西石門鐵礦殘礦回采復雜圍巖巷道掘支技術

竇梅林

(五礦邯邢礦業有限公司西石門鐵礦)

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西石門鐵礦殘礦回采復雜圍巖巷道掘支技術

竇梅林

(五礦邯邢礦業有限公司西石門鐵礦)

摘要西石門鐵礦采用平底塹溝底部結構的誘導冒落法開采下盤殘礦，由于下盤圍巖軟破且受原采空區的影響，采準工程的掘進與維護均十分困難。為解決該問題，在調查分析殘采巷道破壞特點的基礎上，將殘礦采準工程分為3類：①實體軟破圍巖，該類圍巖多半采動應力大，且應力方向變化復雜，巷道開挖后支護拱架扭曲變形嚴重，為減緩變形速度和調節應力方向，采用噴錨網+U型可縮性金屬拱架聯合支護形式；②散體圍巖，該類圍巖多為矽卡巖+粉礦，雖經過一定的沉實作用，巷道掌子面能夠立住，但開挖后頂板易坍塌，為此采用超前錨桿+U型可縮性金屬拱架結合支護形式；③巷道穿過冒落空區，此時空區高度多為5～7 m，寬3～5 m，頂板易發生掉塊現象，為此設計采用整體拱棚支護技術。上述措施實施后，西石門鐵礦殘礦回采工程的穩定性得到了有效控制，改善了礦井安全生產條件，實現了復雜殘礦的安全回采。

關鍵詞殘礦回采軟破圍巖散體圍巖冒落巷道支護整體拱棚

西石門鐵礦為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體背斜，軸部傾角平緩，礦體兩翼傾角一般10°～30°，厚1.2～30 m，平均15.13 m。礦體不穩定到穩定，頂板圍巖為奧陶紀灰巖，中等穩定到不穩定；底板圍巖為燕山期閃長巖，穩定到中等穩定。在礦體與底板圍巖之間，賦存1層厚0～10 m的矽卡巖，極不穩定。礦區分南、北、中三區開采，采礦方法經多次優化定型為無底柱分段崩落法，經20多a的開采，開采階段從230 m水平降至40 m水平。開采過程中有民采破壞礦體以及有底柱采場的頂柱、底柱、間柱以及部分零星小礦體作為殘礦殘留于采場中，礦量可觀。起初該類殘礦資源多作為生產緊張時的儲備礦量進行補充開采，隨著開采向深部進行，常規礦體資源消耗過快，現今殘礦回采已成為礦山產量的主體組成部分。礦山采用平底塹溝底部結構誘導冒落法進行殘礦回采，需在下盤布置進路、出礦聯巷等采準工程，采準工程的穩定性直接決定了殘礦回收的成敗。由于殘采采場下盤巖性軟弱破碎且存在空區破壞，礦山以往單純采用U型鋼拱架及錨噴網支護無法滿足要求，部分部位出現拱架扭曲變形、巷道冒落、掘進遇到散體圍巖等問題，使得殘采采準工程掘進與維護均十分困難。為解決殘采過程中的掘支難題，本研究在分析殘采巷道破壞特點的基礎上，對相應的掘進支護措施進行探討。

1掘進支護存在的問題及原因

1.1存在問題

隨著民采破壞礦體開采深度的加大以及淺部殘采采場大范圍的展開，受地壓大、巖體穩定性差等因素的影響，以往使用的支護形式已無法適應礦山生產要求，加之淺部民采活動的影響，導致生產中出現了以下問題：①礦體包含空區較多，部分地段地壓較大，同時，緊貼礦體下盤的矽卡巖松軟易變形、承壓能力弱。此時，U型可縮性金屬拱架部位常出現拱架前傾、彎曲、偏移現象，部分拱架腿扭曲變形嚴重(圖1)，甚至經多次修復，仍無法改善。使用噴錨網支護的部位，噴錨網結構整體脫離巷道表面，噴層開裂掉塊(圖2)。②各采區殘采采場在掘進過程中常遇到較大冒落區或民采塌方區，其大多被冒落的散體充填，雖經過一定時間的沉實作用，巷道掌子面能夠立住，但開挖后頂板易坍塌，許多巷道被堵塞廢棄。③采準巷道掘進過程中常出現頂板突然冒落的現象，尤其是矽卡巖化磁鐵礦與底板矽卡巖層交界的部位，在巷道頂部出現大面積空洞(圖3)，高度可達5～7 m，寬3～5 m，在該條件下作業，存在頂板掉塊的安全隱患，另外，空洞過大時常繞道施工，工程量較大。

