復(fù)合型支護(hù)技術(shù)在甲瑪銅多金屬礦軟弱破碎巖體掘進(jìn)中的應(yīng)用

趙海洋

摘要：針對(duì)軟弱破碎巖體，目前已形成了多種支護(hù)施工工藝，極大地保證了巷道掘進(jìn)及使用過(guò)程中的安全。由于甲瑪銅多金屬礦特有的地質(zhì)成礦類(lèi)型，在巷道掘進(jìn)施工中存在大量不良工程地質(zhì)體，給地下工程的安全施工與使用造成了極大的困難。在對(duì)甲瑪銅多金屬礦區(qū)軟弱破碎巖體工程地質(zhì)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，提出了中深孔注漿、小導(dǎo)管注漿、超前小管棚等裂隙巖體加固方式，并最終形成了復(fù)合型巷道支護(hù)技術(shù)，成功應(yīng)用在甲瑪銅多金屬礦開(kāi)拓工程支護(hù)過(guò)程中，取得了良好的工程效果。

關(guān)鍵詞：溶蝕密集;軟弱破碎巖體;復(fù)合型支護(hù)技術(shù);巷道掘進(jìn);注漿;管棚支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）07-0050-04doi：10.11792/hj20210710

引 言

西藏華泰龍礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司主要開(kāi)發(fā)建設(shè)甲瑪銅多金屬礦（下稱(chēng)“甲瑪銅多金屬礦”）采選技術(shù)改造工程項(xiàng)目。甲瑪銅多金屬礦位于西藏自治區(qū)拉薩市墨竹工卡縣甲瑪鄉(xiāng)境內(nèi)，海拔4 000～5 407 m，礦權(quán)面積144 km2。甲瑪銅多金屬礦區(qū)受高寒高海拔等客觀條件的制約，礦巖節(jié)理裂隙相對(duì)比較發(fā)育，尤其發(fā)育由溶蝕裂隙填充碎石土形成的破碎松散巖體及以溶蝕流沙層為代表的軟弱破碎巖體，該種巖體支護(hù)難度大，支護(hù)成本較高。礦山針對(duì)該種軟弱破碎巖體采取了部分支護(hù)措施，但這些措施表現(xiàn)出過(guò)度支護(hù)費(fèi)用高、支護(hù)不當(dāng)致井巷垮塌及支護(hù)不系統(tǒng)、針對(duì)性不強(qiáng)等突出問(wèn)題，給礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)造成巨大壓力。

以軟弱破碎巖體比較集中的甲瑪銅多金屬礦二期工程采礦一、二、三標(biāo)段及4 400 m中段開(kāi)拓采準(zhǔn)巷道為研究對(duì)象，針對(duì)軟弱破碎巖體的軟弱、破碎、松散等特點(diǎn)，基于井巷穩(wěn)定性研究結(jié)果，總結(jié)出適應(yīng)于不同分類(lèi)軟弱破碎巖體的穩(wěn)定性控制對(duì)策和支護(hù)方案方法。

基于軟弱破碎巖體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析、三維巖體質(zhì)量分區(qū)分類(lèi)、穩(wěn)定性對(duì)比研究和工業(yè)試驗(yàn)的綜合研究，建立形成基于多因素影響評(píng)價(jià)所對(duì)應(yīng)的支護(hù)方式選擇的完善、簡(jiǎn)潔、科學(xué)、合理的支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用達(dá)到最優(yōu)的耦合支護(hù)效果[1]，形成高效的科學(xué)支護(hù)體系，在巷道支護(hù)方面為礦山降本增效提供有力的技術(shù)支持和保障。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦二期工程總規(guī)模為1 650萬(wàn)t/a（50 000 t/d），目前基建工程已全部施工完成。二期工程采用露天—地下聯(lián)合開(kāi)采。其中，露天開(kāi)采位于礦床上部的角巖型、矽卡巖型礦體，地下開(kāi)采露天開(kāi)采范圍外的矽卡巖型礦體。地下開(kāi)采采用平硐—膠帶斜井+輔助斜坡道+輔助提升豎井開(kāi)拓方式，劃分為南、北2個(gè)采區(qū)開(kāi)采。前期開(kāi)采北區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模為540萬(wàn)t/a。后期南、北2個(gè)采區(qū)聯(lián)合開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模為660萬(wàn)t/a。采礦工藝前期以空?qǐng)鏊煤蟪涮?、兩步驟充填為主，后期以空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法為主。

