錫礦山銻礦圍巖分級及錨噴支護(hù)實踐研究

楊小平

（錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 冷水江417502）

錫礦山銻礦田包括老礦山、童家院、飛水巖及物華等四個工業(yè)礦床[1]，礦床呈緩傾斜似層狀產(chǎn)出，上盤不穩(wěn)固，礦體與下盤穩(wěn)固，采用上盤豎井開拓，應(yīng)用空場采礦法回采，嗣后一次充填處理采空區(qū)。以往巷道采用料石或混凝土支護(hù)，采場頂板留0.8～1.2m的礦石護(hù)頂。為了節(jié)省巷道支護(hù)費用，加快掘進(jìn)速度，提高采場開采回采率，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086－2001），根據(jù)礦床圍巖的巖體結(jié)構(gòu)、巖性以及開挖體的大小、幾何形態(tài)、開挖方式進(jìn)行了錨噴圍巖分級方法研究，并對不同工程的錨噴支護(hù)類型和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行探索。以滿足既能保證生產(chǎn)安全，又能避免工程支護(hù)能力過剩，符合技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的要求。

1 地質(zhì)條件與巖體力學(xué)性質(zhì)

錫礦山銻礦位于新華夏構(gòu)造體系雪峰山隆起帶的東南側(cè)，處于沉降和隆起分異構(gòu)造運動較激烈的地帶，褶皺和斷裂十分發(fā)育。區(qū)域褶皺為一兩端傾沒的復(fù)式背斜，西翼被西部大斷裂切割而遭到破壞，東翼則組成幾個次一級斜列的兩端傾沒的短軸背斜。斷裂主要為縱貫全區(qū)的西部主干大斷裂和其入字型分枝斷裂，走向北北東，傾向北西，傾角60～40°，屬張扭性斷裂，其次為走向北北西和北東東兩組扭性斷裂，以及走向近于東西的張性斷裂，一般長數(shù)十米至百余米[2]。

錫礦山銻礦田處于多種構(gòu)造體系復(fù)合部位，并經(jīng)多次不同方向，不同性質(zhì)的應(yīng)力作用，使構(gòu)造變得非常復(fù)雜。礦床產(chǎn)于西部入字型斷裂下盤幾個次一級兩端傾沒的短軸背斜中。礦床大小及分布范圍受背斜形態(tài)和大小所控制。主要礦體均賦存在厚110m鈣質(zhì)頁巖之下的佘田橋組中段石灰?guī)r的硅化灰?guī)r中，產(chǎn)狀為緩傾斜。由于此段灰?guī)r夾有多層黑色頁巖起到次屏蓋層的作用，礦體也具有多層性，其形態(tài)、產(chǎn)狀和規(guī)模也有差異[1，3]。

巖體分為灰?guī)r、頁巖和礦巖三種類型，灰?guī)r穩(wěn)固，普氏系數(shù)為10～16，容重26.8kN／m3、抗壓強(qiáng)度110.26MPa、抗 拉 強(qiáng) 度 5.55MPa、彈 性 模 量E55.50GPa、泊松比0.161；頁巖不穩(wěn)固，普氏系數(shù)為3～4，容重26.2kN／m3、抗壓強(qiáng)度27.33MPa、抗拉強(qiáng)度3.27MPa、彈性模量 E5.50GPa、泊松比0.209；礦巖很穩(wěn)固，普氏系數(shù)為10～20，容重26.7kN／m3、抗 壓 強(qiáng) 度 161.73MPa、抗 拉 強(qiáng) 度15.21MPa、彈性模量E47.94GPa、泊松比0.115。

2 錨噴圍巖分級方法

2.1 錨噴圍巖分級依據(jù)

我國金屬礦山錨噴圍巖級別的劃分根據(jù)巖石堅硬性、巖石完整性、結(jié)構(gòu)面特性、地下水和地應(yīng)力狀況、毛硐穩(wěn)定狀態(tài)等因素綜合確定，為開挖體圍巖錨噴支護(hù)設(shè)計選擇提供參數(shù)和依據(jù)。錫礦山銻礦錨噴圍巖分級依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086－2001）中錨噴圍巖分級內(nèi)容劃分。

2.2 錨噴圍巖分級方法

由于錫礦山銻礦賦存礦體的巖體結(jié)構(gòu)、巖性的復(fù)雜性，圍巖級別的劃分不能簡單處理，而要根據(jù)不同巖體結(jié)構(gòu)、巖性及水文地質(zhì)條件區(qū)別對待。錫礦山銻礦錨噴圍巖根據(jù)不同巖體結(jié)構(gòu)、巖性，參照國家標(biāo)準(zhǔn)劃分為五級。