1.2原因分析

(1)支護方式與支護環境不適應。U型可縮性金屬拱架具有較高的初始支撐力，可提供較大的支護阻力，拱架的可收縮性可自行適應圍巖變形進行應力調整，且經過大變形后仍可保持足夠的承載能力，但在支護初期拱架與巷道邊壁貼合不緊密，往往形成點支護狀態，拱架局部受力，易變形[1]。在多空區礦體中，存在局部礦段地壓明顯增大、地壓作用方向變化復雜等問題，更易造成拱架受力不均，使得支護拱架出現傾倒、彎曲變形等現象。

圖1　拱架破壞(二次支護)

圖2　錨噴支護破壞

圖3　掘進冒落形成空洞

(2)礦山多空區狀態引起地壓增大。從巖體力學角度來講，我國金屬礦山中僅個別礦山地壓活動是由原巖應力高所致，大部分礦山地壓活動的根源是存在于巖體中的采空區[2]，空區引起的高地壓主要表現在：①采空區頂板冒透地表，在失去頂部支撐后應力發生轉移，引起井下局部礦段采動壓力急劇增大[3]。②多空區礦體中采空區的存在引起空區周圍應力重新分布，應力集中于空區之間的不規則礦柱上，導致地壓增大。

(3)圍巖穩定性差。礦體圍巖穩定性差主要受巖性影響，礦體下盤圍巖主要為矽卡巖和蝕變閃長巖，屬軟巖，其巖性松軟、易風化，遇水泥化嚴重，若被揭露后不及時支護，在空氣中會以較快的速度膨脹變形，形成表面破碎層，不再具備支護力，噴漿后易產生噴層脫落。另外，圍巖承壓能力弱，受爆破振動、地壓等因素影響，裂隙及破碎帶更易向巖體內部發展，形成破碎松動圈，導致頂板變形碎裂，產生冒落、片幫及錨桿托盤松動等現象。

(4)支護施工不及時。圍巖破碎、風化水解迅速，需及時支護。噴錨網支護具有快速提供連續支撐力、保持和提高巖體抗剪強度、充分發揮圍巖自承能力等優點，但施工工序多，及時性不易保證，直接影響了噴錨網的支護質量及其作用的長效性。

2巷道掘進支護技術

2.1實體軟破圍巖巷道

在西石門殘采采場，圍巖軟弱破碎及由于空區的存在造成局部地壓增大是影響巷道穩定的兩大因素，為此，對于二者同時作用的部位，采用噴錨網+U型可縮性拱架聯合支護技術。拱架安裝時需緊貼巷道斷面，背部充填半圓木，拱架間焊接連桿，提高拱架整體性。施工時，首先及時施工噴錨網，然后施工U型可縮性金屬拱架，如此既可保證較高的支護強度，又允許產生較大的變形量，可滿足巷道服務期間的支護持續性要求。噴錨網+U型可縮性拱架聯合支護技術的特點：①具有充分發揮U型鋼拱架及錨桿高支護強度的優點，可實現主、被動聯合支護[4]。②增大或充分利用U型鋼拱架的可伸縮性，利用錨桿的高讓壓性外錨結構，實現U型鋼拱架在高支護阻力工作狀態下的同等大變形。③利用U型鋼拱架與錨桿的組合支護結構，實現U型鋼支架與錨桿間的協調支護[5]。目前，該支護措施已被應用于地壓顯現部位較多的采場，以往多次支護的現象明顯減少(圖4)。

