采場充填體內掘進巷道的支護技術研究

江 科

(1.長沙礦山研究院有限責任公司； 2.國家金屬采礦工程技術研究中心)

引 言

部分礦山因采礦工藝需要，面臨在充填體內掘進巷道的難題。充填體是一種由尾砂、膠凝材料和水固結后形成的實體，影響其性質的因素比較多，如灰砂比、濃度、均勻性及養護時間等，充填體的整體性和強度決定了在其中掘進巷道的安全性和成本[1-4]。同時，考慮到充填體相較于巖體具有強度低、塑脹性強、易風化等特性，在充填體內開挖巷道易引發失穩現象，原因是開挖導致充填體內應力重新分布，局部應力過大而引發破壞，或者應力重新分布后產生較大的塑性區、松動區，圍巖(充填體)隨時間延長而出現較大的變形，直至破壞，在頂部表現為冒落，在側幫表現為擠壓破壞，對礦山正常安全生產造成巨大壓力[5-8]。

本文針對某礦山開采技術條件，參考類似礦山工程案例，參照國家、行業及典型企業的相關規范或標準，綜合考慮充填體性質、上覆巖層應力、工程因素、時間因素、地下水因素等，在保證安全和經濟合理的前提下，對礦山充填體內掘進巷道的支護技術進行研究，推薦相應的掘進及支護工藝方案。

1 充填體內巷道掘進與支護技術現狀

對于充填體內掘進巷道，眾多礦山企業、高校及科研院所進行了較多的研究工作，提出了不同條件下充填體內掘進與支護的工藝方案，并且在實際生產應用中積累了一定的經驗，形成了礦山企業實際的工程案例及國家、行業或企業相關的規范標準，可以為類似礦山充填體內巷道的掘進與支護工作提供借鑒與參考。

1.1 規范及手冊

GB 50086—2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》中推薦以工程類比法來確定巷道的支護方式，首先評價巷道的圍巖等級，分級標準為Ⅰ～Ⅴ級，進而推薦不同圍巖級別及巷道跨度分類的支護手段和參數[9-11]。充填體可劃歸為塑性流變巖體，其圍巖等級歸類為Ⅴ級，在充填體內開挖巷道應遵循的原則是：①宜采用曲線形斷面；②斷面的長軸宜與主應力較大的方向一致；③可分期實施支護結構，巷道斷面尺寸應預留圍巖變形量，初期支護與后期支護的界線為變形量的累積值達到最大的允許范圍；④自穩能力差的塑性流變巖體中巷道開挖宜采用超前支護。

《采礦工程師手冊》中通過工程類比法提出了各種類別井巷支護的設計原則和推薦參數：①巷道的掘進應采用光面爆破以保證巷道斷面的規整，減少對圍巖的破壞，改善巷道周邊的應力條件，減少支護量；②軟弱巖層的支護多考慮采用金屬拱形支架與噴錨網支護配合使用；③混凝土、鋼筋混凝土及砌體等整體式支護，適用于有動壓、極不穩固及松軟巖層；④充填體易風化，即使強度高、性質好，也必須考慮支護[12]。

1.2 礦山研究及應用案例

阿舍勒銅礦通過研究及實際工程經驗積累，制定企業支護標準化管理制度，其中對于充填體內巷道的掘進與支護，采用機械非爆掘進方式形成巷道工程，同時聯合采用噴錨網支護形式對巷道進行支護，當充填體內殘礦較多時，采用U型鋼可縮性支架支護形式[13-14]。安慶銅礦在長期的生產實踐中總結出充填體內巷道掘進與支護的方法，巷道掘進采用鉆爆法施工，巷道形成后采用噴錨網聯合支護方式，錨桿全斷面布置，金屬網布置在拱、墻部位[15]。徐州鐵礦采用鉆爆法在充填體中掘進巷道，邊孔采用光面爆破技術，巷道掘進形成后，及時噴射薄層混凝土封閉圍巖，以防止圍巖吸水和潮解風化，然后進行噴錨網支護，或同時架設可縮性金屬支架，及時構成有足夠支護抗力和柔性的一次支護[16]。新城金礦在充填體內掘進巷道時采用鉆爆法，通過對數種不同的超前支護形式進行可操作性、安全性和經濟成本的綜合對比，最終選擇超前鋼管與U型鋼拱架聯合支護的形式[17]。

