瓦房子錳礦雹神廟礦區(qū)地壓活動規(guī)律及控制方法

李延偉 王景林 何榮興 張大明 鄒存理 姜永恒

(1.鞍鋼集團礦業(yè)礦業(yè)公司瓦房子錳礦，遼寧朝陽122622;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004)

1 開采現(xiàn)狀

瓦房子錳礦是鞍鋼錳鐵和錳礦石原料生產(chǎn)基地，是遼寧省最大錳礦產(chǎn)資源賦存區(qū)域，共有5個礦區(qū)，雹神廟礦區(qū)位于礦山的中部。雹神廟副井采區(qū)原由小礦點開采，據(jù)現(xiàn)有鉆孔資料與實際揭露表明，該區(qū)共含3層平行礦體，第1層礦體平均厚0.3 m;第2層礦體平均厚0.35 m;第3層礦體平均厚0.3 m。第1層礦體與第2層礦體相距8～10 m，第2層礦體與第3層礦體相距4～5 m。且礦體傾角在10°～20°之間，第1層礦體不連續(xù)未開采;第3層礦體因頂板圍巖穩(wěn)定性差也未投入開采。目前主要開采第2層礦體，如圖1所示，至今仍采用建礦初期的人工出礦逆傾斜壁式充填采礦法。

從2007年礦山接管以來，采用規(guī)則的壁式充填法從九平盤開始開采。在開采過程中，開拓巷道地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，平盤運輸巷底鼓、兩幫內(nèi)擠、頂板下沉，維修工作量巨大，雖然采取了錨桿與金屬棚架等多種支護(hù)措施，最終還是未等采區(qū)礦房回采完畢，平盤運輸巷逐漸被擠垮，聯(lián)絡(luò)巷道大量冒頂。到第十平盤，開拓巷道的地壓更大，平盤運輸巷道幾次改線都發(fā)生大冒落，開拓工程難以形成。地壓大造成的巷道破壞現(xiàn)象，不僅增大了巷道的支護(hù)與維護(hù)成本，而且嚴(yán)重影響了采區(qū)的生產(chǎn)效率與安全條件。

2 地壓活動規(guī)律

現(xiàn)場調(diào)研表明雹神廟礦區(qū)副井九盤地壓顯現(xiàn)始于2000年，即礦山開采3 a之后，最初的表現(xiàn)形式為巷道底鼓，之后巷道兩幫內(nèi)擠、片幫，最后頂板開始下沉，如圖2所示。巷道來壓后變形迅速，且變形量大。為保持運輸巷道的正常運輸，需要對底板鼓起和兩幫片落碎石進(jìn)行清理，而且還要撬頂，最短間隔20 d左右就要清理一次，清理工作繁重，而且地壓持續(xù)作用，巷道破壞長度不斷加大。由于巷道維護(hù)成本過高和所剩礦量可采部分不多，九盤區(qū)于2012年6月停產(chǎn)。到2013年5月觀察時，整個九平盤運輸巷道只有80 m長的一段勉強可以進(jìn)人，其余巷道完全塌死。到2012年7月觀察時，九平盤運輸巷道可進(jìn)人長度不足60 m;到2013年11月觀察時，九平盤運輸巷道的聯(lián)絡(luò)道塌垮，已經(jīng)無法進(jìn)入運輸巷道。由此可見，地壓變形還在持續(xù)，且越往里地壓越大。

而且雹神廟副井采區(qū)的地壓破壞形式隨巷道與礦體的相對位置而異:第1層礦體與第2層礦體的直接頂板為厚約0.3～0.6 m的厚層泥質(zhì)頁巖，穩(wěn)定性較好，以該厚層泥質(zhì)頁巖為頂板的巷道的地壓顯現(xiàn)形式為底鼓、片幫與頂板下沉;在厚層泥質(zhì)頁巖之下為厚約0.03～0.2 m的薄層泥質(zhì)頁巖，質(zhì)地比較破碎，巷道掘進(jìn)后的地壓顯現(xiàn)形式為持續(xù)冒頂，很快冒落到厚層泥質(zhì)頁巖。所以，從雹神廟礦區(qū)運輸巷道破壞形式上可以概括為2種主要形式，即片幫—底鼓—頂板下沉和頂板持續(xù)冒落［1-2］。

圖2 運輸巷道破壞現(xiàn)場Fig.2 Damage sites of transport roadway

3 地壓破壞原因分析

根據(jù)地質(zhì)與巷道破壞現(xiàn)狀調(diào)查與地壓顯現(xiàn)規(guī)律分析結(jié)果，瓦房子錳礦副井區(qū)的巷道破壞原因可歸結(jié)為如下4個方面。

(1)含不穩(wěn)巖層。巷道兩幫與底板主要為泥質(zhì)頁巖，層理發(fā)育，層里面嚴(yán)重絹云母化，無黏結(jié)強度，而且垂直層理的節(jié)理間距較小，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，遇到拉應(yīng)力條件極易瓦解。

(2)采動壓力大。隨著兩側(cè)礦房開采，采動應(yīng)力集中作用于運輸巷道的走向礦柱上。由于主運輸巷道的頂板為厚層頁巖，圍巖硅化強、韌性大，整體變形能力強，應(yīng)力集中系數(shù)大，造成兩幫與底板不穩(wěn)巖層承受較大的集中應(yīng)力。