目前，二期工程地下開(kāi)采基建工程已基本施工完成，實(shí)際揭露礦巖條件較原始地質(zhì)條件差，基建中段存在大面積氧化破碎帶，氧化破碎帶礦量占比36 %。由于甲瑪銅多金屬礦復(fù)雜的成礦類(lèi)型，地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，存在大量巖溶裂隙、斷層破碎帶、巖石崩塌等不良工程地質(zhì)體，給地下工程的安全施工和使用造成了極大的困難。

甲瑪銅多金屬礦井巷圍巖以大理巖、角巖、灰?guī)r、矽卡巖及大理巖化矽卡巖為主。圍巖主要為堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬Ⅲ類(lèi)，工程性質(zhì)較好，但局部區(qū)域受溶蝕裂隙、風(fēng)化等影響，巖體破碎、質(zhì)量差。甲瑪銅多金屬礦二期工程地下開(kāi)采范圍內(nèi)二、三標(biāo)段普遍分布有破碎氧化帶，該氧化帶中Cu品位較高，約1 %，伴生Au、Ag及Mo等金屬，呈現(xiàn)品位高、氧化率高、節(jié)理裂隙發(fā)育、水文地質(zhì)簡(jiǎn)單等典型特征，對(duì)掘進(jìn)與采礦等作業(yè)均具有很大影響。甲瑪銅多金屬礦典型巖體角巖近地表裂隙率1.73 %，鉆孔裂隙率0.01 %～3.78 %，裂隙率具較高水平。礦區(qū)一般近地表裂隙比較發(fā)育，而深部裂隙不發(fā)育，這是巖石在地表及近地表受風(fēng)化和巖層發(fā)生褶皺所致。甲瑪銅多金屬礦床受控于甲瑪—卡軍果推覆構(gòu)造系與銅山滑覆構(gòu)造，造成二期工程開(kāi)采區(qū)域分布不同規(guī)模的破碎帶，嚴(yán)重影響區(qū)域巷道的穩(wěn)定性。甲瑪銅多金屬礦床工程地質(zhì)類(lèi)型屬以平硐冒頂、坍塌為主要工程地質(zhì)問(wèn)題的礦床。工程地質(zhì)勘探類(lèi)型屬第三—四類(lèi)，工程地質(zhì)復(fù)雜程度屬中等型。礦床水文地質(zhì)類(lèi)型屬半干旱區(qū)巖溶充水礦床類(lèi)，溶蝕裂隙充水礦床亞類(lèi)，底板直接充水礦床;水文地質(zhì)勘探類(lèi)型劃分為第二型，水文地質(zhì)條件中等。

2021年第7期/第42卷? 采礦工程采礦工程? 黃 金

2 裂隙破碎帶圍巖加固技術(shù)

為克服不良地質(zhì)條件下因開(kāi)挖而引起的大變形，防止圍巖因過(guò)度變形而產(chǎn)生坍塌[2]，發(fā)生塌方事故，需加固圍巖或阻止圍巖變形。依據(jù)RMR巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)甲瑪銅多金屬礦的三維巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，大部分巖體為Ⅱ、Ⅲ級(jí)，巖體質(zhì)量相對(duì)較好，以節(jié)理化的灰?guī)r、大理巖和矽卡巖為主，且節(jié)理的產(chǎn)狀以與巷道走向大角度交叉為主，有利于巷道穩(wěn)定。Ⅳ、Ⅴ級(jí)巖體以大理巖化矽卡巖為主，在礦區(qū)分布較少，出現(xiàn)時(shí)往往伴隨掌子面潮濕、滲水現(xiàn)象，也是典型的溶蝕裂隙巖體特征。對(duì)于該類(lèi)巖體根據(jù)圍巖的松散程度判定支護(hù)方式，不論永久巷道或臨時(shí)性巷道，對(duì)于能夠提供錨固力的巖體建議以錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)為主;對(duì)于巖體較為松散、巖塊之間鑲嵌砂質(zhì)類(lèi)型，必須盡早進(jìn)行鋼拱架支護(hù)，并考慮是否輔以超前管棚支護(hù)，防止出現(xiàn)大面積的冒頂事件。

1）對(duì)于二期工程采礦范圍內(nèi)的主要巖體進(jìn)行了巖體等級(jí)劃分，針對(duì)每種類(lèi)型巖體等級(jí)確定了支護(hù)方式和類(lèi)別，并制定了包括錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)系列、鋼拱架支護(hù)系列、帷幕注漿支護(hù)系列和噴射混凝土支護(hù)系列等的支護(hù)體系，以及在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同復(fù)雜條件進(jìn)行各類(lèi)支護(hù)類(lèi)型組合，確定了具體的支護(hù)參數(shù)、支護(hù)施工工藝。

