王 耀

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

1 前言

贊比亞謙比希銅礦是世界著名的沉積巖型礦床，1998年被中國有色集團(tuán)收購，礦山現(xiàn)由中國有色非洲礦業(yè)有限公司經(jīng)營管理。謙比希銅礦井下開采主要有主礦體和西礦體。

謙比希主西礦體突出特點水大，統(tǒng)計每天排水量近50 000m3，井下巖體裂隙發(fā)育、巖石較為破碎，局部地區(qū)地應(yīng)力較大，地壓顯現(xiàn)給礦山安全回采帶來了較大威脅，必須采取可靠支護(hù)工藝才能確保礦山安全回采。

2 礦山基本情況概述

2.1 工程地質(zhì)條件

謙比希主西礦體礦石儲量大，礦體走向約2 000m，向下延伸超過1 000m，平均厚度約8～20m，屬于中厚礦體。礦石含銅主要以硫化銅、斑銅礦等形式存在，地質(zhì)品位約2.2%，礦石密度約2.7kg/m3。

礦床自下盤開始為底盤礫巖、長石石英巖、中礫巖剪切帶、泥質(zhì)石英巖、基底花崗巖、含礦頁巖、白云質(zhì)片巖板巖、石英巖底板(隔水層)、含水層。區(qū)內(nèi)含礦頁巖可以進(jìn)一步劃分為三部分，即底板片巖、泥質(zhì)板巖礦體和頂盤礦化泥質(zhì)板巖。巖層中發(fā)育石英、白云石、方解石脈。該層形成剪切帶，斑銅礦和黃銅礦形成豆夾狀的角礫，并被白云石泥質(zhì)片巖包裹。

謙比希礦體和圍巖硬度較大，但層理極其發(fā)育，層理面有充填蝕變礦物質(zhì)，結(jié)合和黏結(jié)性差，巖體整體完整性很差，在這種大水的礦床中，水對層面膠結(jié)物有軟化和水化作用，強(qiáng)度會進(jìn)一步降低。一些含砂巖和礫巖層在有水情況下，在沒有“包裹”或阻擋情況下，像泥石流一樣流出。因此采礦作業(yè)之前必須進(jìn)行礦床疏干，確保礦體或巖體能夠處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)謙比希銅礦現(xiàn)場工程揭露和研究結(jié)果，將采區(qū)周邊圍巖劃分為五個工程地質(zhì)巖組:基底花崗巖組、長石石英巖組、礦化板巖、礫巖組、砂層。采用RMR分類標(biāo)準(zhǔn)，上述工程地質(zhì)巖體分級見表1。

表1 巖體質(zhì)量分級結(jié)果

評價結(jié)果：主要工程巖組的穩(wěn)定性狀況為基底花崗巖、長石石英巖Ⅱ級，穩(wěn)定性良，礦化板巖、礫巖和砂層為Ⅴ級，穩(wěn)定性劣，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，確保安全回采。

2.2 礦山井下開采情況

謙比希礦年生產(chǎn)能力約200萬t礦石，其中主礦體100萬t，西礦體100萬t，主西礦體均采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，主礦體中段高度200m，西礦體中段高度150m，斜坡道連接各分段巷道，分段內(nèi)礦塊沿礦體走向布置；井下機(jī)械化作業(yè)程度比較高，主要作業(yè)設(shè)備有鑿巖臺車、裝藥臺車、大型鏟運機(jī)、支護(hù)臺車、濕噴臺車等。

根據(jù)工程地質(zhì)條件不同，井下主西礦體分為幾大采區(qū)，分別采用了不同的采礦工藝方法。主要有：(1)主礦體500m中段東采區(qū)(礦體傾角30°～45°)，礦體水基本疏干，上向水平分層充填法采礦；主礦體500m中段西采區(qū)(礦體傾角45°左右)，礦體水相對疏干，無底柱分段崩落法采礦。(2)主礦體700m中段東采區(qū)(礦體傾角約60°)，礦體水基本疏干，上向水平分層充填法采礦；主礦體700m中段西采區(qū)(礦體傾角60°左右)，礦體水相對疏干，空場嗣后充填法采礦。(3)主礦體900m中段東采區(qū)(礦體傾角約80°)，礦體水相對疏干，上向水平分層充填法采礦；主礦體900m中段西采區(qū)(礦體傾角80°左右)，礦體水相對疏干，空場嗣后充填法采礦。(4)西礦體采區(qū)(礦體傾角30°左右)，礦體水相對疏干，上向水平分層充填法采礦。

