不穩(wěn)定礦巖上向進路充填不接頂采礦方法試驗

李占金 李 力 楊立剛 李示波

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實驗室，河北唐山063009;3.山東省第四地質礦產勘查院，山東濰坊261021)

萊州—安丘一帶是山東重要的鐵礦產區(qū)，已發(fā)現(xiàn)并探明鐵礦10余處，正在開發(fā)階段。由于該地區(qū)礦床節(jié)理裂隙發(fā)育、頂板及礦體破碎，屬開采條件復雜、礦巖極不穩(wěn)固的難采礦床，礦山開采效率低、安全難以保證。魯?shù)罔F礦便是其中的典型代表礦山之一，原設計采用普通上向進路充填采礦法，開采過程中經常出現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象，導致生產能力低下，安全隱患突出，嚴重影響了該鐵礦的有效開發(fā)。

1 工程地質條件分析

魯?shù)罔F礦礦區(qū)地表為第四系強含水層，且第四系和風化層厚度較大(最大38.7 m)，地表不允許陷落。礦層為磁鐵蛇紋巖，蝕變作用較強烈。礦體圍巖主要有大理巖、透輝巖、透輝透閃變礫巖、透輝變礫巖。礦體和圍巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中含有蛇紋石和碳酸鹽，巖體破碎，膠結程度差，遇水泥化現(xiàn)象明顯。采掘過程中容易造成局部塌陷，整體穩(wěn)固性差，允許暴露面積小，礦山采用上向進路充填采礦法回采，且回采斷面僅為2.6 m×3.0 m，進路中還經常發(fā)生冒頂、片幫現(xiàn)象，生產效率低，安全性差。

2 原采礦方法

礦山采用上向進路充填采礦法，由下而上，以巷道進路方式回采并充填。階段高度45 m，現(xiàn)有3個階段，分別為 －100、－145、－190 m水平。在階段上，每9 m掘進一個分段平巷，每個分段采3層，分層高度3 m，進路寬度2.6 m。分段開采順序為先采下層，然后采平層，最后采上層，每層出礦完畢后進行充填。進路采用素噴混凝土支護，局部不穩(wěn)定地段采用錨噴支護。因采場進路斷面小、冒頂頻繁、接頂充填次數(shù)多，造成采場生產能力低，僅完成設計生產規(guī)模的60%，嚴重影響了礦山的經濟效益，迫切需要改進采礦方法。

3 采礦方法優(yōu)化

根據(jù)魯?shù)罔F礦礦巖體穩(wěn)定情況及礦山開采技術條件，結合室內試驗及工程經驗，在礦山現(xiàn)有開采技術條件下進行以下5個方面的優(yōu)化技術。

(1)半光爆掘進，保護頂板圍巖。要防止冒頂必須控制好進路頂板圍巖，掘進時采用半光爆技術，即從起拱線以上采用光爆技術，嚴格控制頂板的周邊眼眼距(破碎巖體的周邊眼控制在400～600 mm)，進一步優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)魯?shù)罔F礦回采進路圍巖穩(wěn)定狀況，設計頂部周邊眼眼距500 mm，一次掘進深度1.5 m，分段起爆，爆破參數(shù)設計見表1。

表1 半光面爆破試驗參數(shù)Table 1 Parameter of smooth blasting

(2)超前支護控制頂板。對于魯?shù)罔F礦這種裂隙發(fā)育、塊狀結構的巖體，在進路工作面采用超前長錨桿主動支護形式，工作面開挖前通過施工超前錨桿將進路頂板錨固成一體，在超前錨桿護頂條件下掘進回采進路，減小巷道頂板及兩幫巖體的松動范圍，進而控制頂板變形，然后再噴射柔性纖維混凝土進行二次支護，可取得良好的護頂效果，具體支護方式及參數(shù)見圖1所示。

圖1 超前長錨桿支護布置Fig.1 Advanced bolt support

(3)纖維混凝土噴漿支護控制進路圍巖。魯?shù)罔F礦回采進路采用噴射素混凝土支護，由于巖體破碎膠結程度差，掘進過程中經常出現(xiàn)噴射混凝土大面積脫落現(xiàn)象，從而失去護表能力，導致局部冒頂片幫現(xiàn)象的發(fā)生。為了提高混凝土的抗拉強度和抗剪強度，增加混凝土的護表能力，計劃在魯?shù)罔F礦回采進路實施噴射聚丙烯纖維+鋼纖維混凝土支護。為了驗證支護效果，進行了室內聚丙烯纖維+鋼纖維混凝土和素混凝土的抗拉、抗剪試驗分析，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋼纖維+聚丙烯纖維混凝土剪切強度試驗數(shù)據(jù)Table 2 Parameter of shear strength test

