羅　虎

(馬鋼姑山礦業(yè)公司)

近年來，隨著金屬礦山地下開采深度逐漸增加，巷道圍巖所承受的地壓應(yīng)力及采動應(yīng)力越來越大，已有部分巷道逐步呈現(xiàn)出軟巖巷道特征[1-3]。軟巖巷道以其高地壓、大形變、難支護的特點，已成為井下開采作業(yè)中的一個難題。本研究以安徽和睦山鐵礦為例，針對該礦井下軟巖巷道的變形特征，對其支護方案進行設(shè)計和應(yīng)用。

1　工程概況

和睦山鐵礦由后和睦山和后觀音山2個礦段組成。后和睦山礦段采用誘導(dǎo)冒落法和無底柱分段崩落法開采，后觀音山礦段前期采用分段空場嗣后充填法開采，因礦巖穩(wěn)固性差，回采率底，后改為上向水平進路充填法開采并取得成功[4-6]。

和睦山鐵礦井下軟巖巷道多存在于后觀音山礦段，該礦段的主礦體為2#、3#礦體。2#礦體位于后觀音山礦段19#B～25#線，礦體賦存于閃長巖與灰?guī)r的接觸帶和近接觸帶的灰?guī)r中，礦體呈似層狀，局部膨脹，收縮較大，礦體產(chǎn)狀與接觸帶產(chǎn)狀大致一致，以磁鐵礦為主，上部灰?guī)r中的礦體主要為半假象赤鐵礦，少量為赤鐵礦。3#礦體位于后觀音山礦段20#～23#線，礦體賦存于灰?guī)r中，似層狀，以磁鐵礦為主，部分為半假象赤鐵礦、赤鐵礦。由于后觀音山礦段采礦多為進路布置，采區(qū)內(nèi)的軟巖巷道存在時間較長，受地壓應(yīng)力及采動應(yīng)力的影響較小，而承擔(dān)著礦石中段運輸?shù)乃竭\輸巷道所受的影響尤為明顯?？傮w上，后觀音山礦段-200 m水平上盤運輸巷及-300 m 水平上盤運輸巷發(fā)生的圍巖變形較為明顯。

后觀音山礦段-200 m水平發(fā)生變形的穿脈及運輸巷如圖1所示。-193 m水平采用上向水平分層充填法采礦[7-8]，先掘進上層巷道，巷道高度為3 m，巷道掘進完畢后再利用下層聯(lián)巷對下部3 m高的礦石進行反向拉底，最終礦房分層高度達到6 m，對于局部底板為礦石且不影響-200 m水平巷道運輸?shù)牡囟尉偷剡M行二次拉底，致使礦房高度最大可達8 m。如此便會使得礦房底部更接近-200 m水平，使得該水平所受到的影響范圍遠大于-193 m礦體界線。

后觀音山礦段-300 m水平發(fā)生變形的軟巖主要集中于-300 m上盤運輸巷及1#、2#穿脈(圖2)。-300 m水平以上開采的第1個分層為-295 m水平，該水平礦房總高度為7 m，上層掘進巷道高度為3 m，下層拉底巷道高度為4 m。如此便使得礦房底板標(biāo)高為-299 m，與-300 m水平更加接近，采礦活動對-300 m水平巷道的影響增大，使得該水平巷道所受的地壓應(yīng)力更大，變形更為明顯。受礦體傾角及周邊裂隙發(fā)育程度的影響，-300 m水平巷道的受損范圍較之上層-295 m礦體界線有所增大。該處圍巖性質(zhì)與-200m水平類似，圍巖風(fēng)化程度加劇，裂隙中填充的高嶺土、綠泥石、泥質(zhì)灰?guī)r在裂隙水的影響下發(fā)生膨脹，使得裂隙越發(fā)明顯。

