金山店礦松軟破碎巖體采準(zhǔn)工程合理布置

孫明偉 向 鑄

（武鋼資源集團(tuán)金山店礦業(yè)有限公司）

金山店礦采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，采準(zhǔn)巷道及溜井的穩(wěn)定不僅影響到開(kāi)采安全，還關(guān)系到礦山生產(chǎn)效率。而金山店礦東區(qū)ⅠⅠ號(hào)礦體下盤近礦圍巖有較厚的松軟破碎巖體和高嶺土類巖體，原設(shè)計(jì)采用下盤開(kāi)拓和采準(zhǔn)方式，采準(zhǔn)巷道及溜井變形破壞嚴(yán)重，成巷成井難度大，開(kāi)采安全性差，礦山一般采用高強(qiáng)度工字鋼支護(hù)，不僅支護(hù)成本高，且依然垮冒嚴(yán)重，報(bào)廢率高。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)破碎礦巖區(qū)域采準(zhǔn)巷道的失穩(wěn)破壞問(wèn)題研究，主要聚焦在對(duì)井巷結(jié)構(gòu)參數(shù)［1-2］和支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［3-6］上，金山店礦也曾對(duì)該區(qū)域采準(zhǔn)巷道支護(hù)［7］和溜井結(jié)構(gòu)優(yōu)化［8-9］做過(guò)類似研究，取得一定效果，但依然存在支護(hù)成本高、支護(hù)時(shí)效性有待提高等問(wèn)題。結(jié)合金山店礦的采礦方法相關(guān)技術(shù)參數(shù)，開(kāi)展采準(zhǔn)工程合理布置研究，以保障采準(zhǔn)工程的安全可靠，對(duì)金山店礦安全高效生產(chǎn)具有意義。

1 工程概況

1.1 東區(qū)采準(zhǔn)工程現(xiàn)狀

金山店礦采用無(wú)底柱分段崩落法采礦，主要的采準(zhǔn)工程包括各分段上下盤鑿巖聯(lián)巷、鑿巖進(jìn)路、采區(qū)斜坡道、礦廢石溜井、通風(fēng)天井以及電梯井等井巷工程。采準(zhǔn)工程具體布置如圖1所示。

由于東區(qū)主要有Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)2 個(gè)礦體，2 個(gè)礦體獨(dú)立開(kāi)采，獨(dú)立通風(fēng)、行人、落礦和運(yùn)礦，配有2 套電梯井、2條采區(qū)斜坡道、2套通風(fēng)系統(tǒng)等，每個(gè)分段布置2條沿脈鑿巖聯(lián)巷。由于采準(zhǔn)工程需要服務(wù)至整個(gè)階段回采完成，因此其布置在開(kāi)采錯(cuò)動(dòng)帶以外，即位于Ⅰ號(hào)礦體的上盤和Ⅱ號(hào)礦體的下盤。

鑿巖進(jìn)路一般垂直于礦體走向布置，進(jìn)路端部掘進(jìn)切割巷，在切割巷內(nèi)向上掘進(jìn)切割天井，采用中深孔將切割巷和切割天井聯(lián)合拉槽形成爆破補(bǔ)償空間。采礦時(shí)爆破鑿巖進(jìn)路中的中深孔，從鑿巖進(jìn)路向鑿巖聯(lián)巷依次退采。爆落的礦石在覆蓋層下由鏟運(yùn)機(jī)鏟出，運(yùn)至礦塊的礦石溜井，掘進(jìn)的廢石運(yùn)至廢石溜井。一般5 條進(jìn)路為1 個(gè)礦塊，每個(gè)礦塊分別布置1條礦石溜井和1條廢石溜井，礦廢分裝分運(yùn)。

現(xiàn)在進(jìn)行采礦生產(chǎn)的-500 m 中段高度為90 m，分段高度15 m，進(jìn)路間距16 m。上下分段的回采進(jìn)路為梅花形布置，各分段由上至下回采，同分段內(nèi)回采順序不定。

1.2 東區(qū)采準(zhǔn)工程存在的問(wèn)題

東區(qū)Ⅱ號(hào)礦體的下盤尤其是34#勘探線以東的區(qū)域下盤圍巖為高嶺土，完整性差、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，巷道成巷極為困難，巷道穩(wěn)定性差，支護(hù)量大，目前主要采用工字鋼進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，如圖2所示。工字鋼屬于被動(dòng)支護(hù)方式，利用自身的剛度和強(qiáng)度來(lái)抵抗巷道圍巖的變形。然而，高嶺土在遇水、在井下潮濕空氣作用下以及采礦活動(dòng)導(dǎo)致地壓變化的情況下，膨脹性大，巷道地壓顯現(xiàn)十分明顯，導(dǎo)致工字鋼支護(hù)出現(xiàn)較大的位移和變形收縮，失去支護(hù)作用甚至形成安全隱患，必須對(duì)巷道進(jìn)行大量的二次支護(hù)。