1）Ⅰ級圍巖。厚層狀結(jié)構(gòu)灰?guī)r，整體狀及層間結(jié)合良好，硅化或局部硅化，f＝10～20，構(gòu)造影響較微，偶有小斷層。結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，僅有兩到三組，平均間距大于0.8m，以原生和構(gòu)造節(jié)理為主，多數(shù)閉合，無泥質(zhì)充填，不貫通。毛硐跨度5～10m時，長期穩(wěn)定，無碎塊掉落。

2）Ⅱ級圍巖。中厚層或厚層結(jié)構(gòu)灰?guī)r，塊狀結(jié)構(gòu)和層間結(jié)合較好，無硅化，f＝8～20，構(gòu)造影響較重，有少量斷層。結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，一般為三組，平均間距0.4～0.8m，以原生和構(gòu)造節(jié)理為主，多數(shù)閉合，偶有泥質(zhì)充填，貫通性較差，有少量軟弱結(jié)構(gòu)面。毛硐跨度5～10m時，圍巖能較長時間（數(shù)月至數(shù)年）維護(hù)穩(wěn)定，僅出現(xiàn)局部小塊掉落。

3）Ⅲ級圍巖。厚層狀結(jié)構(gòu)頁巖，整體狀及層間結(jié)合良好，f＝3～6，構(gòu)造影響輕微，偶有小斷層。結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，僅有兩到三組，平均間距大于0.8m。毛硐跨度5～10m時，圍巖能維持一個月以上的穩(wěn)定，主要出現(xiàn)局部掉塊、塌落。

4）Ⅳ級圍巖。薄層和軟硬巖互層結(jié)構(gòu)炭質(zhì)頁巖，層間結(jié)合不良，f＝2～4，構(gòu)造影響嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，一般為三組以上，平均間距0.2～0.4m，以構(gòu)造、風(fēng)化節(jié)理為主。毛硐跨度5m時，圍巖能維持?jǐn)?shù)日到一個月的穩(wěn)定，主要失穩(wěn)形式為冒落或片幫。

5）Ⅴ級圍巖。散體狀結(jié)構(gòu)，主要是F75、F3、F219等大斷裂的層間破碎帶以及厚層灰?guī)r中的泥質(zhì)充填溶洞。構(gòu)造影響很嚴(yán)重，多數(shù)為破礦帶、全強(qiáng)風(fēng)化帶、破碎帶交匯部位。構(gòu)造及風(fēng)化節(jié)理密集，節(jié)理面及其組合雜亂，形成大量碎塊體，塊體層多數(shù)為泥質(zhì)充填，甚至呈石夾土狀或土夾石狀。毛硐跨度5m時，圍巖穩(wěn)定時間很短，約數(shù)小時至數(shù)日，甚至一出露即塌落。

3 錨噴支護(hù)類型和設(shè)計參數(shù)的選擇

錨噴支護(hù)設(shè)計是錨噴支護(hù)工程施工作業(yè)的依據(jù)。錫礦山銻礦錨噴支護(hù)的設(shè)計，一般采用工程類比法，對井巷和采場分別進(jìn)行設(shè)計。

3.1 井巷支護(hù)設(shè)計

錫礦山銻礦礦床開拓方式是上盤豎井開拓，主井設(shè)置箕斗，提升礦石和廢石，副井設(shè)置罐籠，上下材料和人員、中段高段30～50m不等。豎井大部分穿過厚層頁巖，采用混凝土支護(hù)，中段石門、車場、中段主干風(fēng)巷、中段間斜井、沿脈、穿脈、運輸平巷，以及各種硐室則根據(jù)圍巖的巖體結(jié)構(gòu)、巖性及開挖體的大小和幾何形態(tài)區(qū)別對待。

1）對于中段石門、主干風(fēng)巷、中段間斜井、沿脈、穿脈、運輸平巷，毛硐跨度不大于5m，Ⅰ級圍巖不支護(hù)；Ⅱ級圍巖噴射50mm厚的混凝土；Ⅲ級圍巖設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，見圖1。錨桿安裝網(wǎng)度1m×1m，并噴射50mm厚的混凝土；Ⅳ級圍巖設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，錨桿安裝網(wǎng)度1m×1m，并噴射80～100mm厚的混凝土；Ⅴ級圍巖一般采用料石或混凝土仰拱，厚度不小于300mm。

圖1 快硬水泥卷錨桿

2）對于中段車場以及各種硐室，毛硐跨度一般在5～10m間，Ⅰ級圍巖噴射50mm厚的混凝土；Ⅱ級圍巖設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，安裝網(wǎng)度1m×1m，并噴射50mm厚的混凝土；Ⅲ級圍巖設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，安裝網(wǎng)度1m×1m，并噴射80～100mm厚的混凝土；Ⅳ級圍巖設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，安裝網(wǎng)度1m×1m，并噴射100～150mm厚鋼筋混凝土；Ⅴ級圍巖采用料石或混凝土仰拱，厚度不少于300mm。