圖1　后觀音山礦段-200 m水平巷道與

2　軟巖巷道破壞形式及變形機理

2.1　軟巖巷道破壞形式

后觀音山礦段軟巖巷道破壞形式為：

(1)頂板開落、垮落。由于采動應(yīng)力導(dǎo)致頂板受拉，節(jié)理開裂并逐漸增大，最后導(dǎo)致頂板冒落。此外，由于進路頂板處于礦巖接觸帶或斷層破碎帶中，巖性變化較大，處于其中的軟巖夾層承載力極低，在剪切應(yīng)力的影響下，極易發(fā)生破壞，并沿剪切滑移線脫落，形成較大的楔形破壞體[9]。

(2)幫部壓剪破壞?；夭蛇^程中，距回采工作面8～10 m處的進路為應(yīng)力升高區(qū)，該處進路承受礦石崩落向幫部傳遞的支承壓力以及退采過程引起的應(yīng)力，兩者疊加在數(shù)值上能夠達到原巖應(yīng)力的3倍左右，往往超過幫部圍巖的極限承載能力，從而導(dǎo)致幫部圍巖受剪、擠出[9]。

(3)巷道底鼓。巷道圍巖體在采動應(yīng)力與地下水的影響下呈現(xiàn)軟巖特性，進路底板隆起，兩幫被剪壞，同時伴隨頂板下沉，導(dǎo)致整個進路斷面逐漸變形縮小，由于幫部進路破壞導(dǎo)致錨固失效，錨桿端部脫離巖面，托盤受擠壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)[9]。

2.2　軟巖巷道變形機理

(1)地壓應(yīng)力場壓力大及上層采礦活動。-200 m 水平巷道受到地壓應(yīng)力作用以及上層-193m 水平采礦活動加劇的影響，加之周邊放礦和運輸影響較大，導(dǎo)致-200 m水平巷道圍巖形變進一步加劇。

圖2　后觀音山礦段-300 m水平巷道及-295 m水平礦體疊加示意

(2)圍巖力學(xué)性能差。-200 m水平變形巷道的圍巖為泥化閃長巖，其孔隙率低、裂隙開度較小，風(fēng)化、泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，普氏硬度系數(shù)f=2～4，風(fēng)化速度快，穩(wěn)定性差。

(3)水的因素。-200 m水平巷道頂板有淋水現(xiàn)象，上部充填料漿濃度較低，含水量較大，充填漿液中的水析出后經(jīng)圍巖縫隙下滲至-200 m頂板，水的侵蝕使得巷道頂部、底板巖石發(fā)生軟化、膨脹，巷道收縮現(xiàn)象明顯。

(4)支護方式選擇不當(dāng)。后觀音山礦段前期采用分段空場嗣后充填法開采，首采分層為-187 m水平，距-200 m水平較遠，-200 m水平受采動應(yīng)力影響較小，未發(fā)生變形，為節(jié)約成本，僅采用素噴或局部錨網(wǎng)噴支護。錨桿錨固段的巖性為泥化閃長巖，使得錨桿的錨固力降低，導(dǎo)致局部錨桿脫錨失效，加之后期圍巖風(fēng)化加劇，使得錨桿的錨固作用未得到充分發(fā)揮。

3　巷道聯(lián)合支護方案

為保證-200，-300 m運輸巷及穿脈正常使用，以往采用錨網(wǎng)噴配合頂部鋼帶支護，并采用錨索進行加固，底板澆筑300 mm的混凝土墊層。但在巷道后期使用過程中，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫和頂部受壓發(fā)生下沉，由于不同部位巖性有所差異，導(dǎo)致受力不均，發(fā)生頂部垮落、兩幫開裂、脫落，而底板受擠壓隆起形成底鼓，致使巷道斷面縮小，車輛和行人無法通行，大大影響了礦石運輸及行人安全(圖3)。

圖3　巷道變形示意

根據(jù)后觀音山礦段-200，-300 m水平巷道圍巖性質(zhì)及現(xiàn)場施工條件，本研究采用包含U型鋼棚[3]+局部反底拱的支護方案進行巷道加固施工，具體施工流程如下。