因此，東區(qū)采準(zhǔn)工程尤其是Ⅱ號(hào)礦體的下盤鑿巖聯(lián)巷不僅支護(hù)工作量大，經(jīng)濟(jì)效果差，同時(shí)工字鋼支護(hù)后的巷道有效使用面積變小，使得大型采掘設(shè)備無(wú)法通行，導(dǎo)致采礦效率低，巷道服務(wù)時(shí)間加長(zhǎng)，地壓顯現(xiàn)更加嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)。

2 采準(zhǔn)工程改進(jìn)方案

針對(duì)上東區(qū)采準(zhǔn)工程存在的問(wèn)題，對(duì)于成巷條件較差的松軟破碎區(qū)域，盡量不在該區(qū)域施工巷道，更改Ⅱ號(hào)礦體的鑿巖聯(lián)巷在礦體下盤的布置方式，布置在其他區(qū)域避開(kāi)松軟破碎區(qū)域或掘進(jìn)其他巷道代替鑿巖聯(lián)巷的功能。同時(shí)，在考慮調(diào)整采準(zhǔn)工程布置方案時(shí)，要兼顧采礦生產(chǎn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)可行性等方面。

在以上原則的指導(dǎo)下，提出了2 種布置方案：一種為避開(kāi)下盤破碎巖體，在上盤布置分段沿脈鑿巖聯(lián)巷，鑿巖進(jìn)路垂直于礦體走向布置（簡(jiǎn)稱上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案）；一種為在破碎區(qū)域不布置分段沿脈鑿巖巷道，鑿巖進(jìn)路沿礦體走向布置（簡(jiǎn)稱沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案）。

2.1 上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案

上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案的典型方案如圖3所示，為避開(kāi)Ⅱ號(hào)礦體下盤的高嶺土松軟破碎區(qū)域，下盤鑿巖聯(lián)巷改為沿Ⅱ號(hào)礦體上盤布置。鑿巖進(jìn)路方向及間距不變，切割巷和切割天井仍在鑿巖進(jìn)路端部布置，改為布置在Ⅱ號(hào)礦體的下盤位置。電梯井、礦廢石溜井、通風(fēng)天井等采準(zhǔn)工程服務(wù)于整個(gè)階段，為避免壓礦，此類采準(zhǔn)工程仍布置在Ⅱ號(hào)礦體的下盤。采場(chǎng)安全出口為斜坡道和電梯井；電梯井進(jìn)風(fēng)，通風(fēng)天井回風(fēng)；各分段涌水由運(yùn)輸水平匯集后，經(jīng)泄水孔匯至水倉(cāng)。

采用上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案時(shí)，最主要的變化在于掘進(jìn)及采礦的礦（廢）石均要通過(guò)上盤鑿巖聯(lián)巷運(yùn)至下盤的礦廢石溜井，增加了鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)距，降低了礦巖運(yùn)搬的效率，在一定程度上會(huì)影響采礦的效率。

采用上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案時(shí)，還要求Ⅱ號(hào)礦體上盤圍巖穩(wěn)固性較好。此外，Ⅱ號(hào)礦體上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷與Ⅰ號(hào)礦體的距離不大，若Ⅰ號(hào)礦體的開(kāi)采較Ⅱ號(hào)礦體更早地進(jìn)入下部分段的開(kāi)采，可能會(huì)導(dǎo)致鑿巖聯(lián)巷區(qū)域的應(yīng)力集中。

2.2 沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案

沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案的典型方案如圖4所示，為避開(kāi)Ⅱ號(hào)礦體下盤的高嶺土松軟破碎區(qū)域，不掘進(jìn)沿脈鑿巖聯(lián)巷，只施工沿走向的長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路，沿礦體的走向直接由端部向中部退采。電梯井、礦廢石溜井、通風(fēng)天井等采準(zhǔn)工程仍布置在Ⅱ號(hào)礦體的下盤。掘進(jìn)和采礦時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)直接將鑿巖進(jìn)路中礦石和廢石運(yùn)至下盤的礦廢石溜井中。采場(chǎng)安全出口為斜坡道和電梯井；電梯井進(jìn)風(fēng)，通風(fēng)天井回風(fēng)；各分段涌水由運(yùn)輸水平匯集后，經(jīng)泄水孔匯至水倉(cāng)。

沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案適用于上下盤圍巖都不穩(wěn)固的情況，由于不施工沿脈鑿巖聯(lián)巷，只掘進(jìn)沿走向的長(zhǎng)鑿巖聯(lián)巷，因此，采準(zhǔn)巷道工程量較小，采切比較小。同時(shí)，沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案的缺點(diǎn)也十分明顯。首先，沿走向的鑿巖進(jìn)路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其掘進(jìn)施工以及在其中的采礦作業(yè)都是獨(dú)頭作業(yè)，因此通風(fēng)效果更差；其次，由于鑿巖進(jìn)路沿走向布置，一般只有1～2條，在巷道掘進(jìn)和采礦落礦時(shí)，只能提供1～2個(gè)工作面，效率較低，不如垂直于礦體走向布置鑿巖進(jìn)路，多條鑿巖進(jìn)路可同時(shí)作業(yè)的效率高；再次，由于礦體厚度及走向的變化，中深孔對(duì)邊界的礦體控制較難，容易造成損失和貧化。

此外，若上分段采用的是垂直于礦體走向的鑿巖進(jìn)路布置方式，若在下分段改為沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路布置方式，對(duì)于中深孔的鑿巖施工需要更嚴(yán)格的要求。其原因是上分段鑿巖進(jìn)路之間的脊部留有三角形的礦柱，在礦體走向方向留下近似于波浪形的待采礦體，因此，在下分段的沿走向布置的長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路中，相鄰的每排炮孔深度都不同。再加上礦體上下盤邊界的變化，使得中深孔的設(shè)計(jì)和施工都極為復(fù)雜，很難控制礦體的邊界。

若以上問(wèn)題不能較好地解決，可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）中深孔對(duì)礦體上下盤邊界控制較差，丟礦現(xiàn)象嚴(yán)重，崩落大量廢石，導(dǎo)致?lián)p失率和貧化率均較高。

（2）中深孔對(duì)上分段鑿巖進(jìn)路脊部的礦石控制不好，導(dǎo)致大塊率較高，甚至可能因缺少自由面而出現(xiàn)超大塊的懸頂?shù)V石。

（3）放礦橢球體的方向隨鑿巖進(jìn)路方向變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致放礦橢球體的發(fā)展演化規(guī)律更為復(fù)雜，放礦管理復(fù)雜，容易出現(xiàn)過(guò)早貧化而導(dǎo)致?lián)p失率和貧化率的提高。

3 采準(zhǔn)工程布置方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

以東區(qū)-425 m 水平下盤810 礦塊以東的松軟破碎區(qū)域礦體為回采對(duì)象，將原有方案與以上提出的2個(gè)方案（下盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案（方案Ⅰ）、上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案（方案ⅠⅠ）和沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案（方案ⅠⅠⅠ））應(yīng)用于此區(qū)域的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析比較。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括井巷工程量、中深孔工程量、掘進(jìn)成本、井巷工程施工周期、支護(hù)成本、回采周期等。

3.1 工程量

3 個(gè)方案采掘成本比較主要涉及井巷工程量和中深孔工程量。

采用方案Ⅰ時(shí)，破碎區(qū)域的主要采切工程及工程量包括下盤沿脈鑿巖聯(lián)巷（240 m）、進(jìn)路（13 條×45 m）、切割巷（200 m）、切割井（13 條×14 m），合計(jì)共1 207 m。進(jìn)路內(nèi)每3 m 布置2 排中深孔，共15 個(gè)，總長(zhǎng)度按235 m 計(jì)，每條進(jìn)路施工中深孔約26 排，共13條進(jìn)路，合計(jì)39 715 m。

采用方案Ⅱ時(shí)，破碎區(qū)域的主要采切工程及工程量包括上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷（300 m）、上下盤連接巷（60 m）、進(jìn)路（12 條×50 m）、切割巷（200 m）、切割井（13 條×14 m），合計(jì)1 342 m。中深孔工程量同方案Ⅰ，即39 715 m。較方案Ⅰ工程量較大的主要原因：①上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷較下盤沿脈鑿巖聯(lián)巷離礦體更遠(yuǎn)，導(dǎo)致進(jìn)路更長(zhǎng)；②中段風(fēng)井布置在下盤位置，上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷需要在礦體端部與其連通，以保證分段內(nèi)的通風(fēng)質(zhì)量。

