一種基于極易破碎含水板巖順層巷道施工方法研究

摘要：在極易破碎的含水巖體中如何安全高效地施工斜井、斜坡道、平巷等地下巷道，一直以來都是工程技術(shù)人員所需要面對的關(guān)鍵問題，如何控制巷道成型及冒頂片幫事故率更是難點問題。以磨坊深部磷礦地下采礦開拓工程項目的二采區(qū)輔助斜坡道施工為例，圍繞井巷施工的工序，從巖體掘進(jìn)方式和幫頂圍巖支護(hù)的角度出發(fā)，研究一種對圍巖擾動小、支護(hù)合理的巷道施工工藝方法，從而降低巷道施工過程中的冒頂片幫事故頻次，以確保圍巖條件下的巷道施工安全及工程施工進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：井巷掘進(jìn)；巷道支護(hù)；光面爆破；“短掘快支”

1研究背景

甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的甕福磷礦在歷經(jīng)30余載的露天開采后，其淺部磷礦資源的開發(fā)已接近尾聲，各大礦區(qū)已陸續(xù)實施向深部資源延伸的地采項目的建設(shè)，以滿足企業(yè)下游對原礦石的持續(xù)供給需求。磨坊深部磷礦地下采礦開拓工程項目便是其中之一，目前，各井巷開拓工程已全面展開，建成達(dá)產(chǎn)150萬t/a，足見其建設(shè)意義重大。

然而，磨坊深部磷礦二采區(qū)輔助斜坡道全長2 300 m，坡度為12.99°，標(biāo)高+1 250 m～+810 m，設(shè)計巷道尺寸為4.10 m×3.75 m，屬較大斷面巷道。該斜巷分別需穿過清水江組板巖段、陡山沱組和燈影組第一段，其中有接近560 m系處于清水江組板巖段內(nèi)（Pt31dq），該段屬極易破碎的含水板巖，穩(wěn)定性不足，且該巷道設(shè)計傾角基本與板巖傾向一致。

根據(jù)項目建設(shè)進(jìn)度計劃，二采區(qū)輔助斜坡道施工采用傳統(tǒng)鉆爆法施工，爆破孔眼參數(shù)為掏槽孔12個，輔助孔13個，底孔7個及周邊孔17個。其中，掏槽孔深2.70 m，其余孔深2.50 m。但由于二采區(qū)輔助斜坡道圍巖為極易破碎的含水板巖，穩(wěn)定性不足，在前136 m的巷道掘進(jìn)過程中累計發(fā)生12次冒頂（6次≥20 m3）及1次片幫（冒頂處置時間達(dá)58 d），冒頂片幫事故發(fā)生頻率較高。不可控的頂板冒落，極大地危害了施工人員安全。后期需對冒落巖體進(jìn)行處理后才能進(jìn)行下一步掘進(jìn)，否則將嚴(yán)重延誤工期。

2傳統(tǒng)爆破時易冒頂?shù)姆治?/p>

在采用傳統(tǒng)爆破時，掌子面的柱狀炸藥震源激發(fā)巖石破碎，炸藥震源的影響范圍主要包括粉碎破壞帶、破裂帶、拉裂帶及震動區(qū)。其中，能夠?qū)r石進(jìn)行有效破壞的區(qū)域為粉碎破壞帶、破裂帶及拉裂帶。但在實際情況下，震波的傳播過程是連續(xù)的，因此實際破碎形式也應(yīng)是一個連續(xù)的過程，無法明確區(qū)分各個破壞帶的界限。

結(jié)合炸藥與巖石的力學(xué)公式，巖石在柱面波作用下的受剪破壞范圍的半徑可表示為：Rp=1R0uwmWεp0.455W-1C+0.12W-1Df-0.575W-1Dm+1.23-30.5式中：R0為柱狀炸藥的裝藥半徑。

對于該巷道圍巖而言，清水江組板巖屬于半堅硬巖類，參數(shù)取值按照一般巖石進(jìn)行計算，即εp=3.35×10-3，WR0=15.2R0，uwm=31.1 m/s，C=2 050 m/s，Df=2 275 m/s，Dm=4 200 m/s。將以上系數(shù)代入可得，清水江組板巖在柱狀炸藥爆破下的受剪破壞范圍為：Rp=21.2R0。