3.1　管線保護

后觀音山礦段-200，-300 m水平運輸巷內(nèi)有各種電纜管線通過，該類管線密切關(guān)系著采區(qū)的生產(chǎn)和施工。對于可以拆除的架空線、照明線應(yīng)進行拆除，對于剩余管線，應(yīng)就地掩埋保護。首先在巷道管線一側(cè)下部開挖1條深60 cm、寬50 cm的小溝，下鋪10 cm厚沙土，將管線放于其上，上覆沙土，填至50 cm深處，上方再加蓋水泥蓋板，蓋板厚度為5 cm，上層再覆沙土。

3.2　巷道分段

由于軟巖巷道各段的變形特征有所不同，為節(jié)約費用、縮短工期，本研究將變形巷道劃分為使用鋼支架支護和不使用鋼支架支護兩類。使用鋼支架支護的巷道斷面規(guī)格為3 700 mm×3 550 mm(圖4(a))，不使用鋼支架支護的巷道斷面規(guī)格為3 200 mm×3 250 mm(圖4(b))，兩類巷道斷面的中心線保持一致。

圖4　巷道斷面示意(單位：mm)

3.3　變形巷道初次支護

(1)頂幫錨網(wǎng)噴支護。采用鋼筋托梁加錨桿、鋼筋網(wǎng)進行支護，錨桿規(guī)格為φ20 mm×1 800 mm，間排距為700 mm×800 mm，錨桿錨固力不小于100 kN，預(yù)緊力不小于50 kN。鋼筋托梁頂托梁規(guī)格為2 900 mm×80 mm，幫部托梁規(guī)格為2 200 mm×80 mm。鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm螺紋鋼焊接，網(wǎng)片規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接長度為100 mm。噴射混凝土強度等級C25，配合比為1∶2∶2，摻3%～5%速凝劑，初噴厚度為50 mm。

(2)壁后充填注漿加固。在2排錨桿之間打孔預(yù)埋規(guī)格為φ38 mm×600 mm注漿管，水泥型號為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶0.8，水玻璃摻量為水泥用量的20%，風(fēng)鉆打眼，孔徑φ45 mm，孔深為2 m(首先打1 m深鉆孔，注漿完畢且穩(wěn)定后進行掃孔延伸至2 m)，間排距為1.4 m×1.6 m，漿液固結(jié)體強度不小于20 MPa。

(3)頂板錨索加固。在錨網(wǎng)噴支護和壁后充填支護施工完畢后，對巷道頂板進行錨索加固，拱幫交界處各打1根錨索，穿脈交匯處斷面較大，可追加1根錨索用于加強該處圍巖穩(wěn)定性，錨索長度為6 300 mm。

3.4　鋼支架支護

對于不使用鋼支架支護的變形巷道，本研究采用U29型鋼支架進行支護，排距為700 mm(圖5)。

由于-300 m水平巷道變形較-200 m水平巷道更為明顯，因此本研究在對-300 m水平巷道進行修復(fù)加固時，加設(shè)了反底拱結(jié)構(gòu)，即對需要修復(fù)的巷道進行起底，將底板臥成反底拱形結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)φ6 mm雙層鋼筋網(wǎng)，澆筑700 mm厚混凝土，形成反底拱結(jié)構(gòu)(圖6)，同時完成水溝砌筑。

圖5　U29型鋼支架支護斷面示意(單位：mm)

圖6　巷道斷面反底拱加固結(jié)構(gòu)(單位：mm)

U型鋼支架兩側(cè)幫柱采用上下2根錨桿進行錨固，錨桿長度為2 000 mm，上部錨桿固定位置距底板1.5 m，垂直于幫柱固定；下部錨桿距底板0.5 m，方向下傾30°。U型鋼拱頂與兩側(cè)幫柱用搭接錨栓進行固定，搭接長度為500 mm[10]。巷道斷面支護的U型鋼支架固定結(jié)構(gòu)如圖7所示，U型鋼支架與反底拱支架構(gòu)成的整體支護結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7　巷道斷面U型鋼支架固定結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖8　U29型鋼支架與反底拱支架整體效果

