金陶金礦薄礦脈安全高效支護技術研究與應用

章邦瓊

(內蒙古金陶股份有限公司)

引 言

安全環保已經成為礦業發展的核心議題，黃金礦山存在的安全隱患越來越突出。近年來，黃金礦山井下作業過程中發生多起冒頂、片幫等安全事故，為黃金行業發展敲響了警鐘。黃金礦山中，薄礦脈占比約50 %，狹小的生產作業環境導致常規的支護技術無法應用，同時礦山礦體開采技術條件呈復雜化趨勢，隨著采深逐漸加深，礦山安全隱患變得越來越大[1-4]。

內蒙古金陶股份有限公司(下稱“金陶金礦”)地處內蒙古自治區赤峰市敖漢旗金廠溝梁鎮。目前，金陶金礦井下開采以削壁充填采礦法為主，礦體多為極薄—薄急傾斜破碎礦體，礦巖界線明顯，上盤圍巖節理裂隙發育，呈塊狀、碎塊狀，局部隱性節理發育，且于礦體之間普遍存在土層;下盤圍巖節理裂隙發育不明顯，屬穩固巖層。目前在開采中主要面臨的技術難點有：

1)極薄—薄急傾斜破碎礦體在采用削壁充填采礦法開采時，采場空間狹小，采用橫撐及立柱的支護方式，工人勞動強度大，作業環境惡劣，存在勞動者工作強度大、礦石貧化率較高、采場綜合生產能力較低等問題。

2)采礦順序不合理，多中段同礦脈同時開采隱患大。

3)由于上盤圍巖節理裂隙發育，呈塊狀、碎塊狀，且與礦體之間存在土層，在回采過程中，削下的圍巖對上盤支撐力不足，土層遇水成泥，進一步惡化頂板，極易在鑿巖、撬毛等階段出現冒頂、片幫現象。

4)隨著開采向深部邁進，地壓進一步增大，若依然采用當前的采礦方法和支護方法，存在極大的安全風險。

5)隱性節理發育，當前支護方式單一，無法滿足現場安全生產需求。

因此，要想降低開采過程中面臨的冒頂、片幫風險，滿足礦山安全生產作業要求，必須對現有的支護方式進行優化改造，并且建立全面的地壓監測系統，以保證井下生產作業的安全高效。

1 工程背景

1.1 工程地質概況

金陶金礦現有東、西2個礦區，總面積6.7 km2，分4個采區，開采深度不一，采用豎井加盲豎井開拓，礦體主要賦存于斜長角閃片麻巖蝕變帶及斷層破碎帶中，已探明礦體42條，厚度0.05～2.83 m，平均厚度為0.45 m，金平均品位為13.43 g/t，頂底板圍巖抗壓強度77.21～94.79 MPa，為堅硬巖石，一般較完整，穩定性較好；巖石質量指標(RQD值)為50 %～100 %，巖體質量屬中等完整—完整。但近礦圍巖由于受構造、蝕變及地下水作用，結構體形態為塊狀、碎塊狀、碎屑狀、泥狀，巖石質量為劣—極劣。礦山一直采用橫撐支柱及立柱的方式進行支護。

1.2 現有采礦方法

金陶金礦現有采礦方法以削壁充填采礦法為主，其工藝環節為：

1)采場結構參數。削壁充填采礦法采場沿礦體走向布置，采場切巷寬度為1.2～1.5 m，采場長67 m，中段高40 m，采場回采高度35.6 m。

2)采準切割工程。采場底部結構為混凝土人工假底或永久礦柱，假底結構厚0.45 m， 溜井口蓋板厚0.3 m，與兩側假底搭接0.3 m以上，1#、11#為行人順路兼出礦井，溜井中心距8～10 m。

3)回采工藝。

(1)鑿巖。采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機，釬桿長1.2～2.0 m，采用直徑為40 mm柱齒形或一字形釬頭，成孔直徑為40～42 mm。

(2)爆破。采用巖石粉狀乳化炸藥，藥卷直徑32 mm。起爆器材為非電導爆管秒差雷管。裝藥方式為人工裝藥，采用柱狀連續裝藥，起爆網絡選取塑料導爆管的起爆形式，同時采用孔內微差、孔外瞬時配合接力起爆形式，以實現更好的微差控制爆破效果。采用秒延期，接力導爆管采用2 s延期導爆管，總體延期時差控制在1～2 s。起爆順序從中間開始，以便后期起爆再增加一個自由面，提高爆破效果，減少大塊率產生。