3.2 采場支護(hù)設(shè)計

錫礦山銻礦目前采用的采礦方法有膠結(jié)充填法（亦稱人工壁柱房柱法）、普通房柱法、桿柱砂漿充填法、桿柱房柱法。中厚以上礦體視品位高低和地表需要保護(hù)程度分別采用膠結(jié)充填法和普通房柱法開采，薄礦體亦視品位高低和地表需要保護(hù)程度采用桿柱房柱法開采和桿柱砂漿充填法[3]，桿柱房柱法采礦示意圖見圖2，桿柱砂漿充填采礦法見圖3。

圖2 桿柱房柱采礦方法示意圖

圖3 錨桿護(hù)頂砂漿充填采礦法

兩種采礦方法的礦塊垂直走向布置，長為60m左右，礦房跨度6～15m。其采礦方法的顯著特征是采用空場法回采，嗣后用膠結(jié)充填料或塊石與分級尾礦充填處理采空區(qū)。

膠結(jié)充填法礦塊沿走向劃分為礦壁和礦房，礦壁跨度為8m，礦房跨度為8～10m，用空場法先回采礦壁，嗣后用膠結(jié)充填料充填，待充填體達(dá)到一定的抗壓強(qiáng)度后，再回采礦房，采空區(qū)用塊石或分級尾礦充填?；夭蛇^程中，當(dāng)采場頂板不穩(wěn)固時，留0.8～1.2m的礦石護(hù)頂層。如局部不慎破壞了礦石護(hù)頂，暴露的炭質(zhì)頁巖（Ⅳ級圍巖）設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，網(wǎng)度1m×1m，噴射100～150mm厚鋼筋網(wǎng)混凝土。F75、F3、F219等大斷裂層（Ⅴ級圍巖）如局部暴露，則設(shè)置2.5m長的快硬水泥卷錨桿，網(wǎng)度1m×0.8m，噴射150～200mm厚鋼筋混凝土保護(hù)。普通房柱法采場支護(hù)與膠結(jié)充填法相同。

桿柱砂漿充填法礦塊沿走向劃分為礦壁和礦房，跨度均為6m，因礦體厚度薄，采場頂板不留礦石護(hù)頂，直接采到頁巖層，頂板保護(hù)設(shè)置2.0m長的快硬水泥卷錨桿，網(wǎng)度1m×1m。桿柱房柱法采場支護(hù)與桿柱砂漿充填法相同。

3.3 支護(hù)參數(shù)

噴射混凝土的設(shè)計強(qiáng)度不低于C15，1天齡期的抗壓強(qiáng)度不低于5MPa，體積密度取2200kg／m3。噴射混凝土與圍巖的粘結(jié)強(qiáng)度：Ⅰ、Ⅱ級圍巖不低于0.8MPa，Ⅲ級以上圍巖不低于0.5MPa[4]。鋼筋網(wǎng)材料采用Ⅰ級鋼筋，直徑為4～12mm，鋼筋間距為150～300mm，鋼筋保護(hù)層厚度不小于20mm。井巷噴射混凝土支護(hù)應(yīng)覆蓋頂板和兩幫，采場噴射混凝土支護(hù)僅限于頂板，與頂板連接處的墻體支護(hù)高度不超過0.5m。

4 結(jié) 論

為確保錨桿噴射混凝土支護(hù)工程的設(shè)計施工既能保證生產(chǎn)安全，又能避免工程支護(hù)能力過剩，以符合技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的要求，根據(jù)開挖體圍巖的巖體結(jié)構(gòu)、巖性與開挖體的大小與幾何形態(tài)對圍巖進(jìn)行錨噴分級研究，對不同級別圍巖以及工程需要保護(hù)程度設(shè)計選擇了不同的錨噴支護(hù)類型和參數(shù)。采用錨桿噴射混凝土支護(hù)巷道較料石支護(hù)節(jié)省40%的費用，同時加速了掘進(jìn)進(jìn)度；采場采用錨桿噴射混凝土支護(hù)替代礦石護(hù)頂層，可提高開采回采率5%以上，取得了較好的安全技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

[1]唐湘華.錫礦山銻礦保安礦柱安全開采技術(shù)研究與應(yīng)用[J].湖南有色金屬，2015，31（1）：5－7.

[2]楊小平，祝祿發(fā)，于水.重要建（構(gòu)）筑物下保安礦柱開采試驗研究[J].采礦技術(shù)，2012，12（5）：7－8.

[3]翟文斌.探采結(jié)合在錫礦山銻礦開采中的實踐[J].湖南有色金屬，2015，31（2）：5－10.

[4]趙程偉.塔山礦主平峒噴射混凝土支護(hù)施工[J].山西水利科技，2004（3）：47－48.