2 充填體內巷道掘進技術

2.1 工程背景

該礦山位于內蒙古自治區錫林郭勒盟，于2009年底開始基建，2013年基本完成地表設施和井下建設后投產，2016年實現達產穩產，開采規模240萬t/a，采用主副井+斜坡道聯合開拓方式。該礦區以層狀堅硬—半堅硬巖石為主，工程地質條件中等，水文地質條件中等，環境地質質量為中等型。井下礦體分期開采，580 m 水平以上為一期開采范圍，580 m水平以下為二期開采范圍。現有880 m、830 m、780 m、730 m、680 m、630 m、580 m、530 m、480 m等9個中段。

該礦山最初設計采用分段鑿巖階段空場采礦法開采，采場一般垂直走向布置，經多年開采后遺留大量礦柱待回收，原設計采用崩落采礦法回收礦柱，同時處理采空區，但考慮到地表塌陷所帶來的環境問題，同時為了提升回采作業安全性、控制Ⅱ步驟礦柱回收的采礦損失貧化指標，該礦山選擇將空場采礦法優化改造為充填采礦法。按空場采礦法規劃開采時，Ⅰ步驟礦房布置的出礦巷在Ⅱ步驟礦柱下，現在由空場采礦法轉為充填采礦法后，這種采場底部結構決定了Ⅱ步驟礦柱回采的出礦巷必須利用Ⅰ步驟礦房的鑿巖拉底巷，即需在充填體內重新掘進恢復Ⅰ步驟鑿巖拉底巷和出礦進路，以作為Ⅱ步驟礦柱回采的采準工程，底部結構如圖1所示。

1—桃形礦柱 2—充填擋墻 3—Ⅰ步驟受礦巷4—充填體 5—中段運輸巷 6—出礦進路 7—Ⅱ步驟受礦巷圖1 采場底部結構示意圖

2.2 充填工藝

該礦山充填工藝流程為：選礦廠濃度約50 %的尾砂漿經泵站加壓后輸送至充填制備站的高效深錐濃密機中，濃密機對尾砂進行濃密富集后，多余的溢流水通過管道自流回選礦廠，濃密機底流富集至濃度達到68 %以上。充填時，濃密機放砂至兩段攪拌設備，在向攪拌機放砂的同時，膠結劑倉中的膠結劑配料根據要求，通過給料和計量設施添加至攪拌機中，混合后的物料經過兩段攪拌機連續攪拌，制備成膏體充填料漿，通過充填鉆孔及井下管網自流輸送至井下各采空區進行充填。

為了達到采礦方法對充填體強度的要求，該礦山按照如表1所示的充填配比對采空區進行充填。部分采場養護至相應齡期后，對采場內充填體進行鉆孔取巖心，部分樣品如圖2所示。將充填體巖心樣品加工為標準試樣后進行單軸抗壓強度測試，結果顯示采場內各個部位充填體的強度均能滿足要求。

傳統的對問題認知的方式可能阻礙一般創造力，因而，培養對問題的創造性認知非常重要。在認識事物和問題時，需要有意識地打破常規，深入挖掘問題背后的實質，從而重新審視問題表征，實現對問題的“重定中心”。另外，培養多種創造性思維方式，如逆向思維、橫向思維、負向思維、發散思維等，培養認知的靈活性、復雜性和多方位性。最后，賦予個體更多的解決問題的機會，在具體的問題情境中訓練創造性認知習慣，也能夠起到提升一般創造力的作用。