(3)通風。采場通風采用自然通風，通風系統由采場里、外順路及天井構成，天井上風時，新鮮風流從底部巷道進入采場，經兩側順路和采場空間進入天井，最終進入回風巷道。天井下風時，新鮮風流由采場天井進入采場空間，經兩側順路進入采場底部，最終進入回風巷道。

(4)支護。多采用橫撐支護、棚支護、立柱支護、木垛支護、鋼材支護、橫撐加立柱組合支護、組合梁支護、混凝土支護等。

(5)選礦。在確保安全的情況下，在鋪設好的廢膠帶上進行選礦工作，將選好的礦石通過人工運至溜井。

(6)礦石運搬。井下礦石運輸系統是由選礦工將礦石人力運搬至溜井，再由放礦工放至礦車內運輸至調車場，經豎井提升至井口。

(7)充填。待礦石運出采場后，利用爆落的廢石對采場進行充填。

2 支護方案優化及應用

根據礦山實際工程地質條件，結合相關工程經驗，制定采場的支護方案為整體地壓控制+作業面維護聯合支護。

2.1 采場整體地壓控制方案

根據對采場破壞形式及采礦方法的研究，當前金陶金礦采場變形破壞的最主要原因是削下的廢石充填體不足以控制頂板的變形，隨著開采的逐漸進行，破壞程度會急劇增加。因此，需從整體上對采場地壓進行控制，以防止上盤巖體大規模變形，保證采場的回采安全。

整體地壓控制方案為：在向上的回采過程中，每隔5～10 m澆筑1條混凝土支柱，澆筑厚度應保證在500 mm以上，并沿回采作業面每隔10～20 m澆筑1條混凝土支柱，支柱尺寸為采幅×0.8 m。整體地壓控制方案見圖1。

圖1 整體地壓控制方案

2.2 作業面維護方案

針對金陶金礦采場的實際情況，制定的采場作業面維護方案為樹脂錨桿+雙筋條+木橫梁(加背板)或錨桿金屬網聯合支護方案。該方案為每上采一分層(分層高1.2 m)采用樹脂錨桿+雙筋條支護上盤；采幅<1.4 m時，采用木橫梁護頂；1.4 m≤采幅<2.0 m 時，采用樹脂錨桿護頂；采幅≥2.0 m時，采用樹脂錨桿+金屬網護頂。采場頂板及上盤支護后能確保施工人員始終在支護體下作業，支護流程見圖2。

圖2 支護流程

1)支護參數。①雙筋條。雙筋條采用10 mm普通圓鋼和5～10 mm的鋼板加工而成，2根圓鋼的間距5 cm，雙筋條長2～3 m，2條鋼筋采用鋼板連接，30～50 cm 1個，鋼板厚5～10 mm，單側焊點至少5個；安裝時，2個雙筋條的搭接長度10～15 cm。②錨桿。錨桿桿體為長1.2～2.0 m、直徑18 mm的無縱筋螺紋鋼，材質為 20MnSi或20MnK，托盤為100 mm×100 mm×10 mm，錨桿網度為1.0～2.0 m，錨固長度(樹脂錨固劑1～2卷)為300～600 mm，錨孔孔徑30～35 mm。

2)頂板支護方式。①采幅<1.4 m時，采用木橫梁戴帽，確保木橫梁接頂，木橫梁間距為1.0～2.0 m，局部破碎處，橫梁上部增加背板(見圖3)。②1.4 m≤采幅<2.0 m時，采用垂直向上樹脂錨桿支護+鋼帶支護頂板，鋼帶長度1.5 m，根據礦巖條件鋼帶間距選擇1.0～1.8 m，錨桿長度1.2 m(見圖4)。③采幅≥2.0 m時，采用垂直向上樹脂錨桿+鋼帶支護頂板，鋼帶長度2.0 m，根據礦巖條件鋼帶間距選擇1.0～1.8 m，錨桿長度1.2 m。

圖3 采幅<1.4 m支護方案示意圖

圖4 1.4 m≤采幅<2.0 m支護方案示意圖

3)上盤支護方式。當采幅<1.4 m時，上下盤采用木橫撐/樹脂錨桿+雙筋條的支護形式，即根據現場實際情況，當現場具備錨桿施工條件時，采用樹脂錨桿+雙筋條的支護形式；當現場不具備錨桿施工條件時，采用木橫撐的支護形式。垂直上盤樹脂錨桿+雙筋條支護，錨桿長度1.2 m，錨桿網度1.0～1.5 m。

