江 科

(1.長沙礦山研究院有限責任公司； 2.國家金屬采礦工程技術研究中心)

引 言

部分礦山因采礦工藝需要，面臨在充填體內(nèi)掘進巷道的難題。充填體是一種由尾砂、膠凝材料和水固結后形成的實體，影響其性質(zhì)的因素比較多，如灰砂比、濃度、均勻性及養(yǎng)護時間等，充填體的整體性和強度決定了在其中掘進巷道的安全性和成本[1-4]。同時，考慮到充填體相較于巖體具有強度低、塑脹性強、易風化等特性，在充填體內(nèi)開挖巷道易引發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象，原因是開挖導致充填體內(nèi)應力重新分布，局部應力過大而引發(fā)破壞，或者應力重新分布后產(chǎn)生較大的塑性區(qū)、松動區(qū)，圍巖(充填體)隨時間延長而出現(xiàn)較大的變形，直至破壞，在頂部表現(xiàn)為冒落，在側(cè)幫表現(xiàn)為擠壓破壞，對礦山正常安全生產(chǎn)造成巨大壓力[5-8]。

本文針對某礦山開采技術條件，參考類似礦山工程案例，參照國家、行業(yè)及典型企業(yè)的相關規(guī)范或標準，綜合考慮充填體性質(zhì)、上覆巖層應力、工程因素、時間因素、地下水因素等，在保證安全和經(jīng)濟合理的前提下，對礦山充填體內(nèi)掘進巷道的支護技術進行研究，推薦相應的掘進及支護工藝方案。

1 充填體內(nèi)巷道掘進與支護技術現(xiàn)狀

對于充填體內(nèi)掘進巷道，眾多礦山企業(yè)、高校及科研院所進行了較多的研究工作，提出了不同條件下充填體內(nèi)掘進與支護的工藝方案，并且在實際生產(chǎn)應用中積累了一定的經(jīng)驗，形成了礦山企業(yè)實際的工程案例及國家、行業(yè)或企業(yè)相關的規(guī)范標準，可以為類似礦山充填體內(nèi)巷道的掘進與支護工作提供借鑒與參考。

1.1 規(guī)范及手冊

GB 50086—2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》中推薦以工程類比法來確定巷道的支護方式，首先評價巷道的圍巖等級，分級標準為Ⅰ～Ⅴ級，進而推薦不同圍巖級別及巷道跨度分類的支護手段和參數(shù)[9-11]。充填體可劃歸為塑性流變巖體，其圍巖等級歸類為Ⅴ級，在充填體內(nèi)開挖巷道應遵循的原則是：①宜采用曲線形斷面；②斷面的長軸宜與主應力較大的方向一致；③可分期實施支護結構，巷道斷面尺寸應預留圍巖變形量，初期支護與后期支護的界線為變形量的累積值達到最大的允許范圍；④自穩(wěn)能力差的塑性流變巖體中巷道開挖宜采用超前支護。

《采礦工程師手冊》中通過工程類比法提出了各種類別井巷支護的設計原則和推薦參數(shù)：①巷道的掘進應采用光面爆破以保證巷道斷面的規(guī)整，減少對圍巖的破壞，改善巷道周邊的應力條件，減少支護量；②軟弱巖層的支護多考慮采用金屬拱形支架與噴錨網(wǎng)支護配合使用；③混凝土、鋼筋混凝土及砌體等整體式支護，適用于有動壓、極不穩(wěn)固及松軟巖層；④充填體易風化，即使強度高、性質(zhì)好，也必須考慮支護[12]。

1.2 礦山研究及應用案例

阿舍勒銅礦通過研究及實際工程經(jīng)驗積累，制定企業(yè)支護標準化管理制度，其中對于充填體內(nèi)巷道的掘進與支護，采用機械非爆掘進方式形成巷道工程，同時聯(lián)合采用噴錨網(wǎng)支護形式對巷道進行支護，當充填體內(nèi)殘礦較多時，采用U型鋼可縮性支架支護形式[13-14]。安慶銅礦在長期的生產(chǎn)實踐中總結出充填體內(nèi)巷道掘進與支護的方法，巷道掘進采用鉆爆法施工，巷道形成后采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式，錨桿全斷面布置，金屬網(wǎng)布置在拱、墻部位[15]。徐州鐵礦采用鉆爆法在充填體中掘進巷道，邊孔采用光面爆破技術，巷道掘進形成后，及時噴射薄層混凝土封閉圍巖，以防止圍巖吸水和潮解風化，然后進行噴錨網(wǎng)支護，或同時架設可縮性金屬支架，及時構成有足夠支護抗力和柔性的一次支護[16]。新城金礦在充填體內(nèi)掘進巷道時采用鉆爆法，通過對數(shù)種不同的超前支護形式進行可操作性、安全性和經(jīng)濟成本的綜合對比，最終選擇超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護的形式[17]。

