弓長嶺井下礦采準巷道破壞形式及其支護技術研究

ThiernoAmadouMouctarSow,任鳳玉,陳曉云

(1.東北大學資源與土木工程學院, 遼寧沈陽 110819;2.弓長嶺礦業公司, 遼寧遼陽市 111007)

弓長嶺井下礦采準巷道破壞形式及其支護技術研究

ThiernoAmadouMouctarSow1,任鳳玉1,陳曉云2

(1.東北大學資源與土木工程學院, 遼寧沈陽 110819;2.弓長嶺礦業公司, 遼寧遼陽市 111007)

弓長嶺井下礦中央區開采急傾斜中厚礦體,隨著采深的增大,采準工程出現地壓顯現的部位增多、規模逐漸增大,進入-280m中段開采后,采準工程的塌冒已經嚴重影響生產的正常進行。經過調查巷道發生破壞的部位與破壞區巖性變化,查明上盤楔形體圍巖的附加力作用是引發回采巷道大規模破壞的主要原因,為此提出卸壓開采方案,即在高應力區先回采上分段沿脈進路,為下分段卸掉垂直壓力后,再掘進下分段沿脈進路。此外,根據巷道破壞過程與地壓顯現形式,分析了現用工字鋼金屬架支護方法的不適應性,提出根據巖性與地應力大小選擇樹脂錨桿、噴錨網聯合支護的改進方案。初步試驗表明,改進方案可有效解決上盤沿脈巷道的塌冒難題,并可較好地適應弓長嶺井下礦深部礦巖條件,不失為弓礦實用技術。

采準巷道;破壞形式;巷道支護;噴錨支護;地壓控制;卸壓開采

0 引 言

弓長嶺井下礦為沉積變質礦床,包含上、下盤兩條含鐵帶計6層礦體,礦體全長4850m,單層厚度2～30m,礦體傾角65°～90°。礦石主要為磁鐵富礦,質地堅硬(f=8～10),節理發育,中等穩定(局部不穩定)。上、下盤基巖主要為混合巖、斜長角閃巖與硅質巖層,中等穩定到穩定。在礦體與上下盤基巖之間,斷續出露綠泥片巖,松軟破碎(f=3～4),容易片落,屬不穩定巖石。礦區地質構造較發育,水文地質條件簡單。

弓長嶺井下礦是我國開采較早的大型地下鐵礦山,沿礦體走向劃分為西北區、中央區與東南區三區開采,其中中央區上盤含鐵帶的開采深度已達640 m。曾用過多種采礦方法回采[1],經多年來的生產選優,現今全面應用沿走向布置進路的無底柱分段崩落法開采。隨著采深的增大,沿脈采準工程出現地壓顯現的部位逐步增多、規模逐漸增大。進入-280m中段開采后,采準工程塌方冒頂現象已經嚴重影響到采礦生產的正常進行。

1 采準巷道的破壞形式

統計得出,弓長嶺井下礦采準巷道的破壞形式主要有三種:一是沿結構弱面的拉伸破壞(見圖1),主要發生在由水平至緩傾斜節理面的巖層里;二是沿結構面剪切破壞(見圖2),主要發生在圍巖層理厚度較大、有X型結構面的巖體,此時表現為冒落塊度較大,冒落長度多為2～5m,有的可達7m,冒落高度達2～3m;三是片幫冒頂(見圖3),主要發生在層理與節理比較發育的巖體中,在重力場作用下,拱角受剪切破壞掉落,側墻受拉應力片落,頂板隨之冒落。還有的先冒頂,后片幫及頂板沿結構面呈楔形體破壞冒落,接著拱角向外擴展,這種冒落形式的冒落長度一般較大,多為10～30m,一次冒落高度可達2～3m。三種形式對應的巷道冒頂后的常見形狀見圖4。

圖1 巷道頂板拉伸破壞示意

圖2 巷道頂板剪切破壞示意

圖3 巷道片幫冒頂破壞示意

2 巷道支護方式改進方案

弓長嶺井下礦從20世紀70年代應用無底柱分段崩落法以來,生產采場的地壓顯現多發生于局部,主要采用工字鋼金屬拱架進行支護,如圖5所示。實踐表明,這種支護形式在局部地壓顯現、巷道破壞長度短的條件下實用性較好,特別在圖4(a)與圖4(b)破壞形式中巷道局部冒頂的場合,圖5支護形式具有支護用料存儲運輸方便、支護作業安全、見效快等優點。但隨著巷道破壞長度與破壞程度的加大,這種支護形式的用料多、抗復雜變形能力弱的缺點逐漸顯露出來,尤其對于圖4(c)所示的片幫冒頂破壞形式,當巷道破壞長度較大時,不僅施工難度大,而且支護后經常發生扭曲變形,使支架失穩。支護失穩后,巷道頂板或側幫圍巖大量冒落,最終使巷道報廢,如圖6所示。

