北洺河鐵礦斷層破碎帶區(qū)域巷道掘支施工技術(shù)

周超群

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 邯鄲 056300)

北洺河鐵礦位于河北省武安市上團(tuán)城村北東約1 km處，礦區(qū)范圍2 km2，全礦床地質(zhì)儲(chǔ)量為7 909.71萬t，礦區(qū)共8個(gè)礦體，F(xiàn)e7為主礦體，F(xiàn)e6次之，是“九五”期間國家批準(zhǔn)建設(shè)的唯一一座大型地下黑色冶金礦山。礦床產(chǎn)于燕山期閃長巖與奧陶紀(jì)石灰?guī)r接觸帶，為接觸交代型磁鐵礦床，地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復(fù)雜。采用無底柱分段崩落采礦法，進(jìn)路垂直礦體走向布置，聯(lián)巷沿礦體走向布置，階段高度120 m，分段高度15 m，進(jìn)路間距18 m，上下分層進(jìn)路菱形布置。地表高程+284 m，采礦作業(yè)面位于-185、-200 m水平，-215 m水平正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程施工。

1 礦床地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

北洺河鐵礦位于武安礦田的北端，武安斷陷盆地西緣，NNE向玉泉嶺-礦山村-綦村斷裂束的西側(cè)，產(chǎn)于中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長玢巖接觸帶，為一接觸交代矽卡巖型鐵礦床。北洺河鐵礦埋藏于北洺河河床之下，地表為第四系黃土和河床流砂卵石所覆蓋，局部出露有中奧陶統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r，燕山晚期中酸性二長-閃長巖類侵入，穿插石灰?guī)r體，產(chǎn)生蝕變。礦石主要為磁鐵礦，礦體頂板主要為灰?guī)r，底板為閃長巖，礦體埋深134～679 m，橫剖面上為一大小不等的透鏡體。礦體長1 620 m，寬92～376 m，屬大中型礦床。地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，斷層次之。礦石密度3.91 t/m3，巖石密度2.7 t/m3，松散系數(shù)為1.6。礦石硬度系數(shù)8～12；巖石硬度系數(shù)6～8(頂板)和8～12(底板)。

礦床全部埋藏在地下水位之下，頂板及圍巖為奧陶統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，為水文地質(zhì)極為復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床。

礦區(qū)礦石自然類型的劃分，主要根據(jù)金屬礦物及脈石礦物的種類，相對含量及其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征來確定。主要為塊狀磁鐵礦石、浸染狀磁鐵礦和條帶狀磁鐵礦石三種。稠密浸染狀及塊狀礦石構(gòu)成低硫富礦及高硫富礦，TFe品位較高，而稀疏浸染狀及條帶狀為貧礦。

工作區(qū)內(nèi)TFe平均品位為48.90%，mFe平均品位為46.33%，為需選鐵礦石，按礦石中磁性鐵占有率分類，其磁性率為94.74%，為磁性鐵礦石。

2 F3斷層簡介

礦體東部MB4勘探線到MB5+25勘探線之間存在一條較大的F3斷層，該斷層成因復(fù)雜，由起初的正斷層經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造為具有逆沖性質(zhì)的平移斷層。斷層為一產(chǎn)狀為NW307°∠65°，垂直滑距8.9 m，水平滑距17 m的壓扭性斷層。

該斷層在多水平均有揭露，綜合已有資料，伴隨該斷層的主斷面分布一條寬約10 m的破碎帶，該破碎帶寬度較穩(wěn)定，但破碎帶中巖石的破碎程度稍有差異，在與其他優(yōu)勢構(gòu)造方向交匯處，巖石破碎嚴(yán)重。破碎帶巖石類型由斷層兩盤巖性控制，主要為磁鐵礦、閃長巖及灰?guī)r巖塊，塊度大小不均、較松散，排列基本規(guī)則；巖塊普遍輕度至中度風(fēng)化，巖塊保持原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造，質(zhì)軟，有黃泥充填。因該部位地下水活動(dòng)，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，工程地質(zhì)條件差，工程圍巖極易塌方冒頂[1]。