對(duì)于錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)類(lèi)型，錨桿長(zhǎng)度不應(yīng)低于巷道寬度的一半，即不應(yīng)低于2 100 mm，錨桿間排距不應(yīng)大于1.0 m，根據(jù)巷道不同使用功能，選擇性使用端錨型錨桿和全長(zhǎng)錨固型錨桿。14#鋼拱架強(qiáng)度滿足二期工程采礦范圍內(nèi)巖體被動(dòng)支護(hù)要求。通過(guò)加強(qiáng)相鄰鋼拱架之間的連接筋方式和在鋼拱架背后及時(shí)敷設(shè)珍珠巖，提高鋼拱架支護(hù)的整體性。

2）針對(duì)巷道不同的掘進(jìn)技術(shù)條件，采用不同的支護(hù)方式。其中，在裂隙破碎且含水不大的巖體中掘進(jìn)施工，一般情況下使用小管棚超前支護(hù)方法，必要時(shí)管棚鋼管內(nèi)加筋、增加網(wǎng)噴初期支護(hù)，形成以小管棚超前支護(hù)為基礎(chǔ)的圍巖組合加固法[3]。在含水較大、溶蝕強(qiáng)烈的地段使用小導(dǎo)管注漿加固法。中深孔注漿法主要用于井巷穿過(guò)溶洞、塌方、泥石流等極為特殊的弱地質(zhì)段的掘進(jìn)施工。

3）對(duì)于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖破碎、冒落堆體中塊度級(jí)配較差（既有巨塊又有粉末泥砂）、裂隙分布無(wú)規(guī)律可循（既有大通道又有小通道）、冒落區(qū)周?chē)鷰r層有一定程度松動(dòng)、裂隙連通性好、冒頂嚴(yán)重（冒頂高度不小于5 m）的區(qū)域，繼續(xù)出渣會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的冒頂事故。因此，有針對(duì)性地提出了以超前小管棚與鋼拱架支護(hù)為基礎(chǔ)，聯(lián)合網(wǎng)噴、鋼筋混凝土加底梁的復(fù)合型巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)方案[4]。復(fù)合型巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)能做到“剛?cè)嵯酀?jì)，先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)”，符合現(xiàn)代支護(hù)原理的要求。小管棚、鋼拱架、網(wǎng)噴是具有一定柔性的支架，放壓到一定程度，待圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，即采用高強(qiáng)度鋼筋混凝土砌筑永久性支架[5]，作為復(fù)合支護(hù)理論先柔后剛的剛性支護(hù)形式，可靠地限制圍巖向空中位移。軟弱破碎巖層中復(fù)合型巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1。

3 復(fù)合型巷道支護(hù)技術(shù)工程應(yīng)用

3.1 工程背景

甲瑪銅多金屬礦北區(qū)開(kāi)拓工程角巖露天膠帶斜井標(biāo)段，工程地質(zhì)情況復(fù)雜，在施工過(guò)程中遇到諸多難以預(yù)測(cè)的問(wèn)題和狀況（見(jiàn)圖2、圖3），使施工難度增大，支護(hù)成本急劇增加，并且對(duì)整個(gè)工程的施工安全帶來(lái)了極大威脅。

3.2 支護(hù)方案

軟弱破碎巖體支護(hù)技術(shù)嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，采取人工為主、設(shè)備為輔的施工措施，能夠很好地控制軟弱破碎巖體的應(yīng)力重新分布，大大減少了施工過(guò)程中的危險(xiǎn)因素。

首先，應(yīng)切實(shí)保證小管棚和鋼拱架超前支護(hù)，以及初期支護(hù)的網(wǎng)噴質(zhì)量，或在局部薄弱環(huán)節(jié)，增加錨桿支護(hù)，以增強(qiáng)圍巖表面約束能力，限制破碎區(qū)向巷道空間發(fā)展。然后，適時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)，如適當(dāng)增加混凝土厚度或增加布筋密度等，以保證初期支護(hù)具有一定的柔性，在巷道不失穩(wěn)的前提下，允許圍巖有較大的變形，讓其充分地釋放能量。同時(shí)，支護(hù)體后期要有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)有效控制圍巖與支護(hù)的過(guò)量變形。

因此，針對(duì)甲瑪銅多金屬礦北區(qū)軟弱破碎巖體采取的支護(hù)方案為：一是實(shí)現(xiàn)裂隙破碎軟巖巷道的復(fù)合型支護(hù)，限制圍巖有害變形的發(fā)展，改善圍巖的受力狀態(tài)，增加圍巖自承圈厚度;二是改變支護(hù)結(jié)構(gòu)，在巷道兩底腳增設(shè)底梁，形成完整的、封閉的支護(hù)整體。為了降低爆破地震效應(yīng)，掘進(jìn)過(guò)程中采用光面爆破、微差爆破等控制爆破技術(shù)，有效地降低了爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。支護(hù)參數(shù)為：

