3 m，寬3 m，拱架間距1 m，1次焊接4架連成一體，形成長3 m的整體拱棚。工作人員不進(jìn)入冒頂區(qū)作業(yè)，在冒頂區(qū)外先進(jìn)行冒頂區(qū)一側(cè)排險撬頂，防止頂板掉塊，利用鏟運(yùn)機(jī)將用螺紋鋼焊接成整體的可縮性金屬拱架推進(jìn)至冒頂區(qū)內(nèi)，在冒頂區(qū)一側(cè)，人員站立于鏟運(yùn)機(jī)鏟斗上，向支架上方插入半圓木進(jìn)行密封作業(yè)，形成整體棚架，使冒落區(qū)巷道暢通。該方案將可縮性金屬拱架焊接成一體，不但大大增強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度，而且使得該整體支架仍具有可伸縮性，利于壓力釋放，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。此外，拱架頂部的密實(shí)圓木形成了有效的密封空間，保護(hù)了拱架內(nèi)作業(yè)人員及設(shè)備的安全，同時使拱架受力均勻，避免了應(yīng)力集中。總體來講，該方案滿足了快速處理局部冒頂事故的要求，已應(yīng)用于南二區(qū)72 m 水平殘采采場，成效顯著。

3結(jié)語

西石門鐵礦為含不穩(wěn)巖層的難采礦體，20世紀(jì)已回采的區(qū)域遺留下的大量殘礦適合用平底塹溝底部結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)冒落法開采，采準(zhǔn)工程主要布置于礦體的下盤，礦山所用的可縮性金屬拱架支護(hù)形式已無法滿足下盤軟破且受采空區(qū)影響的圍巖穩(wěn)固要求，為此，根據(jù)圍巖破壞特點(diǎn)，改進(jìn)了支護(hù)形式，取得了較好的效果，可供類似礦山參考。

圖7　整體拱棚

參考文獻(xiàn)

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Route Excavation and Supporting Technology of Complex Surrounding Rock in the Mining of Residual Ore in Xishimen Iron Mine

Dou Meilin

(Xishimen Iron Mine,Minmetals Hanxing Mining Co.， Ltd.)

AbstractResidual ore is mined by the induced failing mining method which with trench bottom structure in Xishimen iron mine.The mining engineering excavation and maintenance are very difficult,which is caused by the broken rock and original gobs.In order to solve the above problems,based on the investigation and analysis of the tunnel damage characteristics, the mining engineering of residual ore is divided into three types:①Entity soft broken surrounding rock,the mining stress of the most of the entity soft broken surrounding rocks is large,and the direction changes of mining stress is complex,the distortion of the supporting arch after excavating is serious,the spray anchor net combined with U-shaped retractable metal arch supporting method is adopted to reduce the deformation speed and adjust the direction of mining stress.②Granular surrounding rock,it is composed with skarn and ore powder.Although after a certain gravity effect,the funnel face can keep stable,but after the excavation,the roof is easy to collapse,therefore,the leading bolt anchor plus U-shaped metal arch is adopted.③The roadway through the falling empty zone,the height of falling empty zone is 5～7 m,the width is 3～5 m,the roof is easy to fall off,so the integral metal arch supporting technology is adopted.The stability of the residual ore mining engineering of Xishimen iron mine is controlled effectively,the mining production condition is improved and the safety mining of complex residual ore is realized by taking the above measures.

KeywordsResidual ore mining, Soft broken surrounding rock, Granular surrounding rock, Support of rock-fall roadway, Integral metal arch

(收稿日期2015-11-01)

竇梅林(1967—)，男，總工程師，高級工程師，056303 河北省武安市。