香爐山鎢礦東部采區(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究

萬林海，薛小蒙

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012，3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012)

香爐山鎢礦為地下開采，以16 #勘探線為界劃分東、西2個(gè)采區(qū)。東區(qū)為原主采區(qū)，采用平硐開拓，鏟運(yùn)機(jī)裝載，汽車運(yùn)輸，采礦方法主要是留不規(guī)則點(diǎn)柱、條柱的全面法，現(xiàn)已形成大規(guī)模復(fù)雜采空區(qū)，處于采空區(qū)處理與殘礦回采階段[1-2]。長期以來，香爐山鎢礦十多家民營企業(yè)無序的開采導(dǎo)致井下東部采空區(qū)高大雜亂且無處理，至2019年底，東部形成的采空區(qū)體積約為 3×106m3，巨大復(fù)雜采空區(qū)群成為了礦山的安全隱患。香爐山鎢礦東部高大采空區(qū)頂板情況光憑肉眼觀察不到，隨著暴露時(shí)間的增加，頂板受到地壓活動(dòng)和風(fēng)化作用的影響，頂板的穩(wěn)定性下降[3-4]。然而，香爐山鎢礦東部生產(chǎn)運(yùn)輸及行人基本上是在采空區(qū)下進(jìn)行，存在巨大的安全隱患。

1 現(xiàn)狀條件

香爐山鎢礦為矽卡巖型白鎢礦床，具有儲(chǔ)量大，礦石品位高，礦體厚度大，傾角緩等特點(diǎn)，礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固，礦體分布范圍廣，連續(xù)性好，礦體及圍巖含水率低，開采技術(shù)條件好。1W 礦體為主礦體，長1250 m，傾斜長576 m。礦體埋深 40 m～300 m，礦體標(biāo)高358 m～658 m。礦體產(chǎn)狀與香爐山背斜一致，軸部傾伏角為10°～25°，北西翼平均傾角為7°，南東翼平均傾角為38°。礦體厚2.55 m～45.59 m，其中軸部厚度最大，向兩翼逐漸變薄。在軸部礦體平均厚度25.83 m，南東翼平均厚度6.53 m，北西翼平均厚度9.06 m。

東部采區(qū)采用平硐開拓，鏟運(yùn)機(jī)裝載，汽車運(yùn)輸，所用的采礦方法基本上為留不規(guī)則點(diǎn)柱、條柱的全面法，也類似于房柱法，采場凈空跨度10 m～30 m 不等，井下礦柱分布不均，部分頂板暴露面積過大，礦體回采多沿底板掘進(jìn)，許多采空區(qū)頂部礦體殘留，致使對頂部殘礦開采難度極大。由于多年的開采，井下存在大量采空區(qū)未處理，對礦山生產(chǎn)及周邊都是一個(gè)很大的安全隱患，東部采區(qū)目前主要在進(jìn)行殘礦回采[5-6]。

2 運(yùn)輸系統(tǒng)整治方案

高大采空區(qū)頂板情況憑借肉眼觀察不到，隨著暴露時(shí)間的增加，頂板受到地壓活動(dòng)和風(fēng)化作用的影響，頂板的穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)開裂、浮石等情況，然而頂板檢查難度大，大規(guī)模處理存在盲目性，因此，處理難度大。而東部生產(chǎn)運(yùn)輸基本上是在采空區(qū)下進(jìn)行，高大采空區(qū)下人行和車輛運(yùn)輸存在巨大的安全隱患。針對東部運(yùn)輸問題，初步得出了以下方案。

2.1 優(yōu)化運(yùn)輸線路

隨著東部充填量不斷增加，部分區(qū)域已經(jīng)完成充填結(jié)頂，局部頂板安全隱患已經(jīng)解除，原來老的運(yùn)輸線路出現(xiàn)頂板冒落、礦柱開裂等安全問題。因此，根據(jù)現(xiàn)有情況，優(yōu)化調(diào)整礦山原有的運(yùn)輸線路非常重要。運(yùn)輸線路的優(yōu)化應(yīng)結(jié)合微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘查、充填采礦計(jì)劃等，合理調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域路線，嚴(yán)格劃出危險(xiǎn)區(qū)域，禁止通行。運(yùn)輸線路優(yōu)化的宗旨是調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域路線，選擇安全區(qū)域通行，劃分危險(xiǎn)區(qū)域范圍，禁止通行。

2.2 充填運(yùn)輸通道兩側(cè)采空區(qū)