3 工程現(xiàn)狀及方案制定

3.1 工程現(xiàn)狀

北洺河鐵礦井下F3斷層通過已揭露的工程發(fā)現(xiàn)，該斷層自-110 m水平一直延伸至-245 m水平以下，自北向南貫穿整個(gè)礦體，在-185 m及以上水平掘進(jìn)施工至該斷層時(shí)通常采用U型支架與超前錨桿護(hù)頂?shù)姆绞截炌‵3斷層區(qū)域巷道，局部嚴(yán)重破碎區(qū)域采用滲透注漿膠結(jié)松散體后再施工U型支架與超前錨桿，均順利貫通F3斷層區(qū)域。

隨著采掘活動(dòng)不斷向深部轉(zhuǎn)移，地應(yīng)力不斷增大，-200 m水平13#聯(lián)巷在掘進(jìn)施工接近斷層破碎區(qū)域前，掌子面閃長巖已出現(xiàn)蝕變破碎，在施工過程中采用U25型支架短掘短支“一炮一米，一米一支”，U型支架跟進(jìn)至掘進(jìn)掌子面，為避免掘進(jìn)爆破沖擊波將U型支架沖倒，采用在支架立腿兩側(cè)施工多排開縫錨桿的方式對U型支架進(jìn)行二次加固。但在13#聯(lián)巷東部掘進(jìn)掌子面施工至斷層破碎帶時(shí)發(fā)生塌冒，塌冒礦巖從掌子面向外涌出約6.2 m，將整個(gè)巷道堵死，現(xiàn)場觀察圍巖為蝕變閃長巖，松軟破碎，大部分已破碎為粉末狀，個(gè)別巖塊一捏即碎。根據(jù)塌方現(xiàn)場測算，塌方散體約150 m3以上，且推測頂板以上塌冒空區(qū)高度在5 m左右，已無法采用原掘支方式進(jìn)行施工。

3.2 方案制定

因-200 m水平13#聯(lián)巷斷層破碎塌方區(qū)對應(yīng)上分層-185 m水平外聯(lián)巷位置，可在-185 m水平對應(yīng)塌方區(qū)域施工探空孔確認(rèn)塌冒范圍后，對塌冒空區(qū)進(jìn)行混凝土澆灌，將整個(gè)塌方空區(qū)完全充填密實(shí)；待混凝土凝固后，從上部施工注漿孔，采用滲透注漿的方式對破碎巖體及塌方散體進(jìn)行預(yù)加固，提高圍巖的承載力[2]；待注漿凝固后，采用U型鋼支架與超前錨桿護(hù)頂聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行掘支施工。工程現(xiàn)狀如圖1所示。

4 方案實(shí)施

4.1 塌方空區(qū)探測及澆筑

從-200 m水平塌方空區(qū)對應(yīng)的上水平-185 m水平外聯(lián)巷斜向下施工空區(qū)探測孔(圖2)。根據(jù)探測出的塌方范圍，制定采用鉆孔注漿或爆破崩透塌方區(qū)后直接澆筑混凝土的方式對塌方空區(qū)進(jìn)行充填。本次探測出的塌方空區(qū)位于-185 m水平外聯(lián)巷底板1 m以下位置。因此，采用爆破崩透空區(qū)澆筑混凝土的方式對塌方空區(qū)進(jìn)行澆筑充填。

在施工探測孔前需根據(jù)上下水平揭露的圍巖性質(zhì)及現(xiàn)場實(shí)際情況綜合分析判斷，初步對塌方范圍進(jìn)行估判，選擇安全施工地點(diǎn)，避免在塌方空區(qū)上方支鉆施工時(shí)，一旦塌方高度臨近上水平底板時(shí)，容易出現(xiàn)施工過程中底板冒落，造成人員傷亡事故。

4.2 滲透注漿膠結(jié)加固斷層區(qū)域破碎巖體及塌方松散體

滲透注漿是采用中低壓將水泥漿液壓注到松散破碎孔隙內(nèi)，基本不改變原巖結(jié)構(gòu)和體積，凝固后將破碎巖體膠結(jié)為密實(shí)整體，達(dá)到加固圍巖的目的[2]。