表1 采場充填配比

圖2 采場充填體鉆孔取巖心樣品

2.3 巷道掘進技術條件分析

該礦山Ⅱ步驟礦柱回采采用單側出礦的方式，需將Ⅰ步驟受礦巷從充填體內重新掘進后恢復為出礦巷，連接Ⅱ步驟受礦巷與出礦巷的出礦進路也需將充填體填塞部分進行恢復，以形成完整的回采底部結構。出礦巷以充填體為直接頂板，側幫為巖石(桃形礦柱)；出礦進路的頂板和側幫均為巖石(桃形礦柱)。因而，礦山充填體內掘進巷道根據條件可分為2種情況：一種是掘進出礦巷，出礦巷以充填體為直接頂板，掘進技術要求高、成巷速度慢、安全風險較大；另一種是恢復原出礦進路，將巷道中的充填體移除后，對圍巖進行支護。本文研究的充填體內巷道掘進與支護技術主要是針對頂板為充填體的出礦巷。

該礦山采場底部結構形成的重點在于充填體內的掘進方式，以及掘進與支護的銜接配合，這是保證掘進工作安全和效率的核心。充填體性質、上覆巖層應力、工程因素、時間因素及地下水因素等將直接影響巷道掘進的安全和效率。安全是充填體內掘進巷道的首要目標，主要取決于充填體性質及上覆巖層應力，當充填體性質均勻、充填質量好時，做好掘進與支護的銜接工作，及時支護或在必要時做好超前支護，可以保證掘進作業的安全、控制地壓及采動對巷道的影響。選擇的掘進方式、充填體頂板及側幫的暴露面積和時間、地下水對充填體的軟化作用也是決定安全的因素之一，因此需要設計適宜的掘進、支護工藝方案，合理的方案不僅能保證充填體內巷道掘進的安全，同時能提升作業效率，降低掘進及支護成本，為礦山Ⅱ步驟礦柱回采、產能釋放打下良好的基礎。

3 充填體內掘進巷道的支護工藝方案

3.1 方案選擇

巷道支護方式多種多樣，不同的支護方式及多種支護方法的聯合方式適合不同類型的圍巖條件。采用的支護方式由巷道自身的條件所決定。充填體一般為非均質的低強度材料(與原巖相比)，受充填過程的不連續、充填料漿不同程度的離析分層、受礦巷內殘留的礦石等影響，在充填體內開挖巷道易引起充填體薄弱部分的失穩，如巷道頂部的拉應力區破壞導致的崩塌，或巷道側幫壓應力區破壞導致的片幫等。充填體內掘進巷道的方法一般為鉆爆法和機械非爆掘進法。2種方法形成巷道的原理不同，在巷道形成過程中對圍巖(充填體)的破壞作用差異大。鉆爆法通過炸藥爆炸的能量破碎圍巖，光面爆破設計在一定程度上有利于保護充填體。懸臂式掘進機在普氏硬度系數小于7的巖石內掘進隧洞有較高的效率，是一種機械非爆掘進領域常用的設備，在諸如充填體的低強度巖體中掘進巷道具有效率高、成形度好、對巷道周邊圍巖破壞小等優點。

充填體內巷道掘進方法決定了成巷效率、圍巖破壞情況，進一步決定了巷道的支護形式，而巷道的支護形式反過來決定了巷道的掘進斷面大小，因而，礦山充填體內掘進巷道的支護方式與掘進方法密切相關。對于出礦巷，通過工程類比法設計支護工藝和參數，再由支護參數確定巷道的掘進斷面，最終對比不同掘進方法及條件下巷道掘進與支護的綜合效益，初選的工藝方案為：①鉆爆法掘進，對充填體損傷大，采用U型鋼拱架+超前鋼管聯合支護；②懸臂式掘進機掘進，巷道成形度好、圍巖破壞少，采用噴錨網聯合支護。

3.2 巷道掘進與支護工藝方案

采場的凈斷面尺寸需考慮無軌出礦設備的規格參數，巷道的掘進尺寸在凈斷面的基礎上結合支護設計參數確定。礦山采用2 m3柴油鏟運機出礦，鏟運機的外形尺寸(長×寬×高)為6 816 mm×1 770 mm×2 090 mm，同時按照GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》中相關要求，在無軌運輸設備與巷道壁或巷道內設施之間的間隙應不小于600 mm，確定出礦巷的凈斷面尺寸為3.0 m×3.0 m。