在U型鋼支架與圍巖之間離縫較大處墊上背板，以確保支架與圍巖接觸密實，防止支架局部受力集中。在U型鋼支架與圍巖之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm螺紋鋼焊接，網(wǎng)片規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，鋼筋網(wǎng)片需固定于U型鋼上。鋼筋網(wǎng)片之間的搭接量不小于100 mm，搭接處用雙股8#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接，并固定于U型鋼支架上。在鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)完畢后，應(yīng)及時噴射混凝土(強度等級C20)，配合比為1∶2∶2，摻3%～5%速凝劑，噴護厚度約150 mm。此外，相鄰2排U型鋼支架采用φ16 mm圓鋼拉桿連接，以提高支架的整體穩(wěn)定性。為充分發(fā)揮U型鋼支架與反底拱結(jié)構(gòu)的支護效果，在安裝支架過程中，對鋼架壁后縫隙較大處提前設(shè)置一定數(shù)量的注漿管道，注漿管直徑為38 mm，長為300～500 mm，具體取值視縫隙大小而定[10]。

3.5　鋼支架穩(wěn)固及整體噴漿

在對反底拱底板進行澆筑前，首先將掩埋保護的電纜起出掛墻，將巷道底板上的噴漿回彈料進行清理，以免影響底板澆筑質(zhì)量。為保護巷道底腳及確保鋼支架穩(wěn)固，對鋼支架下部進行角鋼焊接支撐，一方面能夠保持鋼支架垂直于巷道底板，另一方面也可保證鋼支架處于固定位置。由于使用U型鋼支架支護的巷道斷面規(guī)格大于鋼支架規(guī)格，待鋼支架安裝完畢后，兩者之間存在較大空隙，將使用鋼支架和不使用鋼支架支護的巷道斷面底板標(biāo)高調(diào)整至一個水平后，對鋼支架全斷面進行噴漿，使得鋼支架與所在巷道形成一個整體。待上述施工完畢后，可進行墊渣鋪軌，安裝架空線，投入使用巷道。

4　結(jié)　語

針對安徽和睦山鐵礦后觀音山礦段-200，-300 m 水平軟巖巷道圍巖破壞形式及變形機理，為有效控制巷道圍巖變形，設(shè)計了包含U型鋼棚、反底拱、壁后注漿、錨網(wǎng)噴、錨索等工藝的聯(lián)合支護方案。研究表明，相對于單一錨網(wǎng)噴工藝，該方案施工流程較復(fù)雜，施工難度較高，但該方案實施后，巷道圍巖變形得到了有效控制，巷道無需進行返修，不僅縮短了巷道施工工期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且延長了巷道服務(wù)年限。

[1]趙西華，杜恒偉.淺談軟巖巷道的破壞原因及對策[J].山東煤炭科技，2013(4)：232-233.

[2]楊永亮，孔祥義，王君燁.軟巖巷道支護技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2009，28(2)：60-61.

[3]馬海濤，李崗，丁國鋒.U型鋼棚支護效果優(yōu)化[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(3)：193-194.

[4]朱文龍.和睦山鐵礦高應(yīng)力軟巖巷道聯(lián)合支護方案[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(9):218-220.

[5]李國平，賈豐杰，高杰.和睦山鐵礦采礦進路斷面尺寸優(yōu)化與支護設(shè)計[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(2)：23-26.

[6]郎永忠，陳能革.多分層同步上向水平進路采礦法在和睦山鐵礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(8)：7-10.

[7]馬文標(biāo)，劉明許，徐萬壽，等.點柱式上向分層充填法在大紅山鐵礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(3)：15-17.

[8]楊悅增，許國良，何少傅，等.夏甸金礦上向水平分層充填法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2017(7)：42-46.

[9]齊彪.基于時效特性軟巖采礦進路圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[10]羅虎.U型鋼棚加反底拱層級支護技術(shù)在某金屬礦山的應(yīng)用[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2017(3)：43-46.