(3)支護(hù)形式不適應(yīng)地壓顯現(xiàn)特點。礦山采用木棚、金屬棚架或拱頂錨桿支護(hù)，屬于被動性局部支撐點支護(hù)，不能全斷面向圍巖均勻施壓，從而不能改變巷道兩幫與底板變形造成的拉應(yīng)力條件，造成巷道收縮變小，兩幫片落，底部鼓起，巷道斷面大幅度減小直至整體破壞。

(4)采場回采不規(guī)范，頂板厚層巖體的集中應(yīng)力缺少應(yīng)有的釋放空間，同時運輸巷道與采場間的礦柱寬度(3 m)偏小，不足以承擔(dān)厚層頂板的集中壓力，使頂板整體沉降。

4 地壓控制方法

針對上述原因?qū)で笙锏赖貕旱目刂品椒ǎ枰獜囊韵?個方面研發(fā)綜合控制技術(shù):一是改進(jìn)巷道斷面形狀，以解決含不穩(wěn)巖層造成的巷道圍巖變形的不協(xié)調(diào)問題，嚴(yán)防形成拉應(yīng)力條件;二是改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，控制巷道圍巖協(xié)同變形;三要根據(jù)采場條件留設(shè)合理寬度的走向礦柱，使巷道圍巖能夠形成良好的承載結(jié)構(gòu)，增大巷道的穩(wěn)定性。

根據(jù)點荷載數(shù)據(jù)，第2層礦體及其頂板圍巖的巖石塊體強度并不低，主要是層理和節(jié)理發(fā)育，造成穩(wěn)定性差，為此設(shè)計圖3所示斷面形狀及其噴錨網(wǎng)支護(hù)方案，其中圖3(a)的拱頂為橢圓形用于頂板為厚層泥質(zhì)頁巖的巷道，圖3(b)的拱頂為半圓型，用于頂板為薄層泥質(zhì)頁巖的巷道。根據(jù)表1所示的圍巖狀態(tài)，選用樹脂錨桿緊跟工作面支護(hù)，及時提供支撐力［3-4］。

圖3 巷道斷面及其支護(hù)形式改造方案Fig.3 Improvement proposal for roadway section and its supporting

表1 巷道形狀與支護(hù)參數(shù)推薦值Table 1 The roadway shape and the recommended support parameters

5 結(jié)論

(1)查明了瓦房子錳礦雹神廟礦區(qū)副井區(qū)地壓顯現(xiàn)的特點，分析了地壓顯現(xiàn)的規(guī)律，總結(jié)出巷道破壞的兩種主要形式，即片幫—底鼓—頂板下沉和頂板持續(xù)冒落。

(2)調(diào)查分析得出，巷道破壞的主要原因是含不穩(wěn)巖層、礦體頂板厚層硬質(zhì)巖層引起的應(yīng)力集中，現(xiàn)用木棚與金屬棚架支護(hù)形式不適應(yīng)巷道圍巖的變形特征，為保持巷道的穩(wěn)定性，需改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，使巷道圍巖形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。

(3)根據(jù)運輸巷道地壓變形破壞特征、礦巖點荷載強度和圍巖穩(wěn)定性分析得出，可按協(xié)同圍巖變形的原則提高巷道的穩(wěn)定性，為此設(shè)計了頂、底板橢圓形拱的巷道斷面、全斷面噴錨網(wǎng)支護(hù)的改進(jìn)方案。

［1］ 于天順，李海洋，等.弓長嶺鐵礦崩落法開采地壓活動規(guī)律淺析［J］.科技傳播，2011(8):63-66.Yu Tianshun，Li Haiyang，et al.The analysis of reforcing regularity on sublevel caving［J］.Public Communication of Science ＆ Technology，2011(8):63-66.

［2］ 郭友學(xué)，徐鐵偉，任鳳玉.弓長嶺井下鐵礦地壓活動規(guī)律分析與控制［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009(12):82-84.Guo Youxue，Xu Tiewei，Ren Fengyu.Analysis and control on the pressure variation in Gongchangling underground mine［J］.Modern Mining，2009(12):82-84.

［3］ 鄭永學(xué).礦山巖體力學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1988.Zheng Yongxue.Mining Rock Mass Mechanics［M］.Beijing:Metallurgical industry press，1988.

［4］ 趙興東.井巷工程［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.Zhao Xingdong.Openings and Development Engineering［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2010.

［5］ 戴永浩，陳衛(wèi)忠，劉泉聲，等.深部高地應(yīng)力巷道斷面優(yōu)化研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，2 3(S2):4960-4965.Dai Yonghao，Chen Weizhong，Liu Quansheng，et al.Optimization study on cross section on of deep mine tunnel under high in situ stress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.2004，23(S2):4960-4965.

［6］ 蔣邦友，顧士坦，李男男，等.深井巷道圍巖松動圈現(xiàn)場測試及支護(hù)方案優(yōu)化［J］.金屬礦山，2012(4):13-15.Jiang Bangyou，Gu Shidan，Li Nannan，et al.Field test experimental of tunnel surrounding rock loosing circle of deep well and supporting scheme improvement［J］.Metal Mine.2012(4):13-15.

［7］ 吳順川，高 謙，劉福軍.二次動壓巷道支護(hù)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報.2006，28(3):215-218.Wu Shunchuan，Gao Qian，Liu Fujun.Reinforcement design and parameters optimization for a secondary dynamic pressure tunnel［J］.Journal of Beijing University of Science and Technology，2006，28(3):215-218.