萬(wàn)林海，薛小蒙

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 九江市 332400；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012，3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

香爐山鎢礦為地下開(kāi)采，以16 #勘探線為界劃分東、西2個(gè)采區(qū)。東區(qū)為原主采區(qū)，采用平硐開(kāi)拓，鏟運(yùn)機(jī)裝載，汽車運(yùn)輸，采礦方法主要是留不規(guī)則點(diǎn)柱、條柱的全面法，現(xiàn)已形成大規(guī)模復(fù)雜采空區(qū)，處于采空區(qū)處理與殘礦回采階段[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，香爐山鎢礦十多家民營(yíng)企業(yè)無(wú)序的開(kāi)采導(dǎo)致井下東部采空區(qū)高大雜亂且無(wú)處理，至2019年底，東部形成的采空區(qū)體積約為 3×106m3，巨大復(fù)雜采空區(qū)群成為了礦山的安全隱患。香爐山鎢礦東部高大采空區(qū)頂板情況光憑肉眼觀察不到，隨著暴露時(shí)間的增加，頂板受到地壓活動(dòng)和風(fēng)化作用的影響，頂板的穩(wěn)定性下降[3-4]。然而，香爐山鎢礦東部生產(chǎn)運(yùn)輸及行人基本上是在采空區(qū)下進(jìn)行，存在巨大的安全隱患。

1 現(xiàn)狀條件

香爐山鎢礦為矽卡巖型白鎢礦床，具有儲(chǔ)量大，礦石品位高，礦體厚度大，傾角緩等特點(diǎn)，礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固，礦體分布范圍廣，連續(xù)性好，礦體及圍巖含水率低，開(kāi)采技術(shù)條件好。1W 礦體為主礦體，長(zhǎng)1250 m，傾斜長(zhǎng)576 m。礦體埋深 40 m～300 m，礦體標(biāo)高358 m～658 m。礦體產(chǎn)狀與香爐山背斜一致，軸部?jī)A伏角為10°～25°，北西翼平均傾角為7°，南東翼平均傾角為38°。礦體厚2.55 m～45.59 m，其中軸部厚度最大，向兩翼逐漸變薄。在軸部礦體平均厚度25.83 m，南東翼平均厚度6.53 m，北西翼平均厚度9.06 m。

東部采區(qū)采用平硐開(kāi)拓，鏟運(yùn)機(jī)裝載，汽車運(yùn)輸，所用的采礦方法基本上為留不規(guī)則點(diǎn)柱、條柱的全面法，也類似于房柱法，采場(chǎng)凈空跨度10 m～30 m 不等，井下礦柱分布不均，部分頂板暴露面積過(guò)大，礦體回采多沿底板掘進(jìn)，許多采空區(qū)頂部礦體殘留，致使對(duì)頂部殘礦開(kāi)采難度極大。由于多年的開(kāi)采，井下存在大量采空區(qū)未處理，對(duì)礦山生產(chǎn)及周邊都是一個(gè)很大的安全隱患，東部采區(qū)目前主要在進(jìn)行殘礦回采[5-6]。

2 運(yùn)輸系統(tǒng)整治方案

高大采空區(qū)頂板情況憑借肉眼觀察不到，隨著暴露時(shí)間的增加，頂板受到地壓活動(dòng)和風(fēng)化作用的影響，頂板的穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)開(kāi)裂、浮石等情況，然而頂板檢查難度大，大規(guī)模處理存在盲目性，因此，處理難度大。而東部生產(chǎn)運(yùn)輸基本上是在采空區(qū)下進(jìn)行，高大采空區(qū)下人行和車輛運(yùn)輸存在巨大的安全隱患。針對(duì)東部運(yùn)輸問(wèn)題，初步得出了以下方案。

2.1 優(yōu)化運(yùn)輸線路

隨著東部充填量不斷增加，部分區(qū)域已經(jīng)完成充填結(jié)頂，局部頂板安全隱患已經(jīng)解除，原來(lái)老的運(yùn)輸線路出現(xiàn)頂板冒落、礦柱開(kāi)裂等安全問(wèn)題。因此，根據(jù)現(xiàn)有情況，優(yōu)化調(diào)整礦山原有的運(yùn)輸線路非常重要。運(yùn)輸線路的優(yōu)化應(yīng)結(jié)合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)勘查、充填采礦計(jì)劃等，合理調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域路線，嚴(yán)格劃出危險(xiǎn)區(qū)域，禁止通行。運(yùn)輸線路優(yōu)化的宗旨是調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域路線，選擇安全區(qū)域通行，劃分危險(xiǎn)區(qū)域范圍，禁止通行。

2.2 充填運(yùn)輸通道兩側(cè)采空區(qū)