3 礦山井下聯(lián)合支護(hù)工程實踐

3.1 礦山地下開采巖石地壓顯現(xiàn)特征

謙比希礦井下采場與巷道主要破壞方式：①在結(jié)構(gòu)面相對完整的巖體中，由于巖體節(jié)理切割作用，巖石失去整體性而變得松動，形成楔形體冒落；②在節(jié)理發(fā)育的軟弱地層以及水侵蝕的巖體，巷道頂部存在冒落，巷道兩側(cè)片幫現(xiàn)象；③在層理發(fā)育的層狀巖體中，上盤圍巖巖體沿層理弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，形成局部塌落；④裂隙有砂礫巖充填物的巖石中，因充填物膠結(jié)強(qiáng)度差，造成局部范圍垮落；⑤“十”型交叉巷道結(jié)構(gòu)型的垮落。

3.2 地下采礦支護(hù)方式分類及支護(hù)原理

地下開采按照支護(hù)特性主要分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)。

(1)剛性支護(hù)。能密貼圍巖或深入到巖體內(nèi)部，有效地發(fā)揮圍巖自承能力，允許圍巖有一定變形而不破壞，甚至同被加固的巖體作整體運動時仍能保證相當(dāng)大支護(hù)抗力的支護(hù)措施。包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)及噴錨(網(wǎng))復(fù)合支護(hù)等。

(2)柔性支護(hù)。為限制圍巖位移過大、防止有害松動、保持圍巖穩(wěn)定性而采取的支護(hù)措施。包括鋼支撐、木支撐、混凝土襯砌及覆噴混凝土等。主要作用是提供大于圍巖發(fā)生破壞產(chǎn)生的最小松動壓力的支護(hù)抗力，從而提高支護(hù)安全度。

以上幾種支護(hù)方式支護(hù)原理[1]如下：

1)錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)作用理論主要有3種：①懸吊作用，即錨桿將礦巖表面的不穩(wěn)定巖層或者巖塊，通過桿體懸吊在深處基巖上，使其不脫落，適用于采場頂板整體性較好的巖層；②組合梁作用，即采場頂板如果是層狀巖層，錨桿將若干薄巖層錨緊，使層間摩擦力和頂板抗彎強(qiáng)度增大，以增加頂板的穩(wěn)定性，適用于沉積巖層；③擠壓加固作用，即在發(fā)育巖體巖層中，在錨桿預(yù)應(yīng)力作用下，使頂部破碎區(qū)域巖塊互相擠壓一定厚度的連續(xù)均勻壓縮帶，壓縮帶不僅維持自身穩(wěn)定，而且有承載能力，適用于節(jié)理裂隙破碎巖體。

2)錨索支護(hù)

錨索不單純具有懸吊作用，在一定程度上，錨索的作用機(jī)理與錨桿是一致的，具有懸吊、擠壓加固等作用，錨固作用范圍比錨桿更大，一般用于加強(qiáng)支護(hù)。

3)金屬網(wǎng)支護(hù)

金屬網(wǎng)一般是在巖石十分破碎情況下使用，可以有效預(yù)防頂板碎石的冒落，金屬網(wǎng)可以把大量錨桿聯(lián)結(jié)在一起，增加了整體穩(wěn)固性。

4)噴漿支護(hù)

噴漿支護(hù)主要有3種作用：①結(jié)構(gòu)作用(加固、組合)，即噴層具有良好的物理力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度較高，因此能起到結(jié)構(gòu)支撐作用同時由于噴層具有一定的柔性，可以產(chǎn)生一定變形；②封閉作用，即噴層封閉圍巖表面，完全隔絕了空氣、水與圍巖的接觸，有效地防止風(fēng)化作用所造成的圍巖破壞和剝落；③充填作用，噴射混凝土以很高的速度射入巖體張開的節(jié)理裂隙，把松動的巖塊黏結(jié)、充填起來，產(chǎn)生黏結(jié)作用，大大提高圍巖的整體性和強(qiáng)度。在噴漿材料里加入一些纖維、鋼纖維等，噴層表面抗拉強(qiáng)度更高。噴射混凝土在一定程度上改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)。

5)工字鋼支架以及可伸縮U型拱鋼支架支護(hù)

鋼支架支護(hù)具有可縮性和穩(wěn)定可靠的承載能力，支架施工方便，維修量小，支架回收復(fù)用率高，減少竹材、木材使用，環(huán)保效益十分明顯，其中U型鋼支架是根據(jù)拱形受力特點匹配支護(hù)巷道頂壓，對巷道支護(hù)效果更明顯。

3.3 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)工藝

1)聯(lián)合支護(hù)方式選擇

滿足安全生產(chǎn)的要求，基于謙比希礦井下地壓顯現(xiàn)特點，根據(jù)支護(hù)原理，選擇聯(lián)合支護(hù)方式。

(1)第一種巖體楔形體破壞主要發(fā)生在上向水平分層充填法采場，選擇柔性支護(hù)方式，即錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，錨索加強(qiáng)支護(hù)。

(2)第二種巖體破壞主要發(fā)生在一般巷道或者采場鑿巖巷道，選擇柔性支護(hù)方式，即錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，局部區(qū)域濕噴支護(hù)。