4)下盤破幫后，局部較為破碎處，采用樹脂錨桿+雙筋條進行支護，錨桿長度1.2 m，錨桿網度1.0～1.5 m。

2.3 支護參數驗算

1)護頂支護錨桿長度計算。采場錨桿金屬網支護進行護頂，按組合梁作用原理來設計錨桿支護參數[5-6]。組合梁有效組合厚度(t)計算公式為：

(1)

式中：b為采場支護寬度，取1.4～2.5 m；n1為安全系數，取4；p為組合梁所受垂直載荷，為0.03 MN/m2；η為抗拉強度折減系數，為0.6；σ為頂板巖層抗拉強度，取3.2 MPa；φ為組合巖層層數系數，為0.70。

經計算：t=0.5 m。即，組合梁有效組合厚度為0.5 m。

錨桿所需長度(l)計算公式為：

l≥l1+t+l2

(2)

式中：l1為錨桿外露長度，取0.1 m；l2為頂錨端長度，為0.3～0.6 m。

經計算：l≥1.2 m，設計上盤錨桿長度1.2 m，頂板錨桿支護長度為1.5 m。

2)錨桿支護網度計算。錨桿支護網度按組合梁抗剪強度計算[7-8]。

(3)

式中：S為單根錨桿支護面積(m2)；hc為錨桿有效錨固長度,為0.3～0.6 m；k2為抗剪強度折減系數，為0.8；τr為頂板巖層抗剪強度,取18 MPa；Smin為單根錨桿支護范圍內完整巖體最小面積(m2)；d1為錨桿外徑(mm)；d2為錨桿內徑(mm)；τp為錨桿體抗剪強度(MPa)；k為安全系數；ρk為頂板巖體密度，為2.7 t/m3；hmax為頂板巖體離層高度(m)；lr為頂板最大暴露跨度，為2.5 m。

經計算：S=1.28 m2。

根據計算，設計錨桿支護網度為(1.0～1.8)m×(1.0～1.8)m。

則對錨桿的錨固力要求為：

Q≥pδs2

(4)

式中：Q為錨桿錨固力(MN/根)；δ為離層厚度(m)；s為錨桿間距，1.0～1.8 m。

經計算：Q=0.049 MN/根。

選用的樹脂錨桿錨固力可達0.08 MN/根，完全能滿足對錨桿錨固力的要求。

3)護頂金屬網強度校核。選用φ2.8 mm鐵絲編織的金屬網，網度0.05 m×0.05 m。根據沖切強度校核:

nG≤2NτSt

(5)

式中:n為安全系數；G為可能墜落的最大巖塊重力(N);N為錨桿網度間的金屬網中鐵絲的根數；St為鐵絲的斷面面積(mm2)；τ為鐵絲的抗剪強度(MPa)。

經計算：n>2，金屬網能有效網住可能墜落的巖石，保證作業人員的安全。

4)雙筋條強度校核。雙筋條采用10 mm普通圓鋼和5～10 mm的鋼板加工而成，2根圓鋼的間距5 cm，雙筋條長度為2～3 m，2條鋼筋采用鋼板連接，30～50 cm 1個，鋼板厚度為5～10 mm，單側焊點至少5個。10 mm圓鋼的抗拉強度為370 MPa，抗剪強度約為抗拉強度的0.58倍。根據沖切強度校核結果(n>2)，雙筋條能夠網住關鍵松動塊體，能保證作業人員安全。

2.4 現場應用

根據上述支護設計與計算，在井下選擇一礦區18394采場進行支護試驗，支護效果良好，采場回采過程中，頂板及兩幫未見明顯冒落、片幫， 有效地保證了作業人員及設備的安全，保證井下生產工藝循環的正常進行。現場支護效果見圖5。

圖5 現場支護效果

3 結 論

1)根據金陶金礦工程地質條件，結合現有采礦方法，提出了整體地壓控制+作業面維護聯合支護方案。其中，支護方案中采場整體地壓控制方案為沿垂向上構筑混凝土支柱，作業面維護方案有樹脂錨桿+雙筋條+金屬網。

2)通過力學計算，對設計的支護參數進行核算，得出上盤錨桿長度為1.2 m，頂板錨桿長度為1.5 m。錨桿支護網度為(1.0～1.8)m×(1.0～1.8)m，可以滿足安全需求。選用樹脂錨桿錨固力可達0.08 MN/根，完全滿足對錨固力的需求。n>2，金屬網及雙筋條能有效網住可能墜落的巖石，保證作業人員安全。

3)在井下進行現場支護試驗，支護效果良好，能夠提高采場作業安全性，保證人員及設備的工作安全，為金陶金礦后續技術革新、安全生產提供了技術支撐。