和睦山鐵礦近頂柱礦巖穩(wěn)定性分析研究

李國(guó)平 張 驥

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

礦巖穩(wěn)定性一直是采礦行業(yè)所持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于軟弱巖層自身物理力學(xué)性質(zhì)較低，加之遭受特殊地質(zhì)條件影響，極易發(fā)生巷道支護(hù)失效，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)［1］。

和睦山鐵礦是安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司的一個(gè)主力礦山，由后和睦山礦段和后觀音山礦段組成。當(dāng)前各生產(chǎn)中段（-250 m、-300 m）回采分層均已接近中段間頂柱位置，部分主要巷道及采區(qū)聯(lián)巷受采動(dòng)、地壓影響，頂板及兩幫變形較為嚴(yán)重，對(duì)井下采區(qū)生產(chǎn)存在一定安全隱患。針對(duì)此問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析和睦山鐵礦巷道圍巖穩(wěn)定性，分析巷道圍巖形變特征，以制定相應(yīng)的支護(hù)方式來提高巷道的穩(wěn)固性。

1 近頂柱礦巖穩(wěn)定性調(diào)查分析

為及時(shí)掌握近頂柱礦巖穩(wěn)固性，需在對(duì)該區(qū)域節(jié)理裂隙調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)近頂柱礦巖穩(wěn)定性重新做出客觀評(píng)價(jià)。

1.1 調(diào)查方法

巖體綜合調(diào)查可以給巖體工程設(shè)計(jì)、施工和巖體工程穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料，也是進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)分析和巖體工程分類的基礎(chǔ)［2］。常見的調(diào)查方法包括鉆孔巖心和沿暴露面調(diào)查。由于鉆孔巖芯調(diào)查操作復(fù)雜、耗費(fèi)較大，而和睦山鐵礦臨近閉坑，不宜耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行鉆孔巖心作業(yè)，因此本研究采用便捷的沿暴露面調(diào)查法對(duì)-250和-300 m這2個(gè)中段進(jìn)行巖體穩(wěn)定性調(diào)查。將測(cè)線上下0.5 m的范圍作為測(cè)帶，調(diào)查工作在測(cè)帶以內(nèi)進(jìn)行?？紤]工作方便，沿巷道壁面距底板1 m處安置測(cè)尺作為測(cè)線。測(cè)尺水平拉緊，基點(diǎn)設(shè)在開始調(diào)查點(diǎn)，從基點(diǎn)開始沿測(cè)線方向?qū)Ω鳂?gòu)造因素進(jìn)行測(cè)定和統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

1.2 調(diào)查地點(diǎn)

依據(jù)礦體的實(shí)際狀態(tài)和調(diào)查規(guī)范要求，擬定對(duì)不同中段與不同水平進(jìn)路的上下盤圍巖、礦體和夾石進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查。經(jīng)過井下實(shí)地勘察后，選取調(diào)查地點(diǎn)在-221 m水平的零盤區(qū)008進(jìn)路、一盤區(qū)100進(jìn)路、二盤區(qū)206和208進(jìn)路、三盤區(qū)307進(jìn)路，-262.5 m水平一盤區(qū)118和106進(jìn)路、二盤區(qū)215進(jìn)路、四盤區(qū)421進(jìn)路以及-269 m水平二盤區(qū)214進(jìn)路（共10個(gè)，分別編號(hào)1#～10#）。

1.3 調(diào)查內(nèi)容

本次巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查的是礦體及頂?shù)装鍘r層產(chǎn)狀、斷層，節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、密度、充填物情況和巖層質(zhì)量指標(biāo)RQD值等，所采用的調(diào)查工具主要是地質(zhì)羅盤、20 m以上皮尺、5 m左右鋼尺和標(biāo)記紅漆、白漆等。

1.4 調(diào)查結(jié)果

根據(jù)所取的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果（表1）來看，礦體夾層圍巖一般穩(wěn)定，但礦體圍巖穩(wěn)定性較差。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)已有采空區(qū)與巷道頂板側(cè)幫中存在斷層泥結(jié)構(gòu)，極易風(fēng)化軟化而出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，加之爆破震動(dòng)的影響，易引發(fā)垮塌或冒頂，是井下開采的重要安全隱患，需要對(duì)采場(chǎng)和巷道的暴露面積進(jìn)行控制。除此之外，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)碳酸鹽細(xì)脈充填結(jié)構(gòu)面，破壞了礦體頂?shù)装宓恼w穩(wěn)固性，在后期開采作業(yè)之中，考慮到采礦工程的擾動(dòng)影響，極易成為不穩(wěn)定因素，引發(fā)垮塌、崩落及冒頂?shù)仁鹿?。因此在開挖過程中，洞軸線與結(jié)構(gòu)面的走向盡量保持一致，角度不宜過大。

