香爐山鎢礦東部采區運輸系統優化研究

萬林海，薛小蒙

(1.江西省修水香爐山鎢業有限責任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012，3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

香爐山鎢礦為地下開采，以16 #勘探線為界劃分東、西2個采區。東區為原主采區，采用平硐開拓，鏟運機裝載，汽車運輸，采礦方法主要是留不規則點柱、條柱的全面法，現已形成大規模復雜采空區，處于采空區處理與殘礦回采階段[1-2]。長期以來，香爐山鎢礦十多家民營企業無序的開采導致井下東部采空區高大雜亂且無處理，至2019年底，東部形成的采空區體積約為 3×106m3，巨大復雜采空區群成為了礦山的安全隱患。香爐山鎢礦東部高大采空區頂板情況光憑肉眼觀察不到，隨著暴露時間的增加，頂板受到地壓活動和風化作用的影響，頂板的穩定性下降[3-4]。然而，香爐山鎢礦東部生產運輸及行人基本上是在采空區下進行，存在巨大的安全隱患。

1 現狀條件

香爐山鎢礦為矽卡巖型白鎢礦床，具有儲量大，礦石品位高，礦體厚度大，傾角緩等特點，礦體及頂底板圍巖穩固，礦體分布范圍廣，連續性好，礦體及圍巖含水率低，開采技術條件好。1W 礦體為主礦體，長1250 m，傾斜長576 m。礦體埋深 40 m～300 m，礦體標高358 m～658 m。礦體產狀與香爐山背斜一致，軸部傾伏角為10°～25°，北西翼平均傾角為7°，南東翼平均傾角為38°。礦體厚2.55 m～45.59 m，其中軸部厚度最大，向兩翼逐漸變薄。在軸部礦體平均厚度25.83 m，南東翼平均厚度6.53 m，北西翼平均厚度9.06 m。

東部采區采用平硐開拓，鏟運機裝載，汽車運輸，所用的采礦方法基本上為留不規則點柱、條柱的全面法，也類似于房柱法，采場凈空跨度10 m～30 m 不等，井下礦柱分布不均，部分頂板暴露面積過大，礦體回采多沿底板掘進，許多采空區頂部礦體殘留，致使對頂部殘礦開采難度極大。由于多年的開采，井下存在大量采空區未處理，對礦山生產及周邊都是一個很大的安全隱患，東部采區目前主要在進行殘礦回采[5-6]。

2 運輸系統整治方案

高大采空區頂板情況憑借肉眼觀察不到，隨著暴露時間的增加，頂板受到地壓活動和風化作用的影響，頂板的穩定性下降，出現開裂、浮石等情況，然而頂板檢查難度大，大規模處理存在盲目性，因此，處理難度大。而東部生產運輸基本上是在采空區下進行，高大采空區下人行和車輛運輸存在巨大的安全隱患。針對東部運輸問題，初步得出了以下方案。

2.1 優化運輸線路

隨著東部充填量不斷增加，部分區域已經完成充填結頂，局部頂板安全隱患已經解除，原來老的運輸線路出現頂板冒落、礦柱開裂等安全問題。因此，根據現有情況，優化調整礦山原有的運輸線路非常重要。運輸線路的優化應結合微震監測數據、現場勘查、充填采礦計劃等，合理調整危險區域路線，嚴格劃出危險區域，禁止通行。運輸線路優化的宗旨是調整危險區域路線，選擇安全區域通行，劃分危險區域范圍，禁止通行。

2.2 充填運輸通道兩側采空區

運輸通道采空區頂板不高，頂板情況可以觀察，能夠處理。通過充填運輸通道兩側的采空區，增加運輸通道兩側充填結頂率，使運輸通道兩側點柱與充填體形成一個整體，共同支撐頂板的壓力，有效降低原單個礦柱的荷載，確保運輸通道頂板及礦柱的安全。運輸通道兩側空區充填方案見圖1。

圖1 充填運輸通道兩側空區方案

2.3 混凝土人工假巷安全通道

在采空區運輸路線上提前構筑混凝土巷道，形成混凝土人工假巷，人員和運輸均從人工假巷內通行。混凝土人工假巷上部采空區可以根據充填能力一并充填或者滯后充填。充填體內混凝土人工假巷運輸通道方案見圖2。

圖2 充填體內混凝土人工假巷運輸通道方案

2.4 腳手架簡易安全通道

臨時腳手架簡易安全通道方案能夠有效阻擋頂板浮石冒落對通行人員和車輛的傷害，方便可靠，施工簡單，速度快，且材料可以重復使用，成本相對低廉。對于充填能力有限或者非永久性的運輸通道具有很好的實用性，并且能較好地解決礦山安全通道成本問題。

3 充填體下人工假巷選擇

高大采空區內運輸通行安全問題一直是礦山安全生產的關鍵問題。由于礦山歷史原因，井下不完全是巷道式的人行運輸安全通道，東部采區人員通行和運輸不可避免地在原來高大老采空區下進行，給礦山安全生產帶來巨大的隱患。充填治理現有運輸通道兩側的空區不能解決高大采空區通行的問題，掘進新的運輸通道亦不具備相應的現場條件，為此，研究提出了充填體下人工假巷方案，通過在運輸通道上提前構筑混凝土人工假巷，形成系統的人行、運輸、通風通道，然后對采空區進行充填治理，通過充填體支撐頂板，防止頂板塌陷對運輸巷道的破壞，徹底地解決高大采空區內的通行問題。