1）管棚沿拱頂外沿布置，間距1.0 m，前后搭接0.5 m。管棚長(zhǎng)度2.0～2.5 m，直徑40 mm，沿拱頂周?chē)獠褰?0°。管身注漿孔直徑6 mm，間距0.3 m，沿管身交錯(cuò)布置。管頭捏成扁形，便于插入和阻止該處大量跑漿。通過(guò)此段冒頂區(qū)后，管棚恢復(fù)到長(zhǎng)4.0 m、間距0.3 m。

2）水泥采用強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥，采用40°Bé、模數(shù)3.0的水玻璃。水泥漿、水灰質(zhì)量比控制在1∶1，水玻璃與水泥漿體積比控制在0.4∶1。該種雙液漿的凝結(jié)時(shí)間60～70 s。

3）鋼拱架間距0.5 m，型號(hào)18，鋼拱架兩側(cè)采用25 mm螺紋鋼錨桿固定，錨桿長(zhǎng)2.5 m，兩側(cè)均需3根錨桿，固幫錨桿間距1.0 m。鋼拱架之間采用22 mm螺紋鋼作為連接筋，以間距0.6～0.8 m沿鋼拱架背部布置，為了提高整體性，可使用三角形搭接方式。采用6 mm鋼筋制作網(wǎng)孔10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)片，鋪在連接筋外側(cè)。網(wǎng)片之間采用鉛絲綁扎。噴射C20混凝土，噴射厚度20 mm。

4）澆筑C30混凝土，澆筑厚度40 mm。

3.3 支護(hù)效果

通過(guò)創(chuàng)新性采用小進(jìn)尺光面爆破掘進(jìn)聯(lián)合多次、多方法的塌方段復(fù)合型支護(hù)施工工藝技術(shù)，成功克服了高原溶蝕裂隙巖層大斷面井巷掘進(jìn)中松散砂礫土巖層松軟、涌水量大、泥石流突發(fā)及高原缺氧等一系列難題和挑戰(zhàn)。目前，露天膠帶斜井施工已經(jīng)順利通過(guò)松散砂礫土夾石富含地下水破碎層，取得了良好的效果。角巖露天礦膠帶斜井掘進(jìn)中應(yīng)用以超前小管棚配合鋼拱架支護(hù)為主要方法，同時(shí)配套網(wǎng)噴初期支護(hù)的軟巖加固技術(shù)，成巷成本節(jié)省9 041.1元/m，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。巷道支護(hù)效果見(jiàn)圖4。

4 結(jié) 論

1）開(kāi)展高原礦山軟弱破碎巖體中井巷支護(hù)技術(shù)研究是一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的工作，其取得的經(jīng)驗(yàn)和成果可以為高原地帶軟弱破碎巖體井巷工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

2）在對(duì)甲瑪銅多金屬礦區(qū)軟弱破碎巖體工程地質(zhì)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，提出了中深孔注漿、小導(dǎo)管注漿、超前小管棚等組成的裂隙破碎井巷復(fù)合型支護(hù)技術(shù)，為甲瑪銅多金屬礦區(qū)的建設(shè)和發(fā)展提供了必要的技術(shù)支持。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Application of composite support technology in excavation

of vulnerable and broken rock mass in Jiama Copper Polymetallic Mine

Zhao Haiyang

（Tibet Huatailong Mining Development Co.，Ltd.）

Abstract：For the vulnerable and broken rock mass，a variety of support construction techniques have been formed，greatly ensuring the safety of roadway excavation and use.Due to the unique geological and metallogenic type in Jiama Copper Polymetallic Mine，there are a large number of unfavorable engineering geological bodies in the roadway excavation construction，which has caused great difficulties in the safe construction and use of underground engineering.Based on the thorough study of the engineering geology of vulnerable and broken rock mass in Jiama Copper Polymetallic Mine，this paper puts forward the reinforcement methods of fractured rock mass，such as medium-long hole grouting，small pipe grouting，advanced small pipe shed，etc.，and finally forms the composite roadway support structure，which has been successfully applied in the development and support process of Jiama Copper Polymetallic Mine and has achieved good engineering effect.

Keywords：corrosion-intensive;vulnerable and broken rock mass;composite support technology;roadway excavation;grouting;pipe shed support