所以，近頂柱礦體開采過程中，除合理選擇采礦工藝和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還應(yīng)強(qiáng)化采場(chǎng)支護(hù)，并及時(shí)對(duì)結(jié)束回采進(jìn)路進(jìn)行充填，最大限度減少采空區(qū)暴露面積和暴露時(shí)間。

2 礦巖的穩(wěn)定性分級(jí)

2.1 巖石分級(jí)方法

20世紀(jì)70年代以來，巖石分級(jí)已發(fā)展到定量階段，各種分級(jí)方法普遍利用定量數(shù)值來表示巖體的相應(yīng)特征，并將各單項(xiàng)數(shù)值通過一系列簡(jiǎn)單的運(yùn)算求得巖體質(zhì)量常數(shù)，通過其在分級(jí)表中的位置來確定穩(wěn)定性級(jí)別［3］。國(guó)際上最具有影響力的有兩大分級(jí)系統(tǒng)，第一種是由巴頓等人提出的巖體質(zhì)量分類法，又稱Q系統(tǒng)［4］，另一分級(jí)系統(tǒng)是由賓尼亞夫斯基提出的地質(zhì)力學(xué)分級(jí)法，又稱RMR法［5］。RMR法根據(jù)巖石強(qiáng)度、RQD、節(jié)理間距、地下水等7個(gè)因素對(duì)巖體進(jìn)行評(píng)價(jià)，分值總和稱為巖體質(zhì)量分，用RMR表示，取值范圍為0～100，根據(jù)RMR的大小進(jìn)行分級(jí)。80年代以來，我國(guó)的專家學(xué)者在巖石分級(jí)領(lǐng)域內(nèi)取得了很大的研究進(jìn)展。費(fèi)壽林［6］提出了鑿碎法可鉆性巖石分級(jí)方法，其原理是采用標(biāo)準(zhǔn)的巖石鑿測(cè)器來模擬沖擊式鑿巖的物理過程。

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2.2 綜合分級(jí)

本研究將采用Q系統(tǒng)分級(jí)、RMR分級(jí)和國(guó)標(biāo)BQ分級(jí)三大類分級(jí)方法對(duì)其進(jìn)行綜合分級(jí)。結(jié)合礦巖節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，利用所選分級(jí)指標(biāo)體系，對(duì)和睦山鐵礦后觀音山礦段近頂柱礦巖穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果見表2～表4和圖2。

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3類穩(wěn)定性分級(jí)方法所側(cè)重的參數(shù)不同，Q系統(tǒng)分類法側(cè)重結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)，并考慮了地下水、地應(yīng)力等方面的影響；RMR分類法考慮較全面，但未考慮地應(yīng)力對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響；BQ分級(jí)法所考慮的指標(biāo)參數(shù)相對(duì)更加全面，但對(duì)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度這一參數(shù)較為敏感［7］。故所得巖石穩(wěn)定性分類結(jié)果并沒有保持完全的一致性。然而，從圖2中可以觀察到，后觀音山礦段礦巖穩(wěn)定性多屬于一般—差（III～V級(jí)），因此該區(qū)域礦巖整體性偏差。

綜合巖體穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中的直觀評(píng)判，調(diào)查區(qū)域礦巖穩(wěn)固性分級(jí)情況匯總于表5?？梢钥闯?，后觀音山鐵礦-269 m水平0～2盤區(qū)礦巖穩(wěn)固性相對(duì)較好，屬于穩(wěn)定性一般區(qū)域（III級(jí)），-221 m水平0～5盤區(qū)及-262.5 m水平3～5盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差區(qū)域（IV級(jí)），-262.5 m水平0～2盤區(qū)及-269 m水平3～5盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差與穩(wěn)定性極差的過渡區(qū)域（IV～V級(jí)）。

對(duì)比各礦巖穩(wěn)定性分級(jí)及表6所示各級(jí)別穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)巖體自穩(wěn)能力可以認(rèn)為，在穩(wěn)定性較好地段（III級(jí)）跨度5～10 m情況下，可穩(wěn)定數(shù)月，但在局部不穩(wěn)地段（IV級(jí)），跨度應(yīng)控制在5 m以內(nèi)，并需加強(qiáng)支護(hù)；考慮到部分礦體上盤存在斷層泥為不穩(wěn)固頂板（V級(jí)），無自穩(wěn)能力，因此在回采過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，并及時(shí)回填，避免頂板垮落。