2 充填體內(nèi)巷道掘進技術

2.1 工程背景

該礦山位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟，于2009年底開始基建，2013年基本完成地表設施和井下建設后投產(chǎn)，2016年實現(xiàn)達產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，開采規(guī)模240萬t/a，采用主副井+斜坡道聯(lián)合開拓方式。該礦區(qū)以層狀堅硬—半堅硬巖石為主，工程地質(zhì)條件中等，水文地質(zhì)條件中等，環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量為中等型。井下礦體分期開采，580 m 水平以上為一期開采范圍，580 m水平以下為二期開采范圍。現(xiàn)有880 m、830 m、780 m、730 m、680 m、630 m、580 m、530 m、480 m等9個中段。

該礦山最初設計采用分段鑿巖階段空場采礦法開采，采場一般垂直走向布置，經(jīng)多年開采后遺留大量礦柱待回收，原設計采用崩落采礦法回收礦柱，同時處理采空區(qū)，但考慮到地表塌陷所帶來的環(huán)境問題，同時為了提升回采作業(yè)安全性、控制Ⅱ步驟礦柱回收的采礦損失貧化指標，該礦山選擇將空場采礦法優(yōu)化改造為充填采礦法。按空場采礦法規(guī)劃開采時，Ⅰ步驟礦房布置的出礦巷在Ⅱ步驟礦柱下，現(xiàn)在由空場采礦法轉(zhuǎn)為充填采礦法后，這種采場底部結構決定了Ⅱ步驟礦柱回采的出礦巷必須利用Ⅰ步驟礦房的鑿巖拉底巷，即需在充填體內(nèi)重新掘進恢復Ⅰ步驟鑿巖拉底巷和出礦進路，以作為Ⅱ步驟礦柱回采的采準工程，底部結構如圖1所示。

1—桃形礦柱 2—充填擋墻 3—Ⅰ步驟受礦巷4—充填體 5—中段運輸巷 6—出礦進路 7—Ⅱ步驟受礦巷圖1 采場底部結構示意圖

2.2 充填工藝

該礦山充填工藝流程為：選礦廠濃度約50 %的尾砂漿經(jīng)泵站加壓后輸送至充填制備站的高效深錐濃密機中，濃密機對尾砂進行濃密富集后，多余的溢流水通過管道自流回選礦廠，濃密機底流富集至濃度達到68 %以上。充填時，濃密機放砂至兩段攪拌設備，在向攪拌機放砂的同時，膠結劑倉中的膠結劑配料根據(jù)要求，通過給料和計量設施添加至攪拌機中，混合后的物料經(jīng)過兩段攪拌機連續(xù)攪拌，制備成膏體充填料漿，通過充填鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至井下各采空區(qū)進行充填。

為了達到采礦方法對充填體強度的要求，該礦山按照如表1所示的充填配比對采空區(qū)進行充填。部分采場養(yǎng)護至相應齡期后，對采場內(nèi)充填體進行鉆孔取巖心，部分樣品如圖2所示。將充填體巖心樣品加工為標準試樣后進行單軸抗壓強度測試，結果顯示采場內(nèi)各個部位充填體的強度均能滿足要求。

傳統(tǒng)的對問題認知的方式可能阻礙一般創(chuàng)造力，因而，培養(yǎng)對問題的創(chuàng)造性認知非常重要。在認識事物和問題時，需要有意識地打破常規(guī)，深入挖掘問題背后的實質(zhì)，從而重新審視問題表征，實現(xiàn)對問題的“重定中心”。另外，培養(yǎng)多種創(chuàng)造性思維方式，如逆向思維、橫向思維、負向思維、發(fā)散思維等，培養(yǎng)認知的靈活性、復雜性和多方位性。最后，賦予個體更多的解決問題的機會，在具體的問題情境中訓練創(chuàng)造性認知習慣，也能夠起到提升一般創(chuàng)造力的作用。

