底部出礦嗣后充填采礦法采切工程布置及支護(hù)技術(shù)

王社光 楊志強(qiáng) 王福全 何 偉

（河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

對(duì)于采用底部出礦嗣后充填采礦法的采切巷道，如果巷道圍巖破碎，采切工程掘進(jìn)過(guò)程中，支護(hù)不及時(shí)就有可能發(fā)生巷道頂板掉塊或塌方冒頂，嚴(yán)重威脅施工安全［1］。為此，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)須及時(shí)提供足夠的支護(hù)抗力，并在變形中保持足夠的強(qiáng)度，以適合破碎圍巖變形量大的地壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，保障采切工程的穩(wěn)定性。本文以某鐵礦圍巖破碎穩(wěn)定性差為工程背景，開(kāi)展底部出礦嗣后充填法采切工程布置及加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐。

1 工程概況

某鐵礦為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體產(chǎn)于結(jié)晶灰?guī)r或大理巖層間裂隙中，礦體走向總長(zhǎng)2 000 m，寬300～1 000 m，平均厚度為10～44.20 m。礦體形態(tài)以透鏡狀為主，局部呈“帽狀”，總體走向北東14°，傾向南東，傾角為10°～15°，礦體深度為300～800 m。礦山首采區(qū)域?yàn)?230 m水平，根據(jù)已開(kāi)拓的-170，-230 m水平的沿脈及穿脈巷道，揭示礦體及近礦圍巖均破碎。為高度適應(yīng)礦體與近礦圍巖的不穩(wěn)條件，提高采礦效率，采用底部出礦嗣后充填采礦法開(kāi)采礦石并進(jìn)行試驗(yàn)研究。針對(duì)該鐵礦圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，礦巖破碎穩(wěn)定性差等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，井下巷道采用素噴、錨網(wǎng)噴等支護(hù)形式，支護(hù)范圍達(dá)95%以上。受礦巖結(jié)構(gòu)破碎及采場(chǎng)擾動(dòng)影響，多處巷道發(fā)生顯著變形，存在垮幫、坍塌等諸多安全風(fēng)險(xiǎn)，尤以-230 m中段巷道最為顯著（圖1），其圍巖穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約試驗(yàn)工程及礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2 采切工程布置

對(duì)-230 m底部結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)行充分研究與探討，提出-230 m底部結(jié)構(gòu)、-215m誘導(dǎo)拉底形式、-185及-170 m切幫工程布置形式，以及采準(zhǔn)工程與礦巖剖面的相對(duì)位置。

（1）出礦底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在-230 m水平，采用平底塹溝底部結(jié)構(gòu)，利用已經(jīng)形成的3#穿脈巷道作為出礦巷道，在兩側(cè)各打1條塹溝巷道。在塹溝巷道回采后，從出礦巷道向塹溝打出礦橫穿，形成出礦底部結(jié)構(gòu)，采用無(wú)切巷拉槽方式進(jìn)行切割槽爆破，降低采掘比。

（2）底部出礦（誘導(dǎo)）拉底工程布置在-215 m水平，為充分回采下盤(pán)側(cè)礦石，將原采礦法的下盤(pán)分段巷道作為塹溝巷道，形成下盤(pán)出礦的底部結(jié)構(gòu)，為此，重新掘進(jìn)下盤(pán)分段巷道，聯(lián)通已有的下盤(pán)溜井。切割巷道靠近礦體上盤(pán)布置，在切割巷內(nèi)布置切割井。誘導(dǎo)進(jìn)路的間距為12 m，3條誘導(dǎo)進(jìn)路從上盤(pán)向下盤(pán)齊頭退采。

（3）為促進(jìn)礦體冒落和控制冒落邊界，在-185與-170 m水平布置切幫工程。-185 m的切幫工程從分段巷道開(kāi)口施工，-170 m的切幫工程從下盤(pán)運(yùn)輸巷與上盤(pán)穿脈開(kāi)口施工。切幫工程布置在礦塊邊界上，整個(gè)巷道布置在試驗(yàn)采場(chǎng)之內(nèi)。由于現(xiàn)有工程揭露的上盤(pán)礦巖接觸面較破碎，為此不在上盤(pán)礦巖交界部位布置切幫工程，只在礦塊長(zhǎng)度方向的兩側(cè)與下盤(pán)側(cè)布置切幫巷道。