分析表明,對于圖4(a)與圖4(b)破壞形式,在冒頂前后采用適當的噴錨網支護措施,可有效控制圍巖的進一步破壞[2-3]。在噴錨網聯合體中,混凝土層主要膠結加固圍巖表層,并提高徑向縫的抗剪強度;錨桿主要用來加固圍巖,并增大切向縫和斜向縫的粘結力與抗剪力;金屬網則主要起均勻分布噴層內力、防止噴層收縮開裂、增強支護抗力的作用[4-5]。在噴錨網共同作用下,可改善圍巖的完整性、增強巖體自承能力,相當于一定深度的圍巖摻入支護聯合體而形成具有相當厚度的三向均勻壓縮應力狀態的組合承載拱,變被動承壓為主動承壓。在弓長嶺井下礦的礦巖條件下,這種承壓拱的形成可有力克服巷道圍巖最常發生的沿結構面拉伸破壞與剪切破壞。為此,井下礦從2012年初開始全面推廣噴錨網支護,并根據圍巖穩定狀況,設計了素噴、噴錨與噴錨網系列支護方案,采用樹脂錨桿,支護形式見圖7。

圖4 弓礦采準巷道破壞形式

圖5 工字鋼拱架支護形式

圖6 巷道側壁圍巖破碎滑落

圖7 噴錨支護形式示意

但對于片幫冒頂破壞形式,通常發生于地壓大而圍巖軟破的地段,噴錨網支護所形成的承壓拱的強度,往往不能滿足穩固巷道的要求,為此還需采取有效措施控制破壞性地壓的作用力度。

3 采動地壓控制技術

弓長嶺井下礦中央區每一分段的大規模地壓顯現,均發生在靠近上盤的礦巖體內,如圖8所示。分析上盤側礦巖的受力條件,垂直靜壓力的主要來源是上盤圍巖楔形體的重量,而該楔形體的體積與采深的平方成正比,因此當采深達到一定值后,上盤圍巖楔形體的壓力勢必隨采深的增大而加速增大。由于礦體傾角較大,該楔形體的壓力主要作用于楔形體下部的礦巖上,引起應力集中,造成穩定性較差圍巖的持續變形與大規模破壞。

圖8 -220m分段采準巷道塌冒部位示意

為解決高應力和不良巖層所產生的巷道圍巖破壞問題,必須尋求有效控制地壓的方法。一般說來,對于無底柱分段崩落法的采準巷道,根據圍巖巖性、結構面特征、斷面大小、存留時間長短以及地壓活動強度等,采取光面爆破、適時支護、及時維修與快速回采等措施,可有效控制地壓破壞。但對于楔形體作用范圍之內的采準工程,由于應力高度集中,當礦巖穩固性較差時,上述措施不足以控制地壓破壞,最好采用卸壓開采方法[6-8],避開楔形體的附加高應力。具體說,要利用上分段沿脈進路的回采空間為本分段沿脈巷道卸壓,即先回采上分段的沿脈進路,形成卸壓(或減壓)條件后,再開掘本分段的沿脈巷道。

結合弓長嶺井下礦的礦巖條件,提出分段卸壓崩落法的采場結構如圖9所示。基于該采場結構的卸壓開采方案與以樹脂錨桿為主體的噴錨網支護形式,在弓礦使用效果良好,現今基本杜絕了上盤沿脈巷道的塌冒現象,保障了采礦生產的正常進行。

圖9 分段卸壓崩落法采場結構示意

4 結 論

(1)弓長嶺井下礦隨采深增大,其采準巷道破壞機率與規模逐漸增大,主要原因是上盤圍巖楔形體附加力隨采深增大而加速增大的作用結果。

(2)現用工字鋼金屬拱架支護形式,隨著巷道破壞長度與破壞烈度的增大,已不再是弓礦有效而實用的支護方式。

(3)由于圍巖質量與地應力不同,弓礦采準巷道地壓顯現主要呈現出3種類型:頂板拉伸破壞、頂板剪切破壞和片幫冒頂破壞。根據圍巖質量與上部地壓顯現信息,可對所掘巷道可能的破壞類型做出評估,據此確定支護方案。

(4)試驗表明,在弓礦條件下,對于頂板拉伸與剪切破壞類型,采用樹脂錨桿或噴錨支護方式效果良好;對于片幫冒頂破壞形式,需采用樹脂錨桿的噴錨網支護形式,圍巖破碎部位還需采取卸壓方法,避開楔形體的附加高應力。

[1]張道民.充填法在弓長嶺礦的應用與消失[J].金屬礦山,1990(2):17-23.

[2]任鳳玉,丁航行,張東紅,等.緩傾斜層狀巖體巷道斷面形狀與支護方式[J].東北大學學報(自然科學版),2011,32(1):125-128.

[3]常 帥,任鳳玉,李 楠.西石門鐵礦南區軟破礦巖支護方法研究[J].中國礦業,2012,21(7):83-86.

[4]金掌臻.錨噴支護及其應用[J].礦業研究與開發,1999(S1):21-23.

[5]龔聲武,李夕兵.軟巖巷道錨注聯合支護的數值模擬研究[J].礦業研究與開發,2007,27(4):67-69.

[6]張國強,趙運歡.北銘河鐵礦生產巷道地壓控制方法探討[J].采礦技術,2011,11(3):58-59,95.

[7]何榮興,任鳳玉.北銘名河鐵礦卸壓開采研究與應用[J].金屬礦山,2012(2):9-11.

[8]王文杰.中厚傾斜礦體卸壓開采理論及其在Chambishi銅礦的應用[D].沈陽:東北大學,2007.

2012-09-11)

ThiernoAmadouMouctarSow(1981-),男,幾內亞人,博士生,主要研究采礦方法與采場地壓控制。