表1 采場充填配比

圖2 采場充填體鉆孔取巖心樣品

2.3 巷道掘進技術條件分析

該礦山Ⅱ步驟礦柱回采采用單側(cè)出礦的方式，需將Ⅰ步驟受礦巷從充填體內(nèi)重新掘進后恢復為出礦巷，連接Ⅱ步驟受礦巷與出礦巷的出礦進路也需將充填體填塞部分進行恢復，以形成完整的回采底部結構。出礦巷以充填體為直接頂板，側(cè)幫為巖石(桃形礦柱)；出礦進路的頂板和側(cè)幫均為巖石(桃形礦柱)。因而，礦山充填體內(nèi)掘進巷道根據(jù)條件可分為2種情況：一種是掘進出礦巷，出礦巷以充填體為直接頂板，掘進技術要求高、成巷速度慢、安全風險較大；另一種是恢復原出礦進路，將巷道中的充填體移除后，對圍巖進行支護。本文研究的充填體內(nèi)巷道掘進與支護技術主要是針對頂板為充填體的出礦巷。

該礦山采場底部結構形成的重點在于充填體內(nèi)的掘進方式，以及掘進與支護的銜接配合，這是保證掘進工作安全和效率的核心。充填體性質(zhì)、上覆巖層應力、工程因素、時間因素及地下水因素等將直接影響巷道掘進的安全和效率。安全是充填體內(nèi)掘進巷道的首要目標，主要取決于充填體性質(zhì)及上覆巖層應力，當充填體性質(zhì)均勻、充填質(zhì)量好時，做好掘進與支護的銜接工作，及時支護或在必要時做好超前支護，可以保證掘進作業(yè)的安全、控制地壓及采動對巷道的影響。選擇的掘進方式、充填體頂板及側(cè)幫的暴露面積和時間、地下水對充填體的軟化作用也是決定安全的因素之一，因此需要設計適宜的掘進、支護工藝方案，合理的方案不僅能保證充填體內(nèi)巷道掘進的安全，同時能提升作業(yè)效率，降低掘進及支護成本，為礦山Ⅱ步驟礦柱回采、產(chǎn)能釋放打下良好的基礎。

3 充填體內(nèi)掘進巷道的支護工藝方案

3.1 方案選擇

巷道支護方式多種多樣，不同的支護方式及多種支護方法的聯(lián)合方式適合不同類型的圍巖條件。采用的支護方式由巷道自身的條件所決定。充填體一般為非均質(zhì)的低強度材料(與原巖相比)，受充填過程的不連續(xù)、充填料漿不同程度的離析分層、受礦巷內(nèi)殘留的礦石等影響，在充填體內(nèi)開挖巷道易引起充填體薄弱部分的失穩(wěn)，如巷道頂部的拉應力區(qū)破壞導致的崩塌，或巷道側(cè)幫壓應力區(qū)破壞導致的片幫等。充填體內(nèi)掘進巷道的方法一般為鉆爆法和機械非爆掘進法。2種方法形成巷道的原理不同，在巷道形成過程中對圍巖(充填體)的破壞作用差異大。鉆爆法通過炸藥爆炸的能量破碎圍巖，光面爆破設計在一定程度上有利于保護充填體。懸臂式掘進機在普氏硬度系數(shù)小于7的巖石內(nèi)掘進隧洞有較高的效率，是一種機械非爆掘進領域常用的設備，在諸如充填體的低強度巖體中掘進巷道具有效率高、成形度好、對巷道周邊圍巖破壞小等優(yōu)點。

充填體內(nèi)巷道掘進方法決定了成巷效率、圍巖破壞情況，進一步?jīng)Q定了巷道的支護形式，而巷道的支護形式反過來決定了巷道的掘進斷面大小，因而，礦山充填體內(nèi)掘進巷道的支護方式與掘進方法密切相關。對于出礦巷，通過工程類比法設計支護工藝和參數(shù)，再由支護參數(shù)確定巷道的掘進斷面，最終對比不同掘進方法及條件下巷道掘進與支護的綜合效益，初選的工藝方案為：①鉆爆法掘進，對充填體損傷大，采用U型鋼拱架+超前鋼管聯(lián)合支護；②懸臂式掘進機掘進，巷道成形度好、圍巖破壞少，采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護。