運(yùn)輸通道采空區(qū)頂板不高，頂板情況可以觀察，能夠處理。通過(guò)充填運(yùn)輸通道兩側(cè)的采空區(qū)，增加運(yùn)輸通道兩側(cè)充填結(jié)頂率，使運(yùn)輸通道兩側(cè)點(diǎn)柱與充填體形成一個(gè)整體，共同支撐頂板的壓力，有效降低原單個(gè)礦柱的荷載，確保運(yùn)輸通道頂板及礦柱的安全。運(yùn)輸通道兩側(cè)空區(qū)充填方案見(jiàn)圖1。

圖1 充填運(yùn)輸通道兩側(cè)空區(qū)方案

2.3 混凝土人工假巷安全通道

在采空區(qū)運(yùn)輸路線上提前構(gòu)筑混凝土巷道，形成混凝土人工假巷，人員和運(yùn)輸均從人工假巷內(nèi)通行。混凝土人工假巷上部采空區(qū)可以根據(jù)充填能力一并充填或者滯后充填。充填體內(nèi)混凝土人工假巷運(yùn)輸通道方案見(jiàn)圖2。

圖2 充填體內(nèi)混凝土人工假巷運(yùn)輸通道方案

2.4 腳手架簡(jiǎn)易安全通道

臨時(shí)腳手架簡(jiǎn)易安全通道方案能夠有效阻擋頂板浮石冒落對(duì)通行人員和車輛的傷害，方便可靠，施工簡(jiǎn)單，速度快，且材料可以重復(fù)使用，成本相對(duì)低廉。對(duì)于充填能力有限或者非永久性的運(yùn)輸通道具有很好的實(shí)用性，并且能較好地解決礦山安全通道成本問(wèn)題。

3 充填體下人工假巷選擇

高大采空區(qū)內(nèi)運(yùn)輸通行安全問(wèn)題一直是礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于礦山歷史原因，井下不完全是巷道式的人行運(yùn)輸安全通道，東部采區(qū)人員通行和運(yùn)輸不可避免地在原來(lái)高大老采空區(qū)下進(jìn)行，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大的隱患。充填治理現(xiàn)有運(yùn)輸通道兩側(cè)的空區(qū)不能解決高大采空區(qū)通行的問(wèn)題，掘進(jìn)新的運(yùn)輸通道亦不具備相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)條件，為此，研究提出了充填體下人工假巷方案，通過(guò)在運(yùn)輸通道上提前構(gòu)筑混凝土人工假巷，形成系統(tǒng)的人行、運(yùn)輸、通風(fēng)通道，然后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填治理，通過(guò)充填體支撐頂板，防止頂板塌陷對(duì)運(yùn)輸巷道的破壞，徹底地解決高大采空區(qū)內(nèi)的通行問(wèn)題。

3.1 人工假巷方案

本研究提出了充填體內(nèi)預(yù)留鋼拱架假巷方案、充填體內(nèi)預(yù)留混凝土假巷、充填體內(nèi)預(yù)留鋼板假巷、充填體內(nèi)巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù) 4種人工假巷方案。

（1）充填體內(nèi)預(yù)留鋼拱架假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑人工假巷，對(duì)凹凸不平的空區(qū)底板應(yīng)提前進(jìn)行碎石混凝土鋪設(shè)和表面平整。人工假巷斷面采用井下現(xiàn)有巷道斷面規(guī)格（寬3 m×高2.8 m），形狀為三星拱。采用 U 型鋼組成假巷骨架，間距為0.8 m。鋼架之間采用鋼板連接，鋼架內(nèi)附有防止側(cè)向變形的橫撐。

（2）充填體內(nèi)預(yù)留混凝土假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑人工假巷，當(dāng)空區(qū)底板凹凸不平時(shí)鋪設(shè)碎石混凝土。木模板和鋼筋組成骨架，在安全區(qū)域預(yù)制模鑄混凝土，形成鋼筋混凝土假巷。以鋼筋混凝土假巷為安全掩護(hù)，由安全地點(diǎn)出發(fā)、前進(jìn)式進(jìn)行假巷的現(xiàn)場(chǎng)裝配。巷道凈斷面規(guī)格為3 m×2.8 m，形狀為三星拱。模筑鋼筋混凝土厚度為30 cm，強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋采用Φ20螺紋鋼，網(wǎng)度為25 cm×25 cm。

（3）充填體內(nèi)預(yù)留鋼板假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑鋼板假巷。鋼板采用圓形斷面，直徑為 3.5 m，鋼板厚度為2 cm。從巷道底板起，滿足鋼板假巷穩(wěn)定的充填體參數(shù)為5 m 厚度、1 MPa強(qiáng)度。為了避免假巷鋼筋混凝土拱承受較大壓力，每次充填高度不大于 0.5 m，待每次充填體凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行下次充填。