針對-200 m水平13#聯(lián)巷斷層區(qū)域破碎巖體及塌方松散體，在對塌方空區(qū)澆筑完混凝土并凝固28 d達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在13#聯(lián)巷對應(yīng)上水平-185 m外聯(lián)巷垂直向下施工注漿孔。由于斷層區(qū)域圍巖嚴(yán)重破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育，在鉆進(jìn)時(shí)難以成孔，因此采用分段前進(jìn)式注漿方式，即從孔口開始，鉆進(jìn)一段、注漿一段，然后再繼續(xù)鉆孔、注漿，直至孔底最后一段注完為止。每次鉆孔注漿的分段長度可根據(jù)圍巖情況確定，一般為3～5 m，本次根據(jù)以往預(yù)注漿經(jīng)驗(yàn)選取2 m，并在孔口管上安裝法蘭盤進(jìn)行止?jié){。注漿孔間距1.5 m，注漿時(shí)，壓力由小逐漸增大，在達(dá)到設(shè)計(jì)壓力5 MPa或壓力突變時(shí)，停止注漿，拆除孔口法蘭盤，并用鐵板焊接封閉孔口后，進(jìn)行第二個(gè)孔的滲透注漿，依次注漿至圍巖穩(wěn)固區(qū)域后為止。全部孔注漿結(jié)束后凝固周期為28 d[3-4]。圖3為滲透注漿孔施工示意圖，圖4為止?jié){墻剖面示意圖。

為防止?jié){液在壓力作用下從掘進(jìn)掌子面溢出形成導(dǎo)通通道，造成注入的漿液從導(dǎo)通通道不斷溢出，未能在裂隙及破碎松散體內(nèi)有效擴(kuò)散，達(dá)不到膠結(jié)破碎松散體的目的，需要注漿前在掘進(jìn)掌子面修筑鋼筋混凝土止?jié){墻，以保證注漿效果。

鋼筋混凝土止?jié){墻應(yīng)盡量選擇在無水、巖層相對堅(jiān)硬的位置，如有水應(yīng)預(yù)先施工泄放水孔對周邊圍巖進(jìn)行放水處理，清理止?jié){墻位置內(nèi)的一切雜物。為減少注漿量，降低注漿成本，止?jié){墻應(yīng)盡可能靠近掌子面，并利用廢渣或廢石將止?jié){墻和掌子面之間的空區(qū)進(jìn)行充填。

止?jié){墻厚度計(jì)算可參考《采礦手冊》(冶金工業(yè)出版社，1988)第六卷中三心拱矩形隔水墻厚度計(jì)算公式，本次根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)值取止?jié){墻厚度為2 m。在止?jié){墻施工部位的巷道四周施工3排1.6 m空心錨桿，錨桿排距、間距均為0.5 m，錨桿打入墻內(nèi)0.8 m，外露0.8 m，在每排錨桿上編制鋼筋網(wǎng)后，用水沖洗巖幫及底板，開始止?jié){墻的澆筑工作。為確保止?jié){墻的穩(wěn)定，將止?jié){墻嵌入巷道500 mm以上。止?jié){墻養(yǎng)護(hù)天數(shù)不少于28 d。

在設(shè)計(jì)止?jié){墻時(shí)，可根據(jù)周邊圍巖情況設(shè)計(jì)矩形、楔形、連續(xù)楔形墻等方案。

4.3 施工注漿檢查孔

為確保注漿效果，需施工檢查孔進(jìn)行驗(yàn)證，對不符合注漿加固效果的區(qū)域可利用檢查孔進(jìn)行二次滲透注漿膠結(jié)加固。

檢查孔采用Φ75 mm，共設(shè)計(jì)三組，每組5個(gè)鉆孔。平面圖上1、2、3為三組檢查孔，第一組檢查孔布于工作面中心，方位與巷道中心線保持一致。第二組和第三組檢查孔與巷道中心線成4°夾角；剖面圖表示的是每一組檢查孔的5個(gè)鉆孔，每兩個(gè)檢查孔之間的夾角成8°～10°，根據(jù)注漿和斷層破碎帶區(qū)域的范圍確定，原則上全方位控制。