3.2 巷道掘進與支護工藝方案

采場的凈斷面尺寸需考慮無軌出礦設備的規(guī)格參數(shù)，巷道的掘進尺寸在凈斷面的基礎上結合支護設計參數(shù)確定。礦山采用2 m3柴油鏟運機出礦，鏟運機的外形尺寸(長×寬×高)為6 816 mm×1 770 mm×2 090 mm，同時按照GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中相關要求，在無軌運輸設備與巷道壁或巷道內(nèi)設施之間的間隙應不小于600 mm，確定出礦巷的凈斷面尺寸為3.0 m×3.0 m。

3.2.1 鉆爆法+U型鋼拱架超前支護

采用鉆爆法在充填體內(nèi)掘進巷道，配合U型鋼拱架的超前鋼管聯(lián)合支護，工藝以鑿巖爆破、通風與出渣、支護作為一個循環(huán)，超前鋼管支護保證鑿巖、出渣和支護作業(yè)的安全。巷道全斷面一次成巷，采用光面爆破，周邊孔布置原則為多打孔、少裝藥，減少爆破對充填體穩(wěn)定性的破壞，提高爆破成形質(zhì)量。獨頭作業(yè)面采用局扇輔助通風，由鏟運機出渣，經(jīng)中段運輸巷外運，卸入脈外廢石溜井。鋼拱架型號為25U，三心拱直腿可縮性支架型號為6GZ-3，三合一組合而成，搭接部分長度400 mm，出礦巷的掘進斷面尺寸為3.3 m×3.2 m，安裝鋼拱架后巷道的凈斷面為3.0 m×3.0 m；鋼拱架設置間距為800～1 000 mm，圍巖性質(zhì)好時取大值，性質(zhì)差時取小值；采用φ32 mm螺紋鋼連筋；支架腿兩側(cè)距底板高1.0～1.2 m處各安裝1根φ32 mm螺紋鋼護腿錨桿，支架腿與巷道壁間鋪設20～30 mm厚木板；支架腿窩向下挖200～300 mm，至實底，腿底墊一塊100 mm×100 mm鋼墊板；超前管護頂?shù)某颁摴転棣?5 mm薄壁鋼管，長2 m，上仰角度約5°，外露400～500 mm，管間距200 mm，采用木板將頂板背實，在超前鋼管外露端下部橫插一根φ50 mm鋼管作為底部托梁，并將其與鋼拱架固定。U型鋼拱架超前支護如圖3所示。

圖3 出礦巷U型鋼拱架超前支護示意圖

3.2.2 懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護

采用機械非爆掘進法在充填體內(nèi)掘進巷道，選擇合適的循環(huán)進尺，配合噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護，以充分保證掘進作業(yè)的安全。工藝以機械非爆掘進、通風和出渣、支護作為一個循環(huán)。懸臂式掘進機通過截割頭旋轉(zhuǎn)，截齒對充填體進行切割，連續(xù)移動截割頭來完成巷道全斷面的破碎掘進工作，截割頭下方的鏟板收料裝置負責破碎充填體的收集，通過輸送機排至懸臂式掘進機的后方，采用鏟運機出渣，經(jīng)中段運輸巷外運，獨頭作業(yè)采用局扇輔助通風。出礦巷頂板為充填體，懸臂式掘進機掘進的巷道成形度好、對圍巖的破壞作用小，采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護的方式對巷道進行支護。選擇2.8～3.0 m水泥卷錨桿，錨桿間排距(0.6 m×0.6 m)～(0.8 m×0.8 m)；頂板噴射混凝土厚度100 mm，巷幫錨網(wǎng)支護或100 mm素噴混凝土，混凝土強度等級為C20；金屬網(wǎng)鋼筋直徑為5～6 mm，網(wǎng)度為50 mm×50 mm；局部有軟弱充填體時，間隔4.5～6.0 m 設置1座花拱架。出礦巷的掘進斷面規(guī)格要求為3.2 m×3.1 m，支護完成后巷道的凈斷面為3.0 m×3.0 m。噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護如圖4所示。

圖4 噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護示意圖

3.3 巷道掘進與支護效率

1)鉆爆法+U型鋼拱架超前支護。掘進單個作業(yè)循環(huán)包括鑿巖爆破、通風與出渣、支護及下循環(huán)準備等工序。按巷道掘進支護設計要求，采用超前支護形式時，巷道的單次循環(huán)進尺一般為超前支護長度的1/3～1/2，因鋼管超前支護長度約為2 m，確定在充填體內(nèi)單次循環(huán)進尺為1 m。以1 m的進尺計算，3.3 m×3.2 m的巷道全斷面掘進，鑿巖爆破所需時間約為1臺班，通風和出渣所需時間約為1/3臺班，支護作業(yè)所需時間為4/3臺班，下循環(huán)準備時間約為1/3臺班。單個循環(huán)在充填體內(nèi)掘進1 m進尺耗時3臺班，合計為1 d。