圖4　南二區噴錨網+U型拱架支護情況

噴錨網+U型可縮性金屬拱架聯合支護中的錨噴支護采用雙筋條+管縫錨桿支護，錨桿長1.8 m，直徑43 mm，每排6～8根，間距0.8～1 m，排距1 m。錨桿、雙筋條安裝之后進行噴漿支護，分3次，1次噴厚30～50 mm，拱為20～40 mm，最終噴厚達80～100 mm。噴層間歇時間一般為10～15 min，間隔2 h以上時應先噴水，再噴漿。噴頭應與巖面垂直，確保噴頭與巖面之間留有800～1 200 mm的距離。噴漿完畢2 h后進行噴水養護，養護時間不少于10 d。采用20Mn-25型U型鋼，拱架間距原則上為600～800 mm，穩固性差的地段應減小拱架間距，柱腿焊規格為200 mm×150 mm×100 mm的鋼墊板，防止拱架下陷造成不穩。拱架上部間隙用對開木或圓雜木充填，間隙1 m以上的充填應與圍巖緊密接觸，梁腿搭接量不少于300 mm。

2.2沉實散體圍巖

在各采區掘進過程中易揭露較大冒落區或民采塌方區，區內多充填散體。以往掘進工程遇散體時便停掘，與多采空區礦體條件不相適應，需解決散體巷道支護技術問題。當空區內散體為松散狀時，具有較好的流動性，巷道穿過散體的難度較大；當散體壓實時巷道掌子面盡管能夠立住，但開挖后頂板易坍塌。西石門鐵礦空區揭露的散體多為壓實散體(圖5)，在考慮散體層支護的特殊性、U型拱架支護特點的基礎上，采用U型拱架與超前錨桿相結合的支護方案。該方案將超前錨桿預先布置于巷道掌子面前端，以一定向上傾角沿巷道眉線打入散體堆，起到預支護作用，增強前端散體的整體性，防止散體堆出現大的有害變形或塌落，為拱架支護作業提供條件(圖6)。U型拱架作為支護主體，具有強度大、允許有大變形、可承受較大壓力的特點，保證巷道在服務期內不發生破壞。同時，拱架結構利于保持巷道整體形狀，可為散體巷道內作業人員提供安全空間。超前錨桿的具體長度視圍巖破碎情況而定，一般情況下取2.5 m，圍巖特別破碎時取4 m。超前錨桿外露0.1 m，端部預留1 m，錨桿傾角10°～25°[6]，每排布置10～20根。一般將錨桿預留處與進路頂板垂直相交的部位作為下排超前錨桿的布置位置。當散體壓實較緊密時，超前錨桿的間距可適當取大一些；反之，應減小錨桿間距。巷道過散體層拱架間距設計為0.6～0.8 m，但視具體情況各有不同，最大1 m，最小約0.2 m，一般情況下，每2～3排拱架布置1排超前錨桿，拱架背部用半圓木充實，確保拱架與頂板緊密接觸，另外兼具阻擋碎石掉落傷人功能。在施工支護之前，應及時噴漿，封閉巖石，減少圍巖風化。目前，巷道過散體層技術在西石門鐵礦南北區多空區礦體采場中得到了成功應用，該技術安全有效地解決了散體巷道的支護難題，使冒落空區殘礦得到了有效回收。

2.3過冒落區

除軟破巖體及空區冒落形成的散體巷道外，在西石門南北區采準巷道內還經常發生矽卡巖夾層局部大冒頂的現象，冒頂高度常達5～7 m，寬3～5 m。發生冒頂時，一般先蹬碴噴漿護頂，再清理碴堆，并在冒落區下部架設金屬拱架，拱架上部填塞圓木封頂。由于矽卡巖破碎，冒落不易完全控制，在噴漿時易掉塊傷人，此外，在冒頂區下部清理冒落碴與架設支架時，噴層易發生局部脫落現象，由此造成噴漿與架設支架工作的安全條件差，易發生掉塊傷人事故，致使巷道冒頂后往往得不到及時處理而常常報廢。