根據(jù)試驗結果，噴射鋼纖維+聚丙烯纖維混凝土與素混凝土相比可以增加混凝土抗拉強度1.5倍左右，韌度指數(shù)增加15% ～17%。從支護效果上看，鋼纖維+聚丙烯纖維混凝土和普通素混凝土有很大區(qū)別:鋼纖維+聚丙烯纖維混凝土的抗破碎性增加，普通混凝土受壓破壞后，往往成斷裂狀;而聚丙烯混凝土在受壓破壞后，仍能保持一定的整體性;而且纖維混凝土在初裂縫發(fā)生后仍有一定的承載能力，支護體噴層和圍巖整體性增強，回采進路掘進后的支護效果明顯;若在噴射混凝土時加適量的早強劑進一步提高混凝土的早期強度，可有效防止冒頂?shù)陌l(fā)生。

(4)進路斷面參數(shù)優(yōu)化。由寬2.6 m增加到3.2 m，高度3.0 m。

(5)應用充填時不接頂技術。每個分段仍分上、中、下層回采，分段高度3 m。下層和平層采用充填不接頂技術，充填高度2.5 m，留0.5 m作為上一個進路掘進的爆破自由面和補償空間，待充填體達到要求強度后，采用壓頂爆破掘進上層進路，第3層進路開采完畢后再充填接頂。

本方案的優(yōu)點是進路充填快，充填及時，空頂時間短，充填體能較好地維護巷道地壓，每個分段垂直高度上由3次接頂充填變?yōu)?次接頂充填，大大減少了充填量、充填時間、接頂充填次數(shù)，可有效提高采礦出礦效率。

4 新方案數(shù)值模擬

采用大型有限元軟件FLAC3D對新方案進行了數(shù)值模擬研究。模型尺寸20 m×40 m×20 m，該模型底部固定，側面限制水平移動，模型上表面為應力邊界，模擬上覆巖體的自重邊界，施加荷載為3.77 MPa。材料破壞符合莫爾庫倫準則。模擬的進路圍巖位移分布和應力分布見圖2～圖5。

圖2 巷道垂直方向應力Fig.2 Perpendicular stress

圖3 巷道垂直方向位移Fig.3 Vertical displacement

圖4 巷道水平方向應力Fig.4 Horizontal stress

圖5 巷道水平方向位移Fig.5 Horizontal displacement

由圖2～圖5可以看出，新的設計方案進路應力和位移等值區(qū)域分布比較均勻，沒有出現(xiàn)局部過大位移變形和應力集中現(xiàn)象，說明支護體和圍巖藕合較好，圍巖變形協(xié)調，支護體受力均勻，方案設計合理、技術可行。

5 現(xiàn)場應用

新設計方案在魯?shù)罔F礦190 m分段2073和2074采場進行了現(xiàn)場試驗，進路掘進采用半光爆技術，頂板破碎段使用3根超前長錨桿護頂，進路全斷面噴射鋼纖維+聚丙烯混凝土支護。采礦方法采用了上向進路充填不接頂開采技術(見圖6～圖7)，下分層和中分層進路充填高度2.5 m，留0.5 m作為上一個進路掘進的爆破自由面和補償空間，待充填體達到要求強度后，采用壓頂爆破掘上層進路，第3層(分段最上分層)進路開采完畢后再充填接頂。

圖6 新方案分段進路布置Fig.6 Sectional route ayout of new scheme

按新方案施工，回采工序得到了簡化，每個分段可減少2次接頂充填的工作，施工速度快，大大減少了破碎礦體空頂時間。新方案施工后，進路穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象，安全性大大提高，試驗采場單進路月生產能力超過2 000 t，采礦效率提高了50%。

圖7 新方案掘進斷面施工順序Fig.7 Construction subsequence of new schemesequence of construction

6 結論

(1)通過實施半光爆技術在周邊眼之間形成了切割裂隙，抑制了炮孔徑向裂隙的延深，降低了對頂板圍巖的擾動，最大限度發(fā)揮了圍巖的自撐能力。

(2)通過超前長錨桿護頂，改用柔性纖維混凝土全斷面支護，充分發(fā)揮了纖維混凝土的抗破碎性和整體性，明顯地提高了支護體和圍巖的藕合程度，支護體噴層和圍巖整體性增強，進路支護效果好。

(3)在超前錨桿和纖維混凝土支護的基礎上，對不穩(wěn)定破碎礦體應用上向進路充填采礦法，應用進路不接頂技術，減少了接頂次數(shù)，簡化了工序，從而大大提高了生產效率。

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