2)懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護。掘進的單個作業(yè)循環(huán)包括機械非爆掘進、通風和出渣、支護及下循環(huán)準備等工序。采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護時，短掘短支方式掘進的巷道需嚴格控制循環(huán)進尺，循環(huán)進尺根據(jù)頂板圍巖情況確定，在充填體內(nèi)單次循環(huán)進尺為2～3 m。以2 m的進尺計算，3.2 m×3.1 m的巷道全斷面掘進，機械掘進所需時間約為1/2臺班，通風和出渣所需時間約為2/3臺班，支護作業(yè)所需時間為3/2臺班，下循環(huán)準備時間約為1/3臺班。單個循環(huán)在充填體內(nèi)掘進2 m進尺耗時3臺班，合計為1 d。

3.4 巷道掘進與支護成本

充填體內(nèi)巷道掘進與支護成本如表2所示。

表2 充填體內(nèi)巷道掘進與支護成本

3.5 技術經(jīng)濟效益對比

通過工程類比法確定該礦山充填體內(nèi)巷道掘進與支護的方法，分別為鉆爆法+U型鋼拱架超前支護、懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護。2種掘進方法對充填體圍巖的破壞程度不同，導致巷道的支護設計有差別，支護手段的區(qū)別反過來決定了巷道的掘進斷面、循環(huán)進尺，進而影響充填體內(nèi)成巷的效率和成本。對2種掘進與支護方法的工藝、效率和成本進行分析和計算，從安全、效率和成本3方面對2種方法進行比較：

1)2種掘進與支護方法均能保證巷道掘進過程中的安全。

2)鉆爆法掘進的循環(huán)進尺每天為1 m，機械非爆掘進的循環(huán)進尺每天為2 m，后者的效率更高。

3)對于出礦巷道，機械非爆掘進總成本為7 380元/m，其中，掘進成本為4 780元/m，支護成本為2 600元/m；鉆爆法掘進總成本為9 140元/m，其中，掘進成本為5 890元/m，支護成本為3 250元/m。機械非爆掘進的掘支成本較鉆爆法低1 760元/m。

綜合比較2種方案的技術經(jīng)濟效益，建議該礦山采用懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護的方法在充填體內(nèi)掘進巷道，在局部充填體質(zhì)量較差時，增設一定數(shù)量的花拱架或U型鋼拱架。

4 結 論

1)該礦山原計劃采用空場采礦法回采，為了保證礦山生產(chǎn)安全、提高資源的有效利用率，改為充填采礦法回采Ⅱ步驟礦柱，采用全尾砂膏體充填工藝，按設計濃度及充填配比進行充填。因空場采礦法回采時采場底部結構已形成，Ⅱ步驟礦柱需在Ⅰ步驟充填體內(nèi)重新掘進出礦進路和出礦巷。在礦山巷道掘進與支護技術條件分析的基礎上，參考類似礦山工程案例，參照國家、行業(yè)及典型企業(yè)的相關規(guī)范或標準，綜合考慮各影響因素，選擇鉆爆法+U型鋼拱架超前支護、懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護2種方法。

2)懸臂式掘進機成巷速度快，巷道成形度好，對巷道圍巖充填體的破壞小，在及時支護的條件下循環(huán)進尺大，相較于鉆爆法1 m/d的循環(huán)進尺可提高至2 m/d，提升巷道掘進作業(yè)效率。選擇機械非爆掘進的出礦巷掘支總成本為7 380元/m，鉆爆法的出礦巷掘支總成本為9 140元/m，機械非爆掘進的掘支成本較鉆爆法低1 760元/m。

3)從安全、效率和成本3方面分析論證，建議該礦山采用懸臂式掘進機+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護的方法在充填體內(nèi)掘進巷道，在局部充填體質(zhì)量較差時，增設一定數(shù)量的花拱架或U型鋼拱架。

4)懸臂式掘進機存在轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)場不靈活等缺點，在礦山實際應用中，應注意相應的配套工程等。礦山充填體內(nèi)巷道的支護設計在應用初期應選用相對保守的參數(shù)以保證安全，待后期具有一定經(jīng)驗后再根據(jù)實際條件適當優(yōu)化循環(huán)進尺和支護設計。