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3 不同礦巖巷道支護(hù)對(duì)策

由于不同巖性、爆破擾動(dòng)等因素，會(huì)出現(xiàn)不同的頂板受壓變形問題，在研究與實(shí)踐過程中，針對(duì)4類不同的礦巖破壞模式提出了相應(yīng)的對(duì)策。

3.1 粉礦、礦巖泥化、破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育部位

首先進(jìn)行全斷面素噴，厚度為30～50 mm，再進(jìn)行全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)，其中錨桿可根據(jù)情況采用1.8和2.4 m長(zhǎng)錨桿或預(yù)應(yīng)力錨桿。第二層混凝土厚度為100 mm，使頂板形成拱效應(yīng)，進(jìn)而防止風(fēng)化。第一次支護(hù)完成后，采用“短掘短支”的辦法，直到順利通過。若在開拓巷道或主運(yùn)輸巷道遇到以上情況，可根據(jù)情況采用U形拱架、砌碹、壁后注漿加固等支護(hù)手段。

3.2 滑移面、礦巖接觸帶部位

將未冒落滑移面用液壓點(diǎn)柱支撐，用6 m長(zhǎng)錨索將滑移面固定在穩(wěn)固圍巖中，再進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿采用2.4 m長(zhǎng)錨桿或預(yù)應(yīng)力錨桿，噴漿厚度100 mm。

3.3 頂板離層或整體受壓下沉部位

采用放頂卸壓，再對(duì)穩(wěn)固圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)。若離層較厚，則采用U形鋼拱架聯(lián)合錨網(wǎng)噴支護(hù)；若遇到頂板完好，因其整體下沉導(dǎo)致巷道高度不夠以及設(shè)備不能順利通行的情況，則不要擾動(dòng)頂板，而需要通過降低巷道底板的方式進(jìn)行巷道修復(fù)，保證正常使用［8］；若因暴露面積過大而導(dǎo)致頂板受壓下沉，則采用人造混凝土點(diǎn)柱支撐的方式改變應(yīng)力分布，減緩巷道下沉速度。

3.4 臨近頂?shù)字貕猴@現(xiàn)部位

在臨近頂?shù)字M(jìn)行采礦時(shí)地壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致頂板的變形加劇，更易造成冒頂片幫等安全隱患以及帶來礦石損失等問題［9］。在臨近頂?shù)字鶗r(shí)，采用以下支護(hù)對(duì)策對(duì)地壓進(jìn)行有效控制。

（1）調(diào)整礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)：將6 m×6.5 m（寬×高）調(diào)整為5 m×5 m（寬×高）。

（2）調(diào)整開采順序：由一步采隔一采一，二步采隔三采一，調(diào)整為每3～5條礦房為1組，連續(xù)開采，充填體配比全部調(diào)整為1∶6，保證充填體強(qiáng)度達(dá)到2 MPa。

（3）優(yōu)化采準(zhǔn)設(shè)計(jì)：采準(zhǔn)聯(lián)巷布置在脈外，離礦體下盤10 m左右，每3～5條礦房由1條短聯(lián)巷相連，取消下分層出礦聯(lián)巷，改為斜坡拉底，并通過反鏟或雙正鏟配合出礦工藝回收斜坡礦石。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)后觀音山礦段節(jié)理裂隙調(diào)查研究，可以得出該礦段礦體夾層圍巖一般穩(wěn)定，礦體圍巖穩(wěn)定性整體上較差。

（2）使用Q系統(tǒng)、RMR和國(guó)標(biāo)BQ分級(jí)3類穩(wěn)定性分級(jí)方法對(duì)礦巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)3種方法在分析過程中所側(cè)重的參數(shù)不同，綜合3種分級(jí)方法結(jié)果可得出后觀音山礦段礦巖穩(wěn)定性屬于一般—差（III～V級(jí)）。由于部分礦體上盤存在不穩(wěn)固頂板，無自穩(wěn)能力，因此在回采過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，并及時(shí)回填，避免頂板垮落。

（3）針對(duì)后觀音山礦段4類不同的礦巖破壞模式，提出了相對(duì)應(yīng)的巷道支護(hù)對(duì)策，以確保安全生產(chǎn)。