采用方案Ⅲ時(shí)，破碎區(qū)域的主要采切工程及工程量包括長(zhǎng)進(jìn)路（2 條×200 m）、切割巷（3 條×35 m）和切割井（6 條×14 m），合計(jì)共589 m。每條長(zhǎng)進(jìn)路中約施工140 排中深孔，共2 條進(jìn)路，合計(jì)32 900 m。采切工程施工時(shí)，首先在礦體中施工2條沿礦體走向的長(zhǎng)進(jìn)路，考慮到進(jìn)路長(zhǎng)度大，只切割拉槽一次可能無(wú)法一次按拉槽高度回采完200 m 長(zhǎng)的進(jìn)路，從而出現(xiàn)懸頂?shù)仁鹿省Ｒ虼藢⑦M(jìn)路分3 段切割回采，每隔60～70 m的長(zhǎng)度布置1條切割巷。考慮到切割巷長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此在每條切割巷內(nèi)各布置2 條切割井。3 種方案主要工程量如表1 所示。井巷工程量由少至多依次是方案Ⅲ、方案Ⅰ和方案Ⅱ，方案Ⅲ中深孔工程量最少，方案Ⅰ和方案Ⅱ的中深孔工程量相同。因此，從工程量的角度考慮，最優(yōu)的方案為方案Ⅲ。

3.2 采掘成本

所有巷道除切割井外均采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，方案Ⅰ下盤破碎區(qū)域的沿脈鑿巖聯(lián)巷及進(jìn)入礦體前與鑿巖聯(lián)巷之間的進(jìn)路部分，在采用噴錨網(wǎng)初步支護(hù)后再采用工字鋼支護(hù)，工字鋼支護(hù)間距0.7～0.8 m。3種方案總采掘成本分別為594.4、563.1 和316.4 萬(wàn)元，如表2所示，從成本的角度考慮，最優(yōu)的方案為方案Ⅲ。

3.3 采礦周期

采礦周期比較主要涉及井巷工程施工周期、中深孔施工周期和回采周期。

方案Ⅰ井巷工程總施工時(shí)間為314 d，中深孔施工完成時(shí)間349 d，整個(gè)破碎區(qū)域的回采完成時(shí)間為388 d。為了盡快完成該區(qū)域的采礦工作，在下盤鑿巖聯(lián)巷施工至1#進(jìn)路的開(kāi)口位置即開(kāi)始施工1#進(jìn)路，至2#進(jìn)路的開(kāi)口位置即開(kāi)始施工2#進(jìn)路，并在滿足最多同時(shí)施工自由面的條件下以此類推；同時(shí)，在1#切割巷及1#切割井施工完成后，開(kāi)始施工1#進(jìn)路及1#切割巷內(nèi)的中深孔；最后，在1#進(jìn)路及1#切割巷內(nèi)的中深孔施工完成后，即開(kāi)始1#進(jìn)路的爆破回采工作，并以此類推。

方案Ⅱ井巷工程總施工時(shí)間為290 d，中深孔施工完成時(shí)間368 d，整個(gè)破碎區(qū)域的回采完成時(shí)間為473 d。方案Ⅱ較方案Ⅰ的井巷工程量雖然多，但施工時(shí)間短，然而中深孔施工完成時(shí)間和回采完成時(shí)間均較晚，是因?yàn)榉桨涪蛑械难孛}鑿巖巷道不經(jīng)過(guò)松軟破碎區(qū)域，施工速度較快，施工效率較高，而可供首采的進(jìn)路（1#進(jìn)路）及切割工程掘進(jìn)完成時(shí)間較晚導(dǎo)致中深孔開(kāi)始施工的時(shí)間及回采開(kāi)始的時(shí)間均較晚，所以最后回采完成的時(shí)間較晚。此外，連接巷作為一條回采進(jìn)路，其回采必須在其他所有進(jìn)路回采完成后再進(jìn)行，這也在一定程度上增加了該區(qū)域回采的時(shí)間。

方案Ⅲ井巷工程總施工時(shí)間為123 d，中深孔施工完成時(shí)間358 d，整個(gè)破碎區(qū)域的回采完成時(shí)間為573 d。方案Ⅲ井巷工程量雖然最少，中深孔工程量最少，井巷工程施工時(shí)間短，但中深孔施工完成時(shí)間基本與其他2種方案的時(shí)間相同，回采完成時(shí)間晚于其他2種方案，其原因是方案Ⅲ中的長(zhǎng)進(jìn)路為獨(dú)頭布置，必須在全部井巷工程施工完成后再開(kāi)始中深孔施工，同理，在中深孔完全施工完成后才能開(kāi)始回采作業(yè)，且回采只能由里向外退采。因此該方案回采完成的時(shí)間最晚。

3.4 采準(zhǔn)工程布置方案綜合評(píng)價(jià)