圖5　殘采采場揭露空區散體

圖6　超前錨桿布置

為此，提出采用整體拱棚過局部冒頂區方案(圖7)進行處理。該方案采用的金屬拱架高3 m，寬3 m，拱架間距1 m，1次焊接4架連成一體，形成長3 m的整體拱棚。工作人員不進入冒頂區作業，在冒頂區外先進行冒頂區一側排險撬頂，防止頂板掉塊，利用鏟運機將用螺紋鋼焊接成整體的可縮性金屬拱架推進至冒頂區內，在冒頂區一側，人員站立于鏟運機鏟斗上，向支架上方插入半圓木進行密封作業，形成整體棚架，使冒落區巷道暢通。該方案將可縮性金屬拱架焊接成一體，不但大大增強了支護強度，而且使得該整體支架仍具有可伸縮性，利于壓力釋放，具有較強的抗沖擊能力。此外，拱架頂部的密實圓木形成了有效的密封空間，保護了拱架內作業人員及設備的安全，同時使拱架受力均勻，避免了應力集中?？傮w來講，該方案滿足了快速處理局部冒頂事故的要求，已應用于南二區72 m 水平殘采采場，成效顯著。

3結語

西石門鐵礦為含不穩巖層的難采礦體，20世紀已回采的區域遺留下的大量殘礦適合用平底塹溝底部結構的誘導冒落法開采，采準工程主要布置于礦體的下盤，礦山所用的可縮性金屬拱架支護形式已無法滿足下盤軟破且受采空區影響的圍巖穩固要求，為此，根據圍巖破壞特點，改進了支護形式，取得了較好的效果，可供類似礦山參考。

圖7　整體拱棚

參考文獻

[1]臧潤成.U型鋼支架在大冒落區域的應用[J].現代礦業，2015(11):262-263.

[2]葉粵文.金屬礦山地壓災害發生機理研究[J].有色金屬：礦山部分，2006，58(1)：30-32.

[3]王喜兵，王海君.高應力區卸壓開采方法研究[J].礦業工程，2003(4)：18-22.

[4]明建，單強，嚴榮富.自然崩落法采場軟破圍巖巷道支護技術研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31(1)：34-39.

[5]陳士虎.軟巖巷道U型鋼支架與錨索網耦合支護技術[J].煤炭工程，2007(8)：36-37.

[6]周橋，高謙，許海濤.破碎帶工程圍巖超前錨桿加固外插角研究[J].煤炭學報，2009，34(12)：1594-1598.

Route Excavation and Supporting Technology of Complex Surrounding Rock in the Mining of Residual Ore in Xishimen Iron Mine

Dou Meilin

(Xishimen Iron Mine,Minmetals Hanxing Mining Co.， Ltd.)

AbstractResidual ore is mined by the induced failing mining method which with trench bottom structure in Xishimen iron mine.The mining engineering excavation and maintenance are very difficult,which is caused by the broken rock and original gobs.In order to solve the above problems,based on the investigation and analysis of the tunnel damage characteristics, the mining engineering of residual ore is divided into three types:①Entity soft broken surrounding rock,the mining stress of the most of the entity soft broken surrounding rocks is large,and the direction changes of mining stress is complex,the distortion of the supporting arch after excavating is serious,the spray anchor net combined with U-shaped retractable metal arch supporting method is adopted to reduce the deformation speed and adjust the direction of mining stress.②Granular surrounding rock,it is composed with skarn and ore powder.Although after a certain gravity effect,the funnel face can keep stable,but after the excavation,the roof is easy to collapse,therefore,the leading bolt anchor plus U-shaped metal arch is adopted.③The roadway through the falling empty zone,the height of falling empty zone is 5～7 m,the width is 3～5 m,the roof is easy to fall off,so the integral metal arch supporting technology is adopted.The stability of the residual ore mining engineering of Xishimen iron mine is controlled effectively,the mining production condition is improved and the safety mining of complex residual ore is realized by taking the above measures.

KeywordsResidual ore mining, Soft broken surrounding rock, Granular surrounding rock, Support of rock-fall roadway, Integral metal arch

(收稿日期2015-11-01)

竇梅林(1967—)，男，總工程師，高級工程師，056303 河北省武安市。