軟弱破碎礦體采場(chǎng)支護(hù)技術(shù)研究

劉東銳

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410012；2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410012)

軟弱破碎礦床的開(kāi)采一直是地下礦山開(kāi)采的技術(shù)難題之一，其主要難點(diǎn)在于采取正確合理的支護(hù)方式，控制采場(chǎng)地壓，保證整個(gè)回采過(guò)程中的安全[1-2]。在采礦方法方面，通常采用上向進(jìn)路或下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采，以控制采場(chǎng)頂板。常用的支護(hù)方式有坑木支護(hù)、鋼拱架支護(hù)、錨桿支護(hù)等，其中坑木支護(hù)由于施工簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、技術(shù)門檻低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，但其易腐爛放熱，會(huì)造成采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差、機(jī)械設(shè)備無(wú)法使用等難題[3-4]。

某礦為典型的軟弱破碎礦床，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，開(kāi)采重心逐漸從巖體性質(zhì)相對(duì)較好的區(qū)域向巖體性質(zhì)相對(duì)較差的區(qū)域轉(zhuǎn)移，礦床開(kāi)采技術(shù)條件變差，開(kāi)采環(huán)境也隨之變差。礦區(qū)雖然采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采，在進(jìn)路回采過(guò)程中，仍出現(xiàn)大量的片幫、底鼓現(xiàn)象，因此，采場(chǎng)需要大量的坑木(局部鋼架)進(jìn)行支護(hù)?；夭蛇^(guò)程需要大量的人員，勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)返修量大，坑木遇水放熱，造成工作面作業(yè)環(huán)境差，工人的職業(yè)健康衛(wèi)生無(wú)法得到保證。隨著人口老齡化進(jìn)程及人員工資的升高，要維持礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須對(duì)支護(hù)工藝進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，以提高機(jī)械化程度和勞動(dòng)效率，降低木材的用量，改善井下作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 礦山概況

1.1 礦山開(kāi)采技術(shù)條件

1)工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘探地質(zhì)報(bào)告顯示，礦帶可分三類巖組，其具體情況見(jiàn)表1。其中半堅(jiān)硬—松散類巖組占礦區(qū)比例最大。

表1 各巖組物理力學(xué)特性

2)開(kāi)采技術(shù)條件

礦體呈不規(guī)則脈狀、透鏡狀產(chǎn)于ⅣS礦帶中上部，走向70°～100°，傾向北西—北東，傾角45°～80°，平均68°。沿傾向、走向分支復(fù)合明顯。礦體厚度0.74～6.39 m，平均3.08 m。礦體上盤圍巖為碳酸鹽化碎裂巖，工程揭露后極易塌方，下盤為碎裂安巖-蝕變安山巖，不穩(wěn)固至中等穩(wěn)固，屬塊狀巖類中等偏復(fù)雜型礦床。

1.2 礦山開(kāi)采現(xiàn)狀

礦山經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，開(kāi)采深度已形成14個(gè)中段至800 m，平硐+豎井聯(lián)合開(kāi)拓，中段運(yùn)輸主要采用電機(jī)車運(yùn)輸，兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采，采場(chǎng)采用坑木支護(hù)，充填分為塊石膠結(jié)充填和河砂膠結(jié)充填兩種，進(jìn)路斷面為2.2 m×2.2 m，采場(chǎng)生產(chǎn)能力僅為10～20 t/d，貧化率為5%～8%，損失率為8%～10%。

2 采場(chǎng)現(xiàn)有支護(hù)工藝及存在的問(wèn)題

2.1 采場(chǎng)現(xiàn)有支護(hù)工藝

采場(chǎng)現(xiàn)有支護(hù)主要采用坑木進(jìn)行，具體的有密架、橫撐密支/對(duì)架支護(hù)及稀疏支護(hù)等幾種形式，即在鑿巖、爆破、通風(fēng)及出礦后，對(duì)工作面進(jìn)行清理，隨即進(jìn)行坑木支護(hù)。

隨著開(kāi)采深度的不斷增加，地應(yīng)力隨之增加，加之巖體本身強(qiáng)度不足，節(jié)理裂隙發(fā)育，采場(chǎng)大量采用密集支護(hù)，約占整體比例的50%～60%。

2.2 存在的問(wèn)題

1)木材消耗量大，與當(dāng)今綠色發(fā)展的理念相悖逆；

2)支護(hù)強(qiáng)度不足，采用坑木支護(hù)，雖然可以保證采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定，但無(wú)法保證上下盤穩(wěn)定，隨著開(kāi)采時(shí)間的增加，上下盤圍巖風(fēng)化脫落嚴(yán)重，嚴(yán)重影響采場(chǎng)的穩(wěn)定性；

3)坑木遇水易發(fā)生腐爛放熱，會(huì)造成工作面溫度升高，造成礦山通風(fēng)負(fù)擔(dān)加重，通風(fēng)能耗及通風(fēng)成本急劇增加；