巖石在柱面波作用下的受拉破壞范圍關(guān)系可表示為：Rb=Rpεpεb0.5式中：εb為巖石的徑向應(yīng)變達(dá)到抗拉強度時的應(yīng)變。

按照一般巖石進(jìn)行計算，參數(shù)取值為：εb=2.61×10-4，將以上系數(shù)代入可得，清水江組板巖在柱狀炸藥爆破下的受拉破壞范圍為：Rb=76.0R0。

從以上分析可以得到，受拉破壞范圍明顯大于受剪破壞范圍，因此，以受拉破壞范圍來討論炸藥爆破對于圍巖的影響。

在采用原來的傳統(tǒng)爆破時（全斷面常規(guī)穿孔裝藥爆破，裝藥半徑30 mm），代入上述兩個公式可得：受拉破壞帶的半徑為2.280 m，整個破碎面的直徑可達(dá)到4.560 m。而4.560 m大于設(shè)計巷道高度3.750 m，并且在破碎帶之外，炸藥震源還存在震動帶，震動帶內(nèi)圍巖受到爆炸影響，易產(chǎn)生節(jié)理及裂隙，加速圍巖的軟化，降低圍巖的強度，增加冒頂風(fēng)險。因此，常規(guī)的爆破掘進(jìn)方式并不適用于此類極易破碎板巖的順層施工［1］。

3提出新的掘進(jìn)施工工藝

誠然，針對清水江破碎板巖層狀膠凝結(jié)構(gòu)明顯、縱向節(jié)理發(fā)育的狀態(tài)，需要采用合理的光面爆破參數(shù)，有效減少爆破在破碎含水圍巖的擾動，在爆破震動影響最小的情況下打開施工自由面。另外，在此基礎(chǔ)上，可采用機械開挖法進(jìn)行冷掘擴幫，來保證巷道的規(guī)整度。該順層巷道的含水板巖圍巖在掘進(jìn)揭露后，巷道圍巖應(yīng)力會重新分布，加之巷道周圍的板巖中地下水在巷道形成后產(chǎn)生的水流作用會加速板巖風(fēng)化，板巖抵抗應(yīng)力的能力減弱，發(fā)生冒頂片幫事故概率陡然增大，為此，可采用“短掘快支”的施工來快速完成新掘巷道的支護(hù)。

綜上分析，可采用“小爆破掏槽+機械擴幫”短掘快支的施工工藝。首先，調(diào)整板巖內(nèi)巷道爆破設(shè)計的孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥量，即在右下角布設(shè)掏槽孔爆出自由面，如圖1所示。接著采用破碎錘沿著掌子面的右下角往左上角的層理膠凝結(jié)構(gòu)面進(jìn)行巖體微震動破碎掘進(jìn)，按設(shè)計巷道掘斷面尺寸修整出巷道，完成掘進(jìn)作業(yè)，如圖2所示。根據(jù)新掘形成的短掘斷面，采用“鋼拱架+錨網(wǎng)噴”的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。至此，完成一個循環(huán)進(jìn)尺工藝［2］。

4新工藝的可行性分析

現(xiàn)二采區(qū)輔助斜坡道已掘進(jìn)至k0+136 m處，根據(jù)巖石力學(xué)理論，上覆地層壓力可表示為：P0=9.81×10-3H［（1-）ρm+ρ］根據(jù)磨坊深部磷礦工程地質(zhì)報告可知，巖層中的孔隙流體主要為水，其密度為1 g/cm3，清水江組板巖的平均密度為2.76 g/cm3，孔隙度約為0.3%。將以上數(shù)據(jù)代入公式可求取獲得此處掌子面的上覆地層壓力為P0=0.585 1 Mpa，如圖3所示。

從圖3中可以看出，壓力分布與地層分布一致。圖中右下部分壓力較大，因此，在右下部分設(shè)計小爆破掏槽，對右下部分高壓區(qū)域進(jìn)行爆破。爆破后應(yīng)力如圖4所示，圖中右下角圓圈部分為爆破后的空洞，其內(nèi)部壓力為0 Mpa，隨后求取巖石壓力變化的一階導(dǎo)數(shù)圖，爆破后巖石壓力的一階導(dǎo)數(shù)圖像如圖5所示。