運(yùn)輸通道采空區(qū)頂板不高，頂板情況可以觀察，能夠處理。通過充填運(yùn)輸通道兩側(cè)的采空區(qū)，增加運(yùn)輸通道兩側(cè)充填結(jié)頂率，使運(yùn)輸通道兩側(cè)點(diǎn)柱與充填體形成一個(gè)整體，共同支撐頂板的壓力，有效降低原單個(gè)礦柱的荷載，確保運(yùn)輸通道頂板及礦柱的安全。運(yùn)輸通道兩側(cè)空區(qū)充填方案見圖1。

圖1 充填運(yùn)輸通道兩側(cè)空區(qū)方案

2.3 混凝土人工假巷安全通道

在采空區(qū)運(yùn)輸路線上提前構(gòu)筑混凝土巷道，形成混凝土人工假巷，人員和運(yùn)輸均從人工假巷內(nèi)通行?；炷寥斯ぜ傧锷喜坎煽諈^(qū)可以根據(jù)充填能力一并充填或者滯后充填。充填體內(nèi)混凝土人工假巷運(yùn)輸通道方案見圖2。

圖2 充填體內(nèi)混凝土人工假巷運(yùn)輸通道方案

2.4 腳手架簡易安全通道

臨時(shí)腳手架簡易安全通道方案能夠有效阻擋頂板浮石冒落對通行人員和車輛的傷害，方便可靠，施工簡單，速度快，且材料可以重復(fù)使用，成本相對低廉。對于充填能力有限或者非永久性的運(yùn)輸通道具有很好的實(shí)用性，并且能較好地解決礦山安全通道成本問題。

3 充填體下人工假巷選擇

高大采空區(qū)內(nèi)運(yùn)輸通行安全問題一直是礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。由于礦山歷史原因，井下不完全是巷道式的人行運(yùn)輸安全通道，東部采區(qū)人員通行和運(yùn)輸不可避免地在原來高大老采空區(qū)下進(jìn)行，給礦山安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。充填治理現(xiàn)有運(yùn)輸通道兩側(cè)的空區(qū)不能解決高大采空區(qū)通行的問題，掘進(jìn)新的運(yùn)輸通道亦不具備相應(yīng)的現(xiàn)場條件，為此，研究提出了充填體下人工假巷方案，通過在運(yùn)輸通道上提前構(gòu)筑混凝土人工假巷，形成系統(tǒng)的人行、運(yùn)輸、通風(fēng)通道，然后對采空區(qū)進(jìn)行充填治理，通過充填體支撐頂板，防止頂板塌陷對運(yùn)輸巷道的破壞，徹底地解決高大采空區(qū)內(nèi)的通行問題。

3.1 人工假巷方案

本研究提出了充填體內(nèi)預(yù)留鋼拱架假巷方案、充填體內(nèi)預(yù)留混凝土假巷、充填體內(nèi)預(yù)留鋼板假巷、充填體內(nèi)巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù) 4種人工假巷方案。

（1）充填體內(nèi)預(yù)留鋼拱架假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑人工假巷，對凹凸不平的空區(qū)底板應(yīng)提前進(jìn)行碎石混凝土鋪設(shè)和表面平整。人工假巷斷面采用井下現(xiàn)有巷道斷面規(guī)格（寬3 m×高2.8 m），形狀為三星拱。采用 U 型鋼組成假巷骨架，間距為0.8 m。鋼架之間采用鋼板連接，鋼架內(nèi)附有防止側(cè)向變形的橫撐。

（2）充填體內(nèi)預(yù)留混凝土假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑人工假巷，當(dāng)空區(qū)底板凹凸不平時(shí)鋪設(shè)碎石混凝土。木模板和鋼筋組成骨架，在安全區(qū)域預(yù)制模鑄混凝土，形成鋼筋混凝土假巷。以鋼筋混凝土假巷為安全掩護(hù)，由安全地點(diǎn)出發(fā)、前進(jìn)式進(jìn)行假巷的現(xiàn)場裝配。巷道凈斷面規(guī)格為3 m×2.8 m，形狀為三星拱。模筑鋼筋混凝土厚度為30 cm，強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋采用Φ20螺紋鋼，網(wǎng)度為25 cm×25 cm。

（3）充填體內(nèi)預(yù)留鋼板假巷。在空區(qū)底板構(gòu)筑鋼板假巷。鋼板采用圓形斷面，直徑為 3.5 m，鋼板厚度為2 cm。從巷道底板起，滿足鋼板假巷穩(wěn)定的充填體參數(shù)為5 m 厚度、1 MPa強(qiáng)度。為了避免假巷鋼筋混凝土拱承受較大壓力，每次充填高度不大于 0.5 m，待每次充填體凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度后方可進(jìn)行下次充填。