（4）圖2為試驗(yàn)采場(chǎng)長(zhǎng)度方向剖面圖，可以看出試驗(yàn)采場(chǎng)的礦巖剖面形態(tài)與采準(zhǔn)工程的相對(duì)位置。試驗(yàn)中可通過(guò)-185與-170 m切幫工程進(jìn)一步揭露上盤(pán)近礦圍巖的節(jié)理裂隙發(fā)育狀態(tài)，分析其上部近礦圍巖的可冒性，如果發(fā)現(xiàn)不能隨下部礦石的冒落而快速自然冒落，則從-170 m水平打上向斜坡道，在-185 m水平掘進(jìn)巖石切幫工程，并在其內(nèi)打孔爆破形成高度20 m的切割立槽。如誘導(dǎo)近礦圍巖快速冒落，應(yīng)及時(shí)充填礦體內(nèi)的采空區(qū)，確保上覆圍巖安全。

3 采切巷道加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

針對(duì)圍巖穩(wěn)定性、工程重要性、受采動(dòng)應(yīng)力作用條件與服務(wù)等因素進(jìn)行綜合分析，最終確定各采準(zhǔn)巷道加強(qiáng)支護(hù)方式。試驗(yàn)選用三心拱巷道，巷道凈斷面為4.2 m×3.77 m（寬×高）。

3.1 塹溝巷道與誘導(dǎo)進(jìn)路支護(hù)

塹溝巷道主要用于落礦、出礦和形成冒落礦石的聚礦槽，其落礦與出礦功能和誘導(dǎo)進(jìn)路相同，支護(hù)技術(shù)與誘導(dǎo)進(jìn)路相同，首先對(duì)相應(yīng)巷道部位掘進(jìn)過(guò)程圍巖情況進(jìn)行取樣分析，主要測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度、巖石完整性、RQD值，最終判定其為Ⅴ級(jí)圍巖，巖石普氏系數(shù)為6，冒落拱范圍為10～12 m，基于此確定支護(hù)形式及參數(shù)，并通過(guò)聯(lián)合支護(hù)的方法進(jìn)行加固。

（1）一般破碎圍巖支護(hù)。基本支護(hù)形式為噴錨網(wǎng)支護(hù)，選用φ20 mm螺紋鋼樹(shù)脂錨桿［2-3］，錨桿長(zhǎng)2.4 m，排距為0.8 m，間距為0.7～1.0 m，較破碎部位間距為0.7 m，穩(wěn)定性較好部位間距1.0 m。錨桿孔的間距誤差不得超過(guò)0.2 m，梅花形布置，每排9～11根。錨桿孔深2.3 m，外露長(zhǎng)度為0.1 m，采用φ6.5 mm鋼筋焊接鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為0.1 m×0.1 m，噴射混凝土厚度為0.1 m。圖3為塹溝巷道與誘導(dǎo)進(jìn)路不穩(wěn)圍巖支護(hù)形式。

（2）局部破碎程度大的圍巖支護(hù)。局部圍巖破碎程度大，需采用U形拱架+超前錨桿支護(hù)，其是否需要二次支護(hù)需要根據(jù)一次支護(hù)后巷道變形情況確定。當(dāng)巷道支護(hù)層出現(xiàn)明顯裂縫，且裂縫間距不超過(guò)5.0 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)采用錨桿壓鋼筋條+噴漿的支護(hù)形式，鋼筋條由2根φ8 mm鋼筋焊接而成，2根鋼筋間距為0.1 m，長(zhǎng)度為2.5 m；均采用噴錨網(wǎng)支護(hù)［2-3］，采用2.4 m長(zhǎng)樹(shù)脂錨桿，間距0.8m，2次噴漿厚度為0.1～0.15 m。

3.2 斜坡道、分段巷道與切幫巷道支護(hù)技術(shù)

對(duì)于斜坡道與分段巷道，服務(wù)期限較長(zhǎng)但受采動(dòng)壓力作用較小，對(duì)于穩(wěn)定圍巖，可不支護(hù)；對(duì)于中等穩(wěn)定圍巖，采用噴射混凝土支護(hù)，或噴漿后再用錨桿支護(hù)頂板；對(duì)于極不穩(wěn)定圍巖，采用7～12根錨桿的噴錨網(wǎng)支護(hù)形式。切幫工程用于引導(dǎo)礦石按采場(chǎng)設(shè)計(jì)范圍自然冒落，其支護(hù)級(jí)別可適當(dāng)降低。主體采用噴錨支護(hù)形式，用2.0 m長(zhǎng)樹(shù)脂錨桿，噴漿厚度為50～80 mm。

3.3 底部結(jié)構(gòu)形成與特殊支護(hù)技術(shù)

底部結(jié)構(gòu)的掘進(jìn)與支護(hù)，需要考慮現(xiàn)有工程的穩(wěn)定性與采動(dòng)壓力的影響，出礦巷道取用已經(jīng)形成的3#穿脈巷道，由此開(kāi)口的、對(duì)底部穩(wěn)定性影響較大的出礦橫穿，應(yīng)在卸壓狀態(tài)下開(kāi)掘。這樣2條塹溝巷道可以與誘導(dǎo)工程同時(shí)掘進(jìn)，也可在切割槽部位先施工1個(gè)出礦橫穿，協(xié)同誘導(dǎo)工程松動(dòng)出礦。在誘導(dǎo)工程回采長(zhǎng)度達(dá)到持續(xù)冒落跨度后，開(kāi)始退采其下塹溝巷道，在塹溝巷道回采后，再掘進(jìn)出礦橫穿。

