淺談松散斷裂帶中巖體成巷研究

王少雷，王加磊，姚樹標(biāo)

玲瓏金礦作為我國金礦開采早期的礦山之一，其地質(zhì)條件復(fù)雜，礦體的形狀多變且類型較多，因此在開采的過程中會(huì)遇到不小的問題。正因?yàn)槠錁?gòu)造的復(fù)雜性以及當(dāng)時(shí)開采手段的單一性，在礦區(qū)內(nèi)一些斷裂帶過于松散，不利于巖體的成巷，因此需要結(jié)合該礦的地理位置、巖性、礦脈結(jié)構(gòu)和水文條件等進(jìn)行施工技術(shù)的研究，從而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、創(chuàng)新技術(shù)手段等。

1 松散巖體的性質(zhì)與特征

1.1 松散巖體的性質(zhì)

松散巖體是一種非均質(zhì)和理想的散體介質(zhì)。由于松散巖體的圍巖支護(hù)不恰當(dāng)導(dǎo)致了成巷道頂部的冒落或者底板下塌，其塊度是隨機(jī)的，大小不一且有粉狀，這就會(huì)影響松散巖體移動(dòng)的規(guī)律。由于巖體的地質(zhì)構(gòu)造類型，使得在頂部圍巖崩落后，形成了許多幾何形狀的塊體，對于孔隙和壓實(shí)度來說是不均勻的。在松散介質(zhì)內(nèi)部，互相接觸的顆粒發(fā)生移位的時(shí)候就產(chǎn)生了內(nèi)摩擦角，這種內(nèi)摩擦角包括靜摩擦、滑動(dòng)摩擦以及滾動(dòng)摩擦。對于松散巖體的粘聚力則與黏土顆粒的多少、濕度以及壓實(shí)度有關(guān)。

1.2 松散巖體的特征

首先松散巖體會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，這是不可逆的塑性變形。松散巖體受外力后水膜厚度和吸附力相關(guān)，這種變形是可逆的，也被稱之為彈性變形。對于不可逆的結(jié)構(gòu)變形，主要是根據(jù)孔隙的變化來判斷，其孔隙比變小則松散程度變小，兩者呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

其次松散巖體具有流動(dòng)性的特征，包括平衡拱破壞整體移動(dòng)和散體顆粒相對移動(dòng)兩種方式。前者是松散巖層向下移動(dòng)時(shí)平衡拱形成和破壞的交替過程，只有平衡拱被破壞，巖層才能夠向下移動(dòng)。而后者是因?yàn)樗蓜?dòng)的顆粒受壓，在質(zhì)點(diǎn)重心建立的空間直角坐標(biāo)系，其決定了巖層的內(nèi)部顆粒移動(dòng)的方式。

2 采礦過程中存在的問題

2.1 采礦效率低

由于我國開采礦產(chǎn)資源的方式比較傳統(tǒng)，充填體的強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，采準(zhǔn)工程布置的方式也會(huì)影響礦產(chǎn)資源開采的效率，這就造成了在礦產(chǎn)開發(fā)的過程中回采的效率很難有比較好的提升，礦塊的生產(chǎn)能力也是有限的。

2.2 安全性較差

由于膠結(jié)材料、料漿裝備、輸送工藝和填充方式的影響，普通礦房的填充強(qiáng)度低，充填接頂和鋼筋網(wǎng)的連接方面效果也欠佳，這就會(huì)造成進(jìn)路回采的安全性低下，加上高水固結(jié)材料的價(jià)格比較高，提高了整個(gè)礦房填充的成本。

2.3 工人的勞動(dòng)強(qiáng)度過大

在進(jìn)行礦房下放物料的時(shí)候，唯一的通道就是通過溜井運(yùn)輸，當(dāng)?shù)V房采至底部時(shí)，物料就需要輾轉(zhuǎn)十幾掛梯路才能夠達(dá)到作業(yè)地點(diǎn)，這對勞動(dòng)力的要求和強(qiáng)度很高，同時(shí)也大大降低了工人們的工作效率。