（4）充填體內(nèi)巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù)。首先對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，而后在充填體內(nèi)預(yù)定位置進(jìn)行巷道的爆破掘進(jìn)與支護(hù)。設(shè)計(jì)采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式?；炷羾妼雍穸葹?00 mm，錨桿布置方式為全斷面布置。

3.2 充填體內(nèi)假巷設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

不同假巷對(duì)充填體的力學(xué)強(qiáng)度要求有較大差別。以假巷充填層充填500 m3為例（見(jiàn)表1），隨著充填體強(qiáng)度從1 MPa提升至3 MPa，假巷層充填費(fèi)用將由2.7萬(wàn)元增加至6萬(wàn)元，充填成本為假巷施工直接成本的 10倍以上。因此，適當(dāng)增加假巷支護(hù)費(fèi)用、降低充填費(fèi)用為假巷設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

表1 假巷穩(wěn)定的充填成本費(fèi)用

（1）預(yù)留鋼拱架假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破掘進(jìn)對(duì)充填體的破壞；模板預(yù)埋錨桿、錨網(wǎng)，易與充填體形成整體；柔性封閉、脫水效果好。缺點(diǎn)是鋼拱架對(duì)周邊充填體強(qiáng)度要求較高，安全性低。假巷成本為 4446元/m，假巷層充填成本增加9524元/m。

（2）預(yù)留混凝土假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破對(duì)充填體的破壞；鋼筋混凝土強(qiáng)度大，抗壓和抗拉性能均較好；對(duì)周邊充填體強(qiáng)度要求不高；安全性較高。缺點(diǎn)是鋼拱架、木模板施工較復(fù)雜。假巷成本為4840元/m，假巷層充填成本沒(méi)有增加。

（3）預(yù)留鋼板假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破對(duì)充填體的破壞；避免人員直接在空區(qū)內(nèi)作業(yè)；鋼板強(qiáng)度大，抗壓和抗拉性能均較好；鋼板加工簡(jiǎn)便；安全性較高。缺點(diǎn)是全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低。假巷成本為 6319元/m，假巷層充填成本沒(méi)有增加。

（4）巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù)。優(yōu)點(diǎn)是避免人員進(jìn)入空區(qū)作業(yè)，安全性好。缺點(diǎn)是爆破開(kāi)挖，支護(hù)成本高；對(duì)充填體強(qiáng)度要求高。假巷成本為 4896元/m，假巷層充填成本增加26 667元/m。

在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上比較4種充填體內(nèi)假巷方案，方案1難以避免空區(qū)內(nèi)作業(yè)，方案4爆破掘進(jìn)重新開(kāi)挖成本高，而方案2、方案3鋼筋混凝土、鋼筒力學(xué)性能好，強(qiáng)度高，可降低周邊充填體強(qiáng)度要求，且能提供井下施工掩護(hù)，而鋼筒全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低，施工成本較鋼筋混凝土高，因此本次推薦充填體內(nèi)預(yù)留鋼筋混凝土假巷方案。

4 結(jié)論

（1）井下高大采空區(qū)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單一的實(shí)施方案和方法不能解決問(wèn)題，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合礦山實(shí)際條件，提出相應(yīng)的解決方案。

（2）借鑒破碎軟巖支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，礦山成功引入混凝土人工假巷，通過(guò)在采空區(qū)內(nèi)提前構(gòu)筑混凝土人工假巷，然后及時(shí)對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填治理，有效解決了高大采空區(qū)下的運(yùn)輸和通行問(wèn)題。混凝土人工假巷能夠形成規(guī)整的運(yùn)輸通道，假巷上部的充填體能夠有效緩沖頂板巖石冒落對(duì)假巷的破壞，通過(guò)充填接頂有效支撐頂板，人員和礦石運(yùn)輸在混凝土人工假巷內(nèi)進(jìn)行，安全性得到極大的提高。

（3）混凝土人工假巷，為高大采空區(qū)下的運(yùn)輸和通行提供了行之有效的方法。目前，充填體內(nèi)混凝土人工假巷試驗(yàn)已經(jīng)在東部采區(qū)完成，通過(guò)構(gòu)筑混凝土人工假巷，局部區(qū)域的井下主運(yùn)輸通道不再有高大采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了巷道內(nèi)通行和運(yùn)輸，安全性得到極大提高。混凝土人工假巷將會(huì)在東部采區(qū)逐步推廣應(yīng)用，經(jīng)過(guò)高大采空區(qū)的東部主要運(yùn)輸通道將獲得安全保障，整個(gè)東部采區(qū)運(yùn)輸和通行將會(huì)更加規(guī)范和合理，從而有效保障東部采區(qū)的安全生產(chǎn)。