4.4 超前錨桿與U型鋼支架聯(lián)合支護(hù)方式掘支施工

通過檢查孔確認(rèn)頂板圍巖穩(wěn)固后，采用超前錨桿與U型鋼支架聯(lián)合支護(hù)方式向前掘支施工[5]。

施工順序：掘進(jìn)→出渣→臨噴封閉掌子面→U型鋼支架支護(hù)→加固U型支架立腿→對開木充填支架兩幫空隙→U型鋼支架頂部施工4 m長超前護(hù)頂錨桿→鋼支架內(nèi)側(cè)掛網(wǎng)噴漿→進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

1)掘進(jìn)施工時(shí)全斷面爆破，炮眼深度以不超過1.0 m為原則，確保爆破后超前護(hù)頂錨桿置于爆破后掌子面實(shí)體內(nèi)長度為2～3 m，周邊眼間距控制在500 mm以內(nèi)，裝藥孔單孔裝藥量不超過2卷(600 g)，嚴(yán)格遵循周邊孔“多打眼少裝藥”的施工原則。

2)掘進(jìn)爆破后進(jìn)行出渣，出渣后需及時(shí)噴漿封閉掌子面，防止局部區(qū)域注漿加固不到位造成二次塌冒，臨噴厚度一般選擇50 mm。如出渣過程中發(fā)現(xiàn)掌子面有冒落跡象，則立即停止出渣并及時(shí)臨噴封閉掌子面，待穩(wěn)固后再進(jìn)行出渣作業(yè)，出渣時(shí)要少量多次。

3)進(jìn)行U型鋼支架支護(hù)，U型鋼支架間距0.6～0.8 m。安裝時(shí)，對立腿處巷道底板進(jìn)行清理，確保支架立腿落在巷道基巖上。支架立腿確保豎直立正，卡纜螺絲緊固到位。U型鋼支架之間采用9道Φ16 mm的螺紋鋼連接，均勻布置，圍巖穩(wěn)固性較差時(shí)，可在U型鋼支架之間焊接Φ32 mm圓鋼的方式或在支架立腿兩側(cè)施工空心錨桿卡住支架的方式進(jìn)行支架加固。U型鋼支架與圍巖之間采用對開木充填密實(shí)，并將緊靠U型鋼支架部位的對開木用鐵絲牢固綁扎在U型鋼支架上。

4)在U型支架起拱以上施工長度為4.0 m的釬桿或圓鋼進(jìn)行超前護(hù)頂。插桿間距可根據(jù)圍巖破碎情況確定，在裂隙發(fā)育區(qū)域可選擇150～200 mm，圍巖較為破碎時(shí)可選擇密排釬桿，圍巖嚴(yán)重破碎時(shí)可選擇多層超前插桿護(hù)頂?shù)姆绞剑F桿施工上揚(yáng)角度不大于5°，插桿進(jìn)入實(shí)體內(nèi)長度3.0 m，外漏1.0 m，插釬外漏部位位于兩架U型鋼支架之間。

5)U型鋼支架掛網(wǎng)噴漿，噴漿厚度不小于200 mm，確保支架立腿置于噴漿層內(nèi)。

5 結(jié)論

1)北洺河鐵礦斷層破碎帶區(qū)域巷道掘支施工技術(shù)是結(jié)合礦山實(shí)際情況探索出的一種安全、可靠的聯(lián)合支護(hù)施工方案，保證了-200 m水平13#聯(lián)巷的順利貫通。適合在礦山井下地質(zhì)條件差、圍巖嚴(yán)重破碎不穩(wěn)固的巖層中進(jìn)行巷道掘支施工。該聯(lián)合支護(hù)方式支護(hù)后的巷道穩(wěn)固性好、服務(wù)年限長，是一種可供中小礦山借鑒的掘支施工技術(shù)措施。

2)方案中實(shí)施的掘支技術(shù)措施，其他井下礦山可根據(jù)自身礦山實(shí)際情況，借鑒其中部分支護(hù)措施，提高自身礦山支護(hù)質(zhì)量。