2.4 回采危險(xiǎn)系數(shù)高

由于向下進(jìn)路力學(xué)承載原理和破壞機(jī)理不可知，加上進(jìn)路斷面、承載層的厚度以及鋼筋網(wǎng)的直徑都需要數(shù)據(jù)優(yōu)化，而且下進(jìn)路的分層間缺少有效的連接，如果建造的假頂承載效果不理想，會(huì)直接掉落，增加了礦山中的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。一部分的鋼筋網(wǎng)懸掛在填充體的表面，在沒有受到外力作用時(shí)，會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，增加進(jìn)路回采的危險(xiǎn)性，因此其制造工藝有待優(yōu)化。

2.5 礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

礦區(qū)中的巖層破碎且類型繁雜，其中最主要的是以黃鐵礦化鉀化花崗巖為主，巖層的周圍是細(xì)小的顆粒，局部伴有絹英巖化，部分夾雜著石英和老地層。由于礦體位于構(gòu)造的破碎帶內(nèi)部，導(dǎo)致了礦體上下巖層的不穩(wěn)定性，巖石群極易破碎，且存在隱性三角節(jié)理。在采礦的過程中，如果遇到破碎的巖體，不外乎兩種，一是巖體原有的結(jié)構(gòu)加上開挖應(yīng)力作用破碎后仍處于原來位置的破碎巖體，也被叫做原位破碎巖，比如圍巖破碎帶。另一種是由于在開采過程中或是開挖的時(shí)候受到了影響而破碎的冒落堆積體或者人工填充體，也被稱為堆積破碎巖體。

3 松散斷裂帶中巖體成巷的研究

3.1 松散斷裂帶中巖體成巷遵循的原則

在斷裂帶中巖體成巷的施工過程中主要是選擇合理的方式施工，這與施工的條件、圍巖的條件、巷道斷面積以及工期和環(huán)境都有密切的關(guān)聯(lián)，需要遵守的基本原則包括選擇合理的開挖方式來對圍巖進(jìn)行保護(hù)，避免對圍巖強(qiáng)度的過度破壞和損傷；在進(jìn)行挖掘是注意重點(diǎn)保護(hù)頂部；合理的確定支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和時(shí)機(jī)；準(zhǔn)確并及時(shí)的進(jìn)行量測和監(jiān)控，從而更有效的指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)；盡量采取預(yù)先支護(hù)的施工方式，促進(jìn)斷面的及早形成；加強(qiáng)重點(diǎn)部分的支護(hù)，避免巷道開挖后部分薄弱的部位坍塌；在施工的過程中，必須要建立起設(shè)計(jì)、施工檢測、地質(zhì)預(yù)測、量測反饋以及修正設(shè)計(jì)的一體化施工管理體系。

松散斷裂帶中巖體成巷一定要選擇有效的支護(hù)方案，才能夠保證施工過程的安全性。支護(hù)必須要適應(yīng)松散體的變形規(guī)律，由于其強(qiáng)度較低，一旦開始施工，變形的壓力就會(huì)上升，支護(hù)結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)大變形的要求，讓圍巖在適當(dāng)?shù)淖冃位A(chǔ)上釋放部分的能量；其次要避免利用圍巖自身的強(qiáng)度進(jìn)行支護(hù)。松散斷裂帶的松散體是不具備承載能力的，與一般的支護(hù)方式不同，對其的巷道設(shè)計(jì)不應(yīng)考慮松散體的自身承載能力，可以采用被動(dòng)的支護(hù)方式，向松散體內(nèi)填充細(xì)料或者泥漿，這樣更有助于粘合，提升承載能力，其受力點(diǎn)才能夠不產(chǎn)生移動(dòng)；支護(hù)的結(jié)構(gòu)需要完整性，由于斷裂帶中的松散體受力后產(chǎn)生一定的移動(dòng)，因此要考慮支護(hù)時(shí)的整體性，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力，預(yù)防松散體變形而導(dǎo)致支護(hù)失效；支護(hù)要提供防御圍巖過分變形的強(qiáng)度，嚴(yán)重變形會(huì)導(dǎo)致巖體自身承載能力的下降，因此在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中允許一定變形的基礎(chǔ)上，提供支護(hù)抗力，這才能夠有效的防止松散體圍巖的變形；支護(hù)一定要及時(shí)才能夠防止頂板的冒落；最后支護(hù)的形式要以經(jīng)濟(jì)合理為基礎(chǔ)，工藝簡單為根本，充分的考慮到臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)同時(shí)間段內(nèi)完成，保證巷道在服務(wù)期限內(nèi)不會(huì)受回采作業(yè)的影響，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理，對于一些服務(wù)年限較長的巷道，搭建起臨時(shí)支護(hù)的同時(shí)，還要進(jìn)行永久支護(hù)，這就要求工藝上的簡約，工人們施工的時(shí)候更容易掌握技巧。