3.2.1 鉆爆法+U型鋼拱架超前支護

采用鉆爆法在充填體內掘進巷道，配合U型鋼拱架的超前鋼管聯合支護，工藝以鑿巖爆破、通風與出渣、支護作為一個循環，超前鋼管支護保證鑿巖、出渣和支護作業的安全。巷道全斷面一次成巷，采用光面爆破，周邊孔布置原則為多打孔、少裝藥，減少爆破對充填體穩定性的破壞，提高爆破成形質量。獨頭作業面采用局扇輔助通風，由鏟運機出渣，經中段運輸巷外運，卸入脈外廢石溜井。鋼拱架型號為25U，三心拱直腿可縮性支架型號為6GZ-3，三合一組合而成，搭接部分長度400 mm，出礦巷的掘進斷面尺寸為3.3 m×3.2 m，安裝鋼拱架后巷道的凈斷面為3.0 m×3.0 m；鋼拱架設置間距為800～1 000 mm，圍巖性質好時取大值，性質差時取小值；采用φ32 mm螺紋鋼連筋；支架腿兩側距底板高1.0～1.2 m處各安裝1根φ32 mm螺紋鋼護腿錨桿，支架腿與巷道壁間鋪設20～30 mm厚木板；支架腿窩向下挖200～300 mm，至實底，腿底墊一塊100 mm×100 mm鋼墊板；超前管護頂的超前鋼管為φ25 mm薄壁鋼管，長2 m，上仰角度約5°，外露400～500 mm，管間距200 mm，采用木板將頂板背實，在超前鋼管外露端下部橫插一根φ50 mm鋼管作為底部托梁，并將其與鋼拱架固定。U型鋼拱架超前支護如圖3所示。

圖3 出礦巷U型鋼拱架超前支護示意圖

3.2.2 懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護

采用機械非爆掘進法在充填體內掘進巷道，選擇合適的循環進尺，配合噴錨網聯合支護，以充分保證掘進作業的安全。工藝以機械非爆掘進、通風和出渣、支護作為一個循環。懸臂式掘進機通過截割頭旋轉，截齒對充填體進行切割，連續移動截割頭來完成巷道全斷面的破碎掘進工作，截割頭下方的鏟板收料裝置負責破碎充填體的收集，通過輸送機排至懸臂式掘進機的后方，采用鏟運機出渣，經中段運輸巷外運，獨頭作業采用局扇輔助通風。出礦巷頂板為充填體，懸臂式掘進機掘進的巷道成形度好、對圍巖的破壞作用小，采用噴錨網聯合支護的方式對巷道進行支護。選擇2.8～3.0 m水泥卷錨桿，錨桿間排距(0.6 m×0.6 m)～(0.8 m×0.8 m)；頂板噴射混凝土厚度100 mm，巷幫錨網支護或100 mm素噴混凝土，混凝土強度等級為C20；金屬網鋼筋直徑為5～6 mm，網度為50 mm×50 mm；局部有軟弱充填體時，間隔4.5～6.0 m 設置1座花拱架。出礦巷的掘進斷面規格要求為3.2 m×3.1 m，支護完成后巷道的凈斷面為3.0 m×3.0 m。噴錨網聯合支護如圖4所示。

圖4 噴錨網聯合支護示意圖

3.3 巷道掘進與支護效率

1)鉆爆法+U型鋼拱架超前支護。掘進單個作業循環包括鑿巖爆破、通風與出渣、支護及下循環準備等工序。按巷道掘進支護設計要求，采用超前支護形式時，巷道的單次循環進尺一般為超前支護長度的1/3～1/2，因鋼管超前支護長度約為2 m，確定在充填體內單次循環進尺為1 m。以1 m的進尺計算，3.3 m×3.2 m的巷道全斷面掘進，鑿巖爆破所需時間約為1臺班，通風和出渣所需時間約為1/3臺班，支護作業所需時間為4/3臺班，下循環準備時間約為1/3臺班。單個循環在充填體內掘進1 m進尺耗時3臺班，合計為1 d。