出礦橫穿放出礦量多，磨損大，需要特殊支護(hù)。先采用噴錨網(wǎng)+錨索支護(hù)［4-6］，錨桿間距為0.8 m，錨索排距2.0 m，每排支護(hù)6根錨索。見(jiàn)圖4。出礦巷道在現(xiàn)有噴錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，與出礦橫穿聯(lián)接處的丁字口補(bǔ)加錨索支護(hù)。另外，在每一出礦橫穿的端部口位置，架設(shè)4架U型可縮式金屬支架，并澆注鋼筋混凝土將拱架覆蓋，形成1.6 m寬的金屬架+鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增大出礦口的支護(hù)強(qiáng)度。

4 采切工程爆破參數(shù)

對(duì)不同巷道斷面進(jìn)行取樣試驗(yàn)，測(cè)定巖石單軸抗壓強(qiáng)度，確定不同巷道的巖石普氏系數(shù)，結(jié)合巖石力學(xué)分析和光面爆破理論，采用Lsdyna軟件模擬爆破效果，逐步優(yōu)化掏槽形式、輔助孔及周邊孔布置和裝藥形式，計(jì)算采切工程的掘進(jìn)方式采用簡(jiǎn)易光面爆破，沿設(shè)計(jì)的斷面輪廓線布置孔距300～450 mm的炮孔，采用空氣間隔裝藥的不耦合裝藥方式，形成比較規(guī)整的斷面形狀，減少掘進(jìn)超挖量和爆破對(duì)圍巖的破壞程度。由于圍巖破碎和巷道斷面較大，應(yīng)據(jù)圍巖穩(wěn)定性與可爆性合理調(diào)試爆破參數(shù)，以便取得合理的巷道進(jìn)尺，又保護(hù)巷道的穩(wěn)定性。最終確定簡(jiǎn)易光爆參數(shù)如下：孔徑40 mm，光爆層厚750 mm；周邊孔間距a=300～450 mm；掏槽方式采用桶形掏槽，采用直徑32 mm的2號(hào)巖石硝銨炸藥藥卷；炮孔深度1.8 m，掏槽孔超深0.2 m；周邊孔采用不耦合裝藥；非周邊孔每個(gè)炮孔的裝藥深度是孔深的2/5～2/3，掏槽孔要比其他炮孔多15%～20%；炸藥單耗為2.24 kg/m3，炮孔線裝藥量為0.84 kg/m，每次循環(huán)所需藥量約34 kg；采用毫秒微差雷管同時(shí)起爆。

5 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化研究及實(shí)踐應(yīng)用，不同地質(zhì)及使用條件的巷道支護(hù)效果良好，開(kāi)展底部出礦嗣后充填法試驗(yàn)的2個(gè)礦房采切工程均按設(shè)計(jì)完成采充期間的服務(wù)時(shí)限，未發(fā)生冒頂片幫情況，未進(jìn)行返修，降低采掘比3.5 m/萬(wàn)t，單個(gè)礦房增加回收殘礦2.6萬(wàn)t，礦塊回采周期降低，提高整體回采能力，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。

6 結(jié) 論

（1）針對(duì)復(fù)雜破碎礦體，結(jié)合底部出礦嗣后充填采礦法試驗(yàn)要求，在現(xiàn)有開(kāi)掘巷道的基礎(chǔ)上，優(yōu)化并提出采切工程布置方案，確定-230 m底部結(jié)構(gòu)、-215 m底部出礦誘導(dǎo)拉底工程、-185及-170 m切幫工程布置形式等。

（2）針對(duì)復(fù)雜破碎礦體，結(jié)合圍巖穩(wěn)定性、工程重要性、受采動(dòng)應(yīng)力作用條件等因素，提出不同地質(zhì)條件及使用條件下的采準(zhǔn)巷道加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)：塹溝巷道與誘導(dǎo)進(jìn)路一般破碎圍巖采用噴錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)、局部破碎圍巖采用U形拱架+超前錨桿支護(hù)技術(shù)、發(fā)生明顯變形部位外加錨桿壓鋼筋條二次支護(hù)技術(shù)、分段巷道采用噴混凝土支護(hù)或噴漿后再用錨桿支護(hù)頂板技術(shù)、切幫巷道采用噴錨支護(hù)技術(shù)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，支護(hù)效果較為穩(wěn)定，研究成果可為大規(guī)模應(yīng)用底部出礦嗣后充填法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。