在進(jìn)行巷道施工的時(shí)候，支架的重要性不言而喻。要保證支架承受圍巖的壓力，有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，這樣才有助于生產(chǎn)的正常進(jìn)行；受采動(dòng)的影響，支架要具備工作左立以及可伸縮性；在支設(shè)過后，支架的承載能力要快速達(dá)到應(yīng)有水準(zhǔn)，同時(shí)有良好的工作特性，當(dāng)支架達(dá)到極限的承載能了時(shí)，變形也是隨之發(fā)生的，為了避免突然遭到破壞，要先保證工人的人身安全以及設(shè)備的使用安全；支架需要盡量的減少空間占道，受阻力的系數(shù)也是越小越好；支架構(gòu)件有一定的抗壓性，這樣才能適應(yīng)在井下拉升、彎曲以及壓縮、剪切等復(fù)雜的受力狀態(tài)；支架材料的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能一定要保持穩(wěn)定，既要能防腐、防銹還要無害；支架的制造工藝最好以簡單為主、零件互換的性能好，便于組裝、拆卸以及保管和運(yùn)輸；最重要的是支架的各項(xiàng)費(fèi)用要盡可能的低。

在進(jìn)行巷道施工的時(shí)候也需要具備一定的原則，包括巷道的類型和用途、服務(wù)的年限、巷道圍巖的物理性質(zhì)、巷道的深度、斷面情況、布置額方式、施工的方式、材料的選擇和加工以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性。

3.2 成巷施工的方案選擇

第一是關(guān)于巷道掘進(jìn)方案的選擇。根據(jù)介質(zhì)的特征以及運(yùn)輸平巷對穩(wěn)定性的要求，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的掘進(jìn)技術(shù)和發(fā)展，針對該公司的移動(dòng)松散介質(zhì)，金礦采用掘進(jìn)技術(shù)包括盾構(gòu)法、頂管法、凍結(jié)法、預(yù)先注漿法、預(yù)先襯砌法、插板法、超前插桿法以及管棚法。盾構(gòu)法的施工效率非常高，但相對成本也會(huì)提升，不僅適用于軟巖，而且硬巖也適用，埋深的深度要大于等于6cm，且大于盾構(gòu)直徑的大長隧道，直徑不小于4.2cm 的圓形斷面，因此不適用于礦山運(yùn)輸平巷的中小巷道。頂管法適用于軟土和松散巖體，并且適用于中小巷道，從經(jīng)濟(jì)層面來看，適合深埋，而且巷道斷面多是矩形，施工的效率得到了提升，造價(jià)還低，不過前期準(zhǔn)備的時(shí)間比較長，因此可以在考慮的范圍之內(nèi)。凍結(jié)法適用于淤泥和流沙地帶，這種方法施工效率不高且成本較高，因此不適用。預(yù)先注漿法適用于軟土和含水層，該金礦是以堅(jiān)硬巖石為主，對于大范圍需要支護(hù)的地層得不到很好的效果。預(yù)先襯砌法的施工效率低且造價(jià)高，更適用于土礫等圍巖強(qiáng)度低的地層。插板法的施工效率不高，造價(jià)也比較低，適用于圍巖破碎但底板穩(wěn)定的施工環(huán)境中，因此該方法也不適用。超前插桿法適用于巷道局部需要穿過松軟礦體的地質(zhì)，且冒落散體的塊度較小，容易施工，但是長插桿的施工難度比較大，也不適合金礦開采。管棚法適合軟巖施工，穿過破碎帶、松散帶和軟層等圍巖，同時(shí)適合淺埋和深埋，在進(jìn)行管棚注漿的時(shí)候，最重要的是加固圈構(gòu)建，但是由于介質(zhì)內(nèi)有很多塊石組成的棚架，使得介質(zhì)內(nèi)空洞大且多，這些洞與斷裂帶相連，注漿的時(shí)候在壓力的作用下會(huì)導(dǎo)致一定的空洞泄洪，不能在管棚附近均勻的擴(kuò)散，因此注漿加固圈無法形成，因此可以使用間歇式注漿法，待原注入漿液初凝后再次加注，反復(fù)幾次，則使得泄?jié){通道變小并堵塞，以此達(dá)到均勻的目的，因此管棚法可以考慮。在巷道的掘進(jìn)中，工人對技術(shù)的掌握程度是巷道質(zhì)量和工程進(jìn)度的保障，工人最易掌握的就是插桿法和插板法，其次是頂管法和管棚法，凍結(jié)法需要工人有較高的施工能力，綜合考慮最終可以選擇安全性最好的管棚法、施工效率最高的頂管法以及工人掌握程度最好的超前插桿法。