2)懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護。掘進的單個作業循環包括機械非爆掘進、通風和出渣、支護及下循環準備等工序。采用噴錨網聯合支護時，短掘短支方式掘進的巷道需嚴格控制循環進尺，循環進尺根據頂板圍巖情況確定，在充填體內單次循環進尺為2～3 m。以2 m的進尺計算，3.2 m×3.1 m的巷道全斷面掘進，機械掘進所需時間約為1/2臺班，通風和出渣所需時間約為2/3臺班，支護作業所需時間為3/2臺班，下循環準備時間約為1/3臺班。單個循環在充填體內掘進2 m進尺耗時3臺班，合計為1 d。

3.4 巷道掘進與支護成本

充填體內巷道掘進與支護成本如表2所示。

表2 充填體內巷道掘進與支護成本

3.5 技術經濟效益對比

通過工程類比法確定該礦山充填體內巷道掘進與支護的方法，分別為鉆爆法+U型鋼拱架超前支護、懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護。2種掘進方法對充填體圍巖的破壞程度不同，導致巷道的支護設計有差別，支護手段的區別反過來決定了巷道的掘進斷面、循環進尺，進而影響充填體內成巷的效率和成本。對2種掘進與支護方法的工藝、效率和成本進行分析和計算，從安全、效率和成本3方面對2種方法進行比較：

1)2種掘進與支護方法均能保證巷道掘進過程中的安全。

2)鉆爆法掘進的循環進尺每天為1 m，機械非爆掘進的循環進尺每天為2 m，后者的效率更高。

3)對于出礦巷道，機械非爆掘進總成本為7 380元/m，其中，掘進成本為4 780元/m，支護成本為2 600元/m；鉆爆法掘進總成本為9 140元/m，其中，掘進成本為5 890元/m，支護成本為3 250元/m。機械非爆掘進的掘支成本較鉆爆法低1 760元/m。

綜合比較2種方案的技術經濟效益，建議該礦山采用懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護的方法在充填體內掘進巷道，在局部充填體質量較差時，增設一定數量的花拱架或U型鋼拱架。

4 結 論

1)該礦山原計劃采用空場采礦法回采，為了保證礦山生產安全、提高資源的有效利用率，改為充填采礦法回采Ⅱ步驟礦柱，采用全尾砂膏體充填工藝，按設計濃度及充填配比進行充填。因空場采礦法回采時采場底部結構已形成，Ⅱ步驟礦柱需在Ⅰ步驟充填體內重新掘進出礦進路和出礦巷。在礦山巷道掘進與支護技術條件分析的基礎上，參考類似礦山工程案例，參照國家、行業及典型企業的相關規范或標準，綜合考慮各影響因素，選擇鉆爆法+U型鋼拱架超前支護、懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護2種方法。

2)懸臂式掘進機成巷速度快，巷道成形度好，對巷道圍巖充填體的破壞小，在及時支護的條件下循環進尺大，相較于鉆爆法1 m/d的循環進尺可提高至2 m/d，提升巷道掘進作業效率。選擇機械非爆掘進的出礦巷掘支總成本為7 380元/m，鉆爆法的出礦巷掘支總成本為9 140元/m，機械非爆掘進的掘支成本較鉆爆法低1 760元/m。

3)從安全、效率和成本3方面分析論證，建議該礦山采用懸臂式掘進機+噴錨網聯合支護的方法在充填體內掘進巷道，在局部充填體質量較差時，增設一定數量的花拱架或U型鋼拱架。

4)懸臂式掘進機存在轉彎半徑大，轉場不靈活等缺點，在礦山實際應用中，應注意相應的配套工程等。礦山充填體內巷道的支護設計在應用初期應選用相對保守的參數以保證安全，待后期具有一定經驗后再根據實際條件適當優化循環進尺和支護設計。