謙比希復雜銅礦床開采聯(lián)合支護技術實踐

王 耀

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 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年被中國有色集團收購，礦山現(xiàn)由中國有色非洲礦業(yè)有限公司經營管理。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、泥質石英巖、基底花崗巖、含礦頁巖、白云質片巖板巖、石英巖底板(隔水層)、含水層。區(qū)內含礦頁巖可以進一步劃分為三部分，即底板片巖、泥質板巖礦體和頂盤礦化泥質板巖。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，結合和黏結性差，巖體整體完整性很差，在這種大水的礦床中，水對層面膠結物有軟化和水化作用，強度會進一步降低。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)。

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

表1 巖體質量分級結果

評價結果：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，應加強支護，確保安全回采。

2.2 礦山井下開采情況

謙比希礦年生產能力約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，分段內礦塊沿礦體走向布置；井下機械化作業(yè)程度比較高，主要作業(yè)設備有鑿巖臺車、裝藥臺車、大型鏟運機、支護臺車、濕噴臺車等。

根據工程地質條件不同，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在結構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，因充填物膠結強度差，造成局部范圍垮落；⑤“十”型交叉巷道結構型的垮落。

3.2 地下采礦支護方式分類及支護原理

地下開采按照支護特性主要分為剛性支護和柔性支護。

(1)剛性支護。能密貼圍巖或深入到巖體內部，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大支護抗力的支護措施。包括錨桿支護、噴射混凝土支護及噴錨(網)復合支護等。

(2)柔性支護。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)生破壞產生的最小松動壓力的支護抗力，從而提高支護安全度。

以上幾種支護方式支護原理[1]如下：

1)錨桿支護

錨桿支護作用理論主要有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，在錨桿預應力作用下，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

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

3)金屬網支護

金屬網一般是在巖石十分破碎情況下使用，可以有效預防頂板碎石的冒落，金屬網可以把大量錨桿聯(lián)結在一起，增加了整體穩(wěn)固性。

4)噴漿支護

噴漿支護主要有3種作用：①結構作用(加固、組合)，即噴層具有良好的物理力學性能，抗壓強度較高，因此能起到結構支撐作用同時由于噴層具有一定的柔性，可以產生一定變形；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、充填起來，產生黏結作用，大大提高圍巖的整體性和強度。在噴漿材料里加入一些纖維、鋼纖維等，噴層表面抗拉強度更高。噴射混凝土在一定程度上改善了圍巖的應力狀態(tài)圍巖由二向應力狀態(tài)轉化為三向應力狀態(tài)。

5)工字鋼支架以及可伸縮U型拱鋼支架支護

鋼支架支護具有可縮性和穩(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型鋼支架是根據拱形受力特點匹配支護巷道頂壓，對巷道支護效果更明顯。

3.3 聯(lián)合支護技術工藝

1)聯(lián)合支護方式選擇

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

(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，選擇柔性支護方式，即錨桿+金屬網支護，錨索加強支護。

(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，選擇柔性支護方式，即錨桿+金屬網支護，局部區(qū)域濕噴支護。

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

(4)第四種巖體破壞主要發(fā)生在高應力區(qū)的崩落法采場，采用剛柔并濟支護方式，即先采用錨桿+錨索支護，然后在頂板裂縫區(qū)域鋼支架支護，鋼支架與頂板之間空區(qū)聯(lián)結用木支護接頂。

(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)域內采用柔性支護方式，即錨桿+金屬網支護，錨索加強支護。

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

2)支護設計

為確定錨桿適當的錨固強度與深度，必須先確定巷道潛在的冒落拱高度。設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，一般取為2；

d——錨桿的直徑，取22mm；

fs——錨桿的抗拉強度，取455MPa；

fc——錨桿與水泥漿的黏結強度，取7MPa。

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

錨桿支護密度，可用式(6)計算

(6)

式中：N——錨桿數目；

K——安全系數，取2；

P斷——錨桿最低破斷力，設計為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)進行計算

(7)

式中：a——錨桿間、排距，m；

G——錨桿設計錨固力，取100kN/根；

K——安全系數，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。

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

同樣理論計算方式，加強錨索支護計算取值：長度L=5m，錨索每排數目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) 支護管理

謙比希礦井下支護采用錨桿臺車、錨索臺車、濕噴臺車等機械化設備，降低了人工勞動強度，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制度，包括敲幫問頂、支護范圍、支護質量、特殊支護要求、支護驗收管理辦法等。在日常管理過程中落實各項支護管理辦法，確保了井下支護質量和進度，同時針對復雜地質條件下支護，現(xiàn)場技術和管理人員制定臨時方案措施，并監(jiān)督實施。

4 結論

(1)謙比希礦復雜巖體支護做了大量現(xiàn)場的地質調查，對巖體質量進行了科學分級等重要研究工作；以現(xiàn)場工程實踐為依據，認真總結分析巖體失穩(wěn)機理，為支護方式選擇提供基本遵循。

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