第二是關(guān)于臨時(shí)支護(hù)方案的選擇。目前我國臨時(shí)支護(hù)的方法主要有木棚支護(hù)、石材支護(hù)、噴錨支護(hù)、金屬支架支護(hù)、前探支護(hù)以及鋼纖維噴射支護(hù)。木棚支護(hù)適用于地壓小、服務(wù)年限小于兩年的小斷面采取巷道，由于其特點(diǎn)與大多數(shù)的巷道圍巖變形規(guī)律不相符，且我國森林資源不足，應(yīng)該盡量不用或少用該方法。結(jié)合臨時(shí)支護(hù)需要和掘進(jìn)方案相結(jié)合，要考慮管棚法、頂管法和超前管棚法的配備程度來選擇臨時(shí)支護(hù)的方案。頂管法不需要臨時(shí)支護(hù)，超前插桿法則是要提前開挖施工，插桿作為超前支護(hù)的同時(shí)也要承擔(dān)一定的臨時(shí)支護(hù)作用，而管棚法中本身就是臨時(shí)支護(hù)。

第三是關(guān)于永久支護(hù)方案的選擇。其中常見的形式有噴錨支護(hù)、拱碹支護(hù)、金屬支架支護(hù)以及聯(lián)合支護(hù)。拱碹支護(hù)適用于服務(wù)年限長，不受采動(dòng)影響，圍巖變形量小的巷道，對于大面積的冒落松散介質(zhì)并不適用，且該方法需要現(xiàn)場的澆筑，對初期支護(hù)的強(qiáng)度要求高，而使用管棚法和超前插桿法的掘進(jìn)施工對臨時(shí)支護(hù)的安全系數(shù)要求較高，因此可以考慮使用鋼筋混凝土作為永久支護(hù)。噴錨支護(hù)的效果好，能夠提升圍巖的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，對于成層巖體的動(dòng)強(qiáng)度低，施工速度快，相對于其他方式具有優(yōu)勢，可以根據(jù)需要改變錨桿的長度、直徑等要素，但是支護(hù)范圍有限，對于沖擊圍巖和大變形軟巖來說，適用程度較低。金屬支架支護(hù)適用于受到動(dòng)壓影響，圍巖變形量較大且條件好、寬度小的巷道。如果松散體中的圍巖條件變差，則需要使用聯(lián)合支護(hù)。金屬支架在安裝的時(shí)候效率高，與其他支護(hù)方式不同的是它可以成為主要承載構(gòu)件，在臨時(shí)支護(hù)后可以直接作為永久支護(hù)。因此采用超前插桿法或者管棚法作為掘進(jìn)方案時(shí)，可以選擇金屬支架支護(hù)或者鋼筋水凝土作為永久支護(hù)。