4)整個(gè)支護(hù)過(guò)程缺乏理論支撐，存在盲目過(guò)度或過(guò)少支護(hù)的情況發(fā)生；

5)嚴(yán)重影響高效機(jī)械設(shè)備的運(yùn)用，采場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)能力大幅受限；

6)由于大量采用坑木支護(hù)，底筋無(wú)法深入兩側(cè)圍巖，僅靠上下盤的摩擦力充填體下沉，造成隨著采場(chǎng)逐漸下行，所需要的坑木量越大，且隨著開(kāi)采深度的不斷增加，充填體的重力累加，進(jìn)入深部后，采用坑木支護(hù)，會(huì)無(wú)法滿足采場(chǎng)實(shí)際的支護(hù)需求。

3 軟破礦體采場(chǎng)支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

礦區(qū)實(shí)際回采過(guò)程中，以單進(jìn)路采場(chǎng)居多，因此，僅對(duì)單進(jìn)路采場(chǎng)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 巖體質(zhì)量分級(jí)

由礦區(qū)的工程概況，采用RMR巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，對(duì)三類巖組進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 RMR值計(jì)算結(jié)果表

3.2 支護(hù)重點(diǎn)分析

首層回采過(guò)程中，需對(duì)礦體和上下盤進(jìn)行支護(hù)，其他分層回采過(guò)程中，支護(hù)的重點(diǎn)在于上下盤巖體。

3.3 分類支護(hù)方案

1)半堅(jiān)硬類

由巖體質(zhì)量分級(jí)可知，該類巖組屬一般巖體，5 m跨度可維持7 d內(nèi)自穩(wěn)，屬于礦區(qū)內(nèi)穩(wěn)固性較好的巖體。在該類巖體內(nèi)進(jìn)行回采作業(yè)，支護(hù)方案如下：

①首分層回采

首分層回采過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)礦體及上下盤局部錨網(wǎng)支護(hù)，采用1.0～1.2 m錨桿，網(wǎng)度為0.8～1.0 m，采用管縫式錨桿，采用1 000 mm×2 000 mm的50 mm×50 mm的鋼筋網(wǎng)。

在進(jìn)路兩幫距底板30 cm處，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.2 m，并采用Ф6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.6～1.0 m，見(jiàn)圖1。

圖1 首分層支護(hù)方案圖Fig.1 The first floor support plan

②其余分層

在進(jìn)路兩幫距底板30 cm處，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.2 m，并采用Ф6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.6～1.0 m，見(jiàn)圖2。

2)半堅(jiān)硬—松散類

由巖體質(zhì)量分級(jí)可知，該類巖組屬差的巖體，2.5 m跨度可維持10 h內(nèi)自穩(wěn)，屬于礦區(qū)內(nèi)穩(wěn)固性差的巖體。在該類巖體內(nèi)進(jìn)行回采作業(yè)，支護(hù)方案如下：

①首分層回采

首分層回采過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)礦體及上下盤進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，采用1.2 m錨桿，間排距為0.6～1.0 m，采用管縫式錨桿，管縫錨桿的外徑宜為45 mm，縫寬13～18 mm，管縫式錨桿的初期錨固力不應(yīng)小于25 kN/m；金屬網(wǎng)采用1 000 mm×2 000 mm的50 mm×50 mm的鋼筋網(wǎng)；托板宜采用碟形，材料為Q235鋼，厚度不得小于4 mm，規(guī)格為100 mm×100 mm，支護(hù)時(shí)將錨桿穿過(guò)墊板打入鉆孔中；

在進(jìn)路兩幫距底板30 cm處，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.2 m，并采用Φ6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.6～1.0 m，見(jiàn)圖3。

圖3 首分層支護(hù)方案圖Fig.3 The first floor support plan

②其余分層

上下盤采用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)(見(jiàn)圖4)，錨網(wǎng)參數(shù)參考首層支護(hù)方式。兩幫距底板的錨桿要求施工高度為30 cm，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.2 m，并采用Ф6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.6～1.0 m。

圖4 其余分層支護(hù)方案圖Fig.4 Other layered support methods

3)松散軟弱巖類

由巖體質(zhì)量分級(jí)可知，該類巖組屬極差巖體，1 m跨度可維持30 min內(nèi)自穩(wěn)，屬于礦區(qū)內(nèi)穩(wěn)固性極差的巖體。在該類巖體內(nèi)進(jìn)行回采作業(yè)，支護(hù)方案如下：