(3)第三種巖體破壞主要發(fā)生在作業(yè)采場，選擇柔性支護(hù)方式，即錨桿支護(hù)，錨索加強(qiáng)支護(hù)。

(4)第四種巖體破壞主要發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)的崩落法采場，采用剛?cè)岵?jì)支護(hù)方式，即先采用錨桿+錨索支護(hù)，然后在頂板裂縫區(qū)域鋼支架支護(hù)，鋼支架與頂板之間空區(qū)聯(lián)結(jié)用木支護(hù)接頂。

(5)第五種巖體破壞，優(yōu)化施工巷道形狀，采用“丅”型交叉巷道代替“十”型交叉巷道，區(qū)域內(nèi)采用柔性支護(hù)方式，即錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，錨索加強(qiáng)支護(hù)。

井下支護(hù)施工過程中，對于巖石較差區(qū)域錨桿支護(hù)采用“兩掘一支”，充分利用巖石自身穩(wěn)固性實現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度，提升支護(hù)效果。

2)支護(hù)設(shè)計

為確定錨桿適當(dāng)?shù)腻^固強(qiáng)度與深度，必須先確定巷道潛在的冒落拱高度。設(shè)計采用普氏冒落拱理論[2]模型計算。

如圖1所示，令巷道寬為2b1，高為h0，冒落形成的壓力拱跨度為2b2，拱高為h，根據(jù)普氏壓力拱理論，則有

(1)

(2)

同時可以推算巷道頂部壓力為

(3)

當(dāng)2b1=6 m，h0=4 m，γ=26.7 kN/m3，fk=2.5，φk=65°～70°時，h=1.52 m。

圖1 普氏冒落拱示意圖

錨桿長度可由式(4)確定

L=La+Lb+Lc

(4)

式中：L——錨桿總長度，m；

La——錨桿深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；

Lb——需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，m;

Lc——上托板及錨具的厚度，取150mm。

錨固段長度La可由式(5)計算

(5)

式中：K——安全系數(shù)，一般取為2；

d——錨桿的直徑，取22mm；

fs——錨桿的抗拉強(qiáng)度，取455MPa；

fc——錨桿與水泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度，取7MPa。

則砂漿錨桿總長L=715mm+1 520mm+150mm=2 385mm，取2.4m。

錨桿支護(hù)密度，可用式(6)計算

(6)

式中：N——錨桿數(shù)目；

K——安全系數(shù)，取2；

P斷——錨桿最低破斷力，設(shè)計為150kN；

W——每米巷道的靜壓力。

計算得出N=4根。

砂漿錨桿排間距可由式(7)進(jìn)行計算

(7)

式中：a——錨桿間、排距，m；

G——錨桿設(shè)計錨固力，取100kN/根；

K——安全系數(shù)，一般取1.8；

Lb——有效長度，即冒落拱高度，取1.52m；

γ——巖體容重，取27kN/m3。

將上述參數(shù)代入式(4)中進(jìn)行計算，得a=1.16m，即錨桿排距取值1.2m。

同樣理論計算方式，加強(qiáng)錨索支護(hù)計算取值：長度L=5m，錨索每排數(shù)目N=2根，排距a=3m。

噴漿厚度選擇：一般中等穩(wěn)固區(qū)域噴層厚度為30～50mm；穩(wěn)定性較差區(qū)域噴層厚度大于50mm。

3) 支護(hù)管理

謙比希礦井下支護(hù)采用錨桿臺車、錨索臺車、濕噴臺車等機(jī)械化設(shè)備，降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，保證了人員的安全。為了方便施工管理，謙比希礦制定了井下支護(hù)制度，包括敲幫問頂、支護(hù)范圍、支護(hù)質(zhì)量、特殊支護(hù)要求、支護(hù)驗收管理辦法等。在日常管理過程中落實各項支護(hù)管理辦法，確保了井下支護(hù)質(zhì)量和進(jìn)度，同時針對復(fù)雜地質(zhì)條件下支護(hù)，現(xiàn)場技術(shù)和管理人員制定臨時方案措施，并監(jiān)督實施。

4 結(jié)論

(1)謙比希礦復(fù)雜巖體支護(hù)做了大量現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查，對巖體質(zhì)量進(jìn)行了科學(xué)分級等重要研究工作；以現(xiàn)場工程實踐為依據(jù)，認(rèn)真總結(jié)分析巖體失穩(wěn)機(jī)理，為支護(hù)方式選擇提供基本遵循。

(2)謙比希礦針對井下巖體失穩(wěn)機(jī)理，從支護(hù)原理出發(fā)，選擇了合理的聯(lián)合支護(hù)方式；以科學(xué)計算為依據(jù)，為井下安全支護(hù)提供可靠的支護(hù)參數(shù)，解決了復(fù)雜難采礦體支護(hù)難題，實現(xiàn)了礦山安全回采，對其他礦山安全支護(hù)回采有重要借鑒意義。