從圖4中可以看出，掌子面頂幫的壓力一階導(dǎo)數(shù)為0，說明該區(qū)域應(yīng)力的變化較小，巖層處于穩(wěn)定的狀態(tài)。而在爆破空洞邊緣處，壓力的一階導(dǎo)數(shù)較大，說明該區(qū)域在短時間內(nèi)壓力變化較大。因此，認(rèn)為該區(qū)域的巖層屬于不穩(wěn)定的狀態(tài)，針對該區(qū)域下一步可利用上覆地層壓力和巖體自重，自下而上進(jìn)行機械擴幫處理，控制掘進(jìn)方向，增大目標(biāo)巖體臨空面，減小對圍巖的損傷。同時在掘進(jìn)過程中采取“快支”工藝，對頂板、圍巖進(jìn)行支護(hù)，降低冒頂風(fēng)險，提高作業(yè)面安全，確保巷道掘進(jìn)的速度和質(zhì)量。

綜上分析，采用“小爆破掏槽+機械擴幫”短掘快支的施工工藝在理論上具備可行性［3］。

5工藝實施步驟

（1） 在掌子面右下角應(yīng)力集中處設(shè)計出小掏槽爆破，并將原炮孔深度2.7 m調(diào)整為1.7 m，孔間距為50 cm×80 cm，裝藥系數(shù)為0.65，可根據(jù)掌子面揭露的結(jié)構(gòu)適當(dāng)增加掏槽輔助孔和周邊孔，裝藥系數(shù)控制為0～0.5，組織進(jìn)行爆破。

（2） 待爆破形成臨空自由面后，用破碎錘沿自由面、爆破裂紋及層狀膠凝結(jié)構(gòu)面由下而上進(jìn)行破碎刷幫，按照設(shè)計掘斷面尺寸控制巷道成型，及時鏟挖和裝運。

（3） 根據(jù)揭露圍巖情況綜合判斷，及時組織進(jìn)行支護(hù)骨架安裝，若頂幫圍巖過于破碎，則采用鋼拱架加強支護(hù)，一般情況下采用“錨網(wǎng)噴”支護(hù)即可。

6實施效果

據(jù)統(tǒng)計，在二采區(qū)輔助斜坡道k0+136 m～k0+462 m段應(yīng)用“小爆破掏槽+機械擴幫”短掘快支的施工工藝實踐中，一個作業(yè)循環(huán)累計平均用時6.62 h，每個作業(yè)循環(huán)平均進(jìn)尺1.52 m，每天平均可組織1.94個作業(yè)循環(huán)，月度平均掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)88 m，相較于原采用的全斷面?zhèn)鹘y(tǒng)爆破的歷史月平均進(jìn)尺，每月平均增加進(jìn)尺達(dá)52 m，極大地縮短了施工工期［4］。

同時，由于掘進(jìn)組織工序耗時短，支護(hù)及時，巷道成型得到了有效控制，冒頂片幫事故率陡然下降，其間，僅發(fā)生過一次小片幫事故（約6.5 m3）。巷道維護(hù)的投入成本大幅減少，人員設(shè)備安全得到有效保障。

7結(jié)論

該巷道施工方法的成功應(yīng)用，可極大程度降低巷道掘進(jìn)在同類型圍巖中的冒頂片幫事故發(fā)生概率，減少設(shè)備、人員傷害事故，提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，保障了項目建設(shè)工期，為同類型地質(zhì)條件下井巷掘進(jìn)施工提供了一定的借鑒，具有推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］李龍福，方建國，汪禹，等.分次分段掘進(jìn)爆破技術(shù)在復(fù)雜破碎巖體中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2022（4）：7983.

［2］李荔，覃議.甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在綠色發(fā)展與生態(tài)建設(shè)上的路徑探索［J］.磷肥與復(fù)肥，2018，33（12）：7072，79.

［3］朱獲天.甕福磷礦英坪礦露天轉(zhuǎn)地下境界礦柱穩(wěn)定性分析［D］.貴陽：貴州大學(xué)，2022.

［4］高遠(yuǎn)，袁俊宏.重要化工礦產(chǎn)資源儲量及開發(fā)利用現(xiàn)狀［J］.化工礦物與加工，2020，49（4）：4853.