①首分層回采

首分層回采過(guò)程中，頂部采用光爆法進(jìn)行爆破，爆破通風(fēng)后，在出礦之前采用木架+背板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在臨時(shí)支護(hù)條件下，對(duì)礦體及上下盤進(jìn)行錨網(wǎng)+坑木聯(lián)合支護(hù)(見(jiàn)圖3及圖5)，坑木排距為0.5～1.0 m；錨桿采用1.5 m的管縫式錨桿，間排距為0.5～0.6 m，金屬網(wǎng)采用1 000 mm×2 000 mm的Ф2.8 mm網(wǎng)孔30 mm的鋼筋網(wǎng)。

在進(jìn)路兩幫距底板30 cm處，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.5 m，并采用Ф6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.6～1.0 m。

圖5 側(cè)面錨網(wǎng)支護(hù)方案圖Fig.5 Side anchor net support scheme

②其余分層

上下盤采用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨網(wǎng)參數(shù)參考首層支護(hù)方式。兩幫距底板的錨桿要求施工高度為30 cm，斜向下15°施工錨桿，長(zhǎng)度為1.5 m，并采用Ф6 mm的圓鋼制作吊筋，吊筋長(zhǎng)度為0.6～1.0 m，間排距為0.5～1.0 m。

3.4 支護(hù)參數(shù)核算

1)錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)新奧法提出的準(zhǔn)則為，對(duì)于完整性較差的中硬巖石，錨桿長(zhǎng)度則取巷道寬度的1/4～1/3，對(duì)于松軟破碎的巖體，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1/2～2/3[7-8]。

巷道寬2.2 m左右，則對(duì)于半堅(jiān)硬—松散類巖體采場(chǎng)，選擇的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)為0.55～0.73 m，對(duì)于松散軟弱巖類巖體采場(chǎng)，選擇的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)為1.1～1.47 m。設(shè)計(jì)半堅(jiān)硬—松散類巖體采場(chǎng)選用1.2 m錨桿，松散軟弱巖類巖體采場(chǎng)選用1.5 m錨桿，則錨桿長(zhǎng)度滿足實(shí)際需求。

2)錨桿支護(hù)網(wǎng)度計(jì)算[9-12]

按照校驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，取間排距相等

(1)

式中：a、b—間排距，m；Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，30 kN/根；K—安全系數(shù)，取2；r—巖體重力密度，26.46 kN/m3。

帶入計(jì)算可得，間排距為0.97 m，半堅(jiān)硬—松散類巖體采場(chǎng)間排距為0.6～1.0 m，松散軟弱巖類巖體采場(chǎng)間排距為0.5～0.6 m，均滿足要求。

3)錨桿直徑驗(yàn)算[8-11]

(2)

式中：l—錨桿長(zhǎng)度，取1.2 m、1.5 m；Δ—錨桿材料抗拉強(qiáng)度，取38 kN/m2。其他參數(shù)同公式(1)。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得，d=20.63～23.07 mm，實(shí)際選用Φ45 mm的管縫式錨桿，證明錨桿直徑選擇較為合理。

4)金屬網(wǎng)強(qiáng)度校核[8-11]

按選用Ф2.8 mm鐵絲編織的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格30～50 mm。

依據(jù)剪切強(qiáng)度校核：

nG≤2NτS

(3)

式中：N—錨桿網(wǎng)度間的金屬網(wǎng)中鐵絲的根數(shù)(10+10)；S—鐵絲的斷面積(6.16 mm2)；τ—鐵絲的抗剪強(qiáng)度(250 N/mm2)；G—可能墜落的最大巖塊重力(6 700 N)。

依上式得：n>2 mm，金屬網(wǎng)能有效網(wǎng)住可能墜落的巖石，保證作業(yè)人員的安全。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述方案選擇80-74#采場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所采礦體為VI-S3礦體，平均厚度為2 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為40 m。上下盤圍巖為碳酸化碎裂巖，較破碎，礦體為碎裂結(jié)構(gòu)、壓碎結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)，屬于典型的半堅(jiān)硬—松散類區(qū)域的巖組特征。

現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)半堅(jiān)硬—松散類巖組所對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，采場(chǎng)邊幫穩(wěn)定性好，未發(fā)生片幫及冒頂，同時(shí)，釋放采場(chǎng)空間，采用遙控裝巖機(jī)+礦車聯(lián)合出礦，采場(chǎng)整體出礦效率提高至30～40 t/d?，F(xiàn)對(duì)采場(chǎng)支護(hù)方法優(yōu)化前后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比(見(jiàn)表3)。

表3 支護(hù)方案優(yōu)化前后對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)某礦軟弱破碎采場(chǎng)支護(hù)中存在的技術(shù)難題，依據(jù)對(duì)礦山典型巖組的質(zhì)量穩(wěn)定性分級(jí)，給出了不同巖組的不同優(yōu)化支護(hù)方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案具有良好的經(jīng)濟(jì)性，可較好地控制采場(chǎng)破壞變形，同時(shí)，采場(chǎng)的出礦效率大幅增加。適合在國(guó)內(nèi)同類型礦體開(kāi)采中大規(guī)模推廣。