（4）充填體內(nèi)巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù)。首先對空區(qū)進(jìn)行充填，而后在充填體內(nèi)預(yù)定位置進(jìn)行巷道的爆破掘進(jìn)與支護(hù)。設(shè)計(jì)采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式?；炷羾妼雍穸葹?00 mm，錨桿布置方式為全斷面布置。

3.2 充填體內(nèi)假巷設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

不同假巷對充填體的力學(xué)強(qiáng)度要求有較大差別。以假巷充填層充填500 m3為例（見表1），隨著充填體強(qiáng)度從1 MPa提升至3 MPa，假巷層充填費(fèi)用將由2.7萬元增加至6萬元，充填成本為假巷施工直接成本的 10倍以上。因此，適當(dāng)增加假巷支護(hù)費(fèi)用、降低充填費(fèi)用為假巷設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

表1 假巷穩(wěn)定的充填成本費(fèi)用

（1）預(yù)留鋼拱架假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破掘進(jìn)對充填體的破壞；模板預(yù)埋錨桿、錨網(wǎng)，易與充填體形成整體；柔性封閉、脫水效果好。缺點(diǎn)是鋼拱架對周邊充填體強(qiáng)度要求較高，安全性低。假巷成本為 4446元/m，假巷層充填成本增加9524元/m。

（2）預(yù)留混凝土假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破對充填體的破壞；鋼筋混凝土強(qiáng)度大，抗壓和抗拉性能均較好；對周邊充填體強(qiáng)度要求不高；安全性較高。缺點(diǎn)是鋼拱架、木模板施工較復(fù)雜。假巷成本為4840元/m，假巷層充填成本沒有增加。

（3）預(yù)留鋼板假巷。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)設(shè)假巷，避免爆破對充填體的破壞；避免人員直接在空區(qū)內(nèi)作業(yè)；鋼板強(qiáng)度大，抗壓和抗拉性能均較好；鋼板加工簡便；安全性較高。缺點(diǎn)是全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低。假巷成本為 6319元/m，假巷層充填成本沒有增加。

（4）巷道爆破掘進(jìn)與支護(hù)。優(yōu)點(diǎn)是避免人員進(jìn)入空區(qū)作業(yè)，安全性好。缺點(diǎn)是爆破開挖，支護(hù)成本高；對充填體強(qiáng)度要求高。假巷成本為 4896元/m，假巷層充填成本增加26 667元/m。

在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上比較4種充填體內(nèi)假巷方案，方案1難以避免空區(qū)內(nèi)作業(yè)，方案4爆破掘進(jìn)重新開挖成本高，而方案2、方案3鋼筋混凝土、鋼筒力學(xué)性能好，強(qiáng)度高，可降低周邊充填體強(qiáng)度要求，且能提供井下施工掩護(hù)，而鋼筒全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低，施工成本較鋼筋混凝土高，因此本次推薦充填體內(nèi)預(yù)留鋼筋混凝土假巷方案。

4 結(jié)論

（1）井下高大采空區(qū)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單一的實(shí)施方案和方法不能解決問題，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并針對不同的現(xiàn)場情況，結(jié)合礦山實(shí)際條件，提出相應(yīng)的解決方案。

（2）借鑒破碎軟巖支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，礦山成功引入混凝土人工假巷，通過在采空區(qū)內(nèi)提前構(gòu)筑混凝土人工假巷，然后及時(shí)對空區(qū)進(jìn)行充填治理，有效解決了高大采空區(qū)下的運(yùn)輸和通行問題?；炷寥斯ぜ傧锬軌蛐纬梢?guī)整的運(yùn)輸通道，假巷上部的充填體能夠有效緩沖頂板巖石冒落對假巷的破壞，通過充填接頂有效支撐頂板，人員和礦石運(yùn)輸在混凝土人工假巷內(nèi)進(jìn)行，安全性得到極大的提高。

（3）混凝土人工假巷，為高大采空區(qū)下的運(yùn)輸和通行提供了行之有效的方法。目前，充填體內(nèi)混凝土人工假巷試驗(yàn)已經(jīng)在東部采區(qū)完成，通過構(gòu)筑混凝土人工假巷，局部區(qū)域的井下主運(yùn)輸通道不再有高大采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了巷道內(nèi)通行和運(yùn)輸，安全性得到極大提高?；炷寥斯ぜ傧飳?huì)在東部采區(qū)逐步推廣應(yīng)用，經(jīng)過高大采空區(qū)的東部主要運(yùn)輸通道將獲得安全保障，整個(gè)東部采區(qū)運(yùn)輸和通行將會(huì)更加規(guī)范和合理，從而有效保障東部采區(qū)的安全生產(chǎn)。