4 成巷施工工藝技術(shù)研究

經(jīng)過一系列的研究和實(shí)驗(yàn)，該公司金礦在對斷裂帶中松散巖體成巷施工時(shí)，最終采用的是一次成巷的方式，永久支護(hù)只要采用的是三節(jié)U 型鋼可伸縮支架，超前支護(hù)采用的是頂板插桿法支護(hù)，再結(jié)合兩幫U 型鋼拱架插桿支護(hù)。

具體的步驟如下，在兩幫穩(wěn)固位置安裝第一處用于移動(dòng)松散體中巷道頂板超前支護(hù)的支撐裝置，緊靠兩邊位置向上插入工字鋼，與支撐裝置焊接固定，在棚梁上部向前探出工字鋼的超前插桿，中間使用木板連接，與棚梁的接觸面焊接固定，向外轉(zhuǎn)運(yùn)超前插桿的毛石并進(jìn)行清運(yùn)，在穩(wěn)定的底板上鋪工字鋼架，作為U 型鋼拱架的底座，在鋪設(shè)過程中，底部與底座要通過角鋼焊接而成，以U 型鋼拱架為支點(diǎn)，打入鋼管作為兩幫的支護(hù)，然后清理頂部的浮石，對塌陷區(qū)進(jìn)行填充，在搭建棚梁時(shí)鋪設(shè)鋼拱架底座，增強(qiáng)整體支護(hù)的強(qiáng)度。在兩架U 型鋼架中間焊接金屬網(wǎng)，分三次進(jìn)行，在距離巷道頂部超前支護(hù)裝置的2.5m 處安裝第二處支撐裝置，以此重復(fù)進(jìn)行，直至穿越松散的巖體。

5 成巷施工效果研究

5.1 提高采礦效率

在經(jīng)過創(chuàng)新后，新型采礦方式能夠提供備采的進(jìn)路，將落礦、支護(hù)、填充等工序在時(shí)間與空間錯(cuò)開，打破了原來的勞動(dòng)模式，大大提升了勞動(dòng)效率，從而保證采礦量的穩(wěn)定上升。

5.2 安全性的提升

在進(jìn)行成巷施工后，采用新型的填充材料和工藝，這提升了整個(gè)充填的質(zhì)量，強(qiáng)度和人工頂承載厚度，大大改善了填充接頂?shù)男Ч?，而填充體的整體性增強(qiáng)了，這就為施工創(chuàng)造了相對安全的環(huán)境。隨著斜坡道加分段巷的采準(zhǔn)布置形式的出現(xiàn)，使得采場的安全出口數(shù)量增多，安全性增強(qiáng)。

5.3 勞動(dòng)強(qiáng)度的降低

利用鏟運(yùn)機(jī)出礦的方式能夠有效的減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，工人在向采場運(yùn)輸物料的時(shí)候，由于斜坡道直接到達(dá)采場，改變了原本礦井運(yùn)輸物料的方式，從而減輕了工人們運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度，提升了施工的工作效率，有利于人工、材料、設(shè)備的運(yùn)輸。

5.4 填充成本的降低

新型填充材料在成本上要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的高水材料，在用量上，由于新技術(shù)是進(jìn)行分次填充的，材料的配比度更加的靈活，膠結(jié)材料的用量也減少了，而填充進(jìn)路規(guī)格的增加減少了填充的次數(shù)，使得人力成本得到進(jìn)一步的降低。

5.5 損失貧化率的降低

在施工現(xiàn)場布置兩條溜井可以減少損失貧化率，采場設(shè)置專門的泄水天井，進(jìn)一步解決了廢水排放問題，采場的廢水可以分層經(jīng)過聯(lián)絡(luò)巷和分段巷排放至泄水井，從而減少礦石泥化現(xiàn)象的發(fā)生以及含水率的降低。

6 結(jié)論

針對山東黃金礦業(yè)公司中一處斷裂帶的松散巖體成巷研究，進(jìn)行總結(jié)和創(chuàng)新，促進(jìn)我國礦產(chǎn)開發(fā)，發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效用并推動(dòng)行業(yè)科技的進(jìn)步。