方案Ⅰ仍在破碎區(qū)域施工下盤沿脈鑿巖聯(lián)巷，其主要缺點(diǎn)是巷道的支護(hù)工程量大，支護(hù)成本較高。若巖體破碎程度高，成巷效果極差，則此種方法有不能有效回收破碎區(qū)域礦體的可能。其優(yōu)點(diǎn)主要是和已有鑿巖聯(lián)巷布置形式相同，沿脈巷道不穿過(guò)礦體，分段內(nèi)進(jìn)路的回采順序可以靈活安排。此外，礦體開(kāi)采時(shí)，礦體下盤的錯(cuò)動(dòng)范圍較上盤的錯(cuò)動(dòng)范圍小，下盤沿脈巷道可以布置在離礦體更近的區(qū)域，使得進(jìn)入礦體的進(jìn)路長(zhǎng)度較小，節(jié)約井下工程掘進(jìn)量。分段回采時(shí)下盤沿脈鑿巖聯(lián)巷始終通暢，通風(fēng)效果較好，且在本分段回采完成后仍能作為下分段回采時(shí)的回風(fēng)巷道，有利于下分段回采時(shí)的通風(fēng)工作。

方案ⅠⅠ在破碎區(qū)域改為沿上盤布置沿脈鑿巖聯(lián)巷，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以避開(kāi)下盤松軟破碎圍巖，降低巷道的支護(hù)成本。相對(duì)于沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案，大部分鑿巖聯(lián)巷仍布置在脈外，除穿過(guò)礦體的下盤轉(zhuǎn)上盤的沿脈巷道在分段內(nèi)其他進(jìn)路回采完成后作為回采進(jìn)路外，分段內(nèi)的其他進(jìn)路回采順序相對(duì)較靈活。其缺點(diǎn)主要是上盤沿脈巷道布置時(shí)離礦體距離較遠(yuǎn)，進(jìn)路長(zhǎng)度較長(zhǎng)。下盤轉(zhuǎn)上盤的沿脈巷道穿過(guò)礦體，因此在分段完成回采后部分沿脈巷道破壞，無(wú)法為下分段回采提供完整的回風(fēng)路線。此外，鏟車運(yùn)輸行駛路線相對(duì)于方案Ⅰ較長(zhǎng)，運(yùn)輸成本較高。

方案ⅠⅠⅠ在破碎區(qū)域不施工沿脈鑿巖聯(lián)巷，只施工1～2 條沿礦體走向的長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路。該進(jìn)路兼顧鑿巖聯(lián)巷的功能，能避開(kāi)上下盤均不穩(wěn)固的巖體，因此井巷工程量最小，支護(hù)成本低。其缺點(diǎn)是1～2條長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路負(fù)責(zé)整個(gè)破碎區(qū)域的礦體回采，提供的回采工作面數(shù)量少，回采效率低，破碎區(qū)域礦石回采在采切工程完成后進(jìn)行，分段的回采周期較長(zhǎng)。破碎區(qū)域礦石回采只有1種回采方向，若出現(xiàn)生產(chǎn)上的意外情況，應(yīng)變能力較差，存在較高的風(fēng)險(xiǎn)性。同時(shí)，進(jìn)路為長(zhǎng)距離獨(dú)頭巷道，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)通風(fēng)效果差。此外，由于回采方向上發(fā)生的重大變化，中深孔施工時(shí)控制上分段回采后的邊界的難度極大，同時(shí)放礦漏斗的形態(tài)也會(huì)發(fā)生極大的變化，因此在回采爆破后礦石回收的損失率和貧化率均較大。

針對(duì)松軟破碎巖體采準(zhǔn)工程布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表3。

從以上各種采礦方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析來(lái)看，原方案回采效率最高，但回采綜合成本高、安全性差；沿走向長(zhǎng)鑿巖進(jìn)路方案回采綜合成本最低、安全性最好，但回采效率也最低、回采風(fēng)險(xiǎn)性較大；這2種方案優(yōu)缺點(diǎn)都比較突出。相對(duì)而言，上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的短板較少，是相對(duì)最為合理的采準(zhǔn)工程布置方案。

4 結(jié)論

金山店礦東區(qū)ⅠⅠ號(hào)礦體采用上盤沿脈鑿巖聯(lián)巷方案，既避開(kāi)了松軟破碎圍巖，同時(shí)具備較高的開(kāi)采效率，生產(chǎn)能力、損失貧化率等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與原方案相當(dāng)，具備較好的靈活性，能夠有效解決下盤采準(zhǔn)巷道及溜井變形破壞嚴(yán)重、報(bào)廢率高的難題。