3.1 人工假巷方案

本研究提出了充填體內預留鋼拱架假巷方案、充填體內預留混凝土假巷、充填體內預留鋼板假巷、充填體內巷道爆破掘進與支護 4種人工假巷方案。

（1）充填體內預留鋼拱架假巷。在空區底板構筑人工假巷，對凹凸不平的空區底板應提前進行碎石混凝土鋪設和表面平整。人工假巷斷面采用井下現有巷道斷面規格（寬3 m×高2.8 m），形狀為三星拱。采用 U 型鋼組成假巷骨架，間距為0.8 m。鋼架之間采用鋼板連接，鋼架內附有防止側向變形的橫撐。

（2）充填體內預留混凝土假巷。在空區底板構筑人工假巷，當空區底板凹凸不平時鋪設碎石混凝土。木模板和鋼筋組成骨架，在安全區域預制模鑄混凝土，形成鋼筋混凝土假巷。以鋼筋混凝土假巷為安全掩護，由安全地點出發、前進式進行假巷的現場裝配。巷道凈斷面規格為3 m×2.8 m，形狀為三星拱。模筑鋼筋混凝土厚度為30 cm，強度等級為C30，鋼筋采用Φ20螺紋鋼，網度為25 cm×25 cm。

（3）充填體內預留鋼板假巷。在空區底板構筑鋼板假巷。鋼板采用圓形斷面，直徑為 3.5 m，鋼板厚度為2 cm。從巷道底板起，滿足鋼板假巷穩定的充填體參數為5 m 厚度、1 MPa強度。為了避免假巷鋼筋混凝土拱承受較大壓力，每次充填高度不大于 0.5 m，待每次充填體凝固并達到一定強度后方可進行下次充填。

（4）充填體內巷道爆破掘進與支護。首先對空區進行充填，而后在充填體內預定位置進行巷道的爆破掘進與支護。設計采用錨桿、錨網與噴射混凝土聯合支護方式。混凝土噴層厚度為100 mm，錨桿布置方式為全斷面布置。

3.2 充填體內假巷設計方案優選

不同假巷對充填體的力學強度要求有較大差別。以假巷充填層充填500 m3為例（見表1），隨著充填體強度從1 MPa提升至3 MPa，假巷層充填費用將由2.7萬元增加至6萬元，充填成本為假巷施工直接成本的 10倍以上。因此，適當增加假巷支護費用、降低充填費用為假巷設計的出發點。

表1 假巷穩定的充填成本費用

（1）預留鋼拱架假巷。優點是預設假巷，避免爆破掘進對充填體的破壞；模板預埋錨桿、錨網，易與充填體形成整體；柔性封閉、脫水效果好。缺點是鋼拱架對周邊充填體強度要求較高，安全性低。假巷成本為 4446元/m，假巷層充填成本增加9524元/m。

（2）預留混凝土假巷。優點是預設假巷，避免爆破對充填體的破壞；鋼筋混凝土強度大，抗壓和抗拉性能均較好；對周邊充填體強度要求不高；安全性較高。缺點是鋼拱架、木模板施工較復雜。假巷成本為4840元/m，假巷層充填成本沒有增加。

（3）預留鋼板假巷。優點是預設假巷，避免爆破對充填體的破壞；避免人員直接在空區內作業；鋼板強度大，抗壓和抗拉性能均較好；鋼板加工簡便；安全性較高。缺點是全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低。假巷成本為 6319元/m，假巷層充填成本沒有增加。

（4）巷道爆破掘進與支護。優點是避免人員進入空區作業，安全性好。缺點是爆破開挖，支護成本高；對充填體強度要求高。假巷成本為 4896元/m，假巷層充填成本增加26 667元/m。

在技術和經濟上比較4種充填體內假巷方案，方案1難以避免空區內作業，方案4爆破掘進重新開挖成本高，而方案2、方案3鋼筋混凝土、鋼筒力學性能好，強度高，可降低周邊充填體強度要求，且能提供井下施工掩護，而鋼筒全斷面鋼板成本較高，且圓形巷道斷面空間利用率低，施工成本較鋼筋混凝土高，因此本次推薦充填體內預留鋼筋混凝土假巷方案。

4 結論

（1）井下高大采空區復雜的現場環境，運輸系統優化研究是一項復雜的系統工程，單一的實施方案和方法不能解決問題，需要進行系統的研究，并針對不同的現場情況，結合礦山實際條件，提出相應的解決方案。

（2）借鑒破碎軟巖支護的經驗，礦山成功引入混凝土人工假巷，通過在采空區內提前構筑混凝土人工假巷，然后及時對空區進行充填治理，有效解決了高大采空區下的運輸和通行問題。混凝土人工假巷能夠形成規整的運輸通道，假巷上部的充填體能夠有效緩沖頂板巖石冒落對假巷的破壞，通過充填接頂有效支撐頂板，人員和礦石運輸在混凝土人工假巷內進行，安全性得到極大的提高。

（3）混凝土人工假巷，為高大采空區下的運輸和通行提供了行之有效的方法。目前，充填體內混凝土人工假巷試驗已經在東部采區完成，通過構筑混凝土人工假巷，局部區域的井下主運輸通道不再有高大采空區，實現了巷道內通行和運輸，安全性得到極大提高。混凝土人工假巷將會在東部采區逐步推廣應用，經過高大采空區的東部主要運輸通道將獲得安全保障，整個東部采區運輸和通行將會更加規范和合理，從而有效保障東部采區的安全生產。