冬瓜山銅礦深部礦體地壓災(zāi)害治理方案研究

姚道春， 汪令輝

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司冬瓜山銅礦， 安徽 銅陵 244031)

1 前言

冬瓜山銅礦目前采深已達(dá)千米，深部出礦巷道圍巖處于“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中[1]。采用分步驟回采有效解決冬瓜山礦床緩傾斜厚大礦體回采難題，取得了高產(chǎn)能、回收率高等效果[2-3]，但分步驟回采條件由易變難，大規(guī)模回采后，后步回采過程中的支護(hù)難度不斷加大。隨著開采區(qū)域不斷向深部推進(jìn)，46～58線大部分的一步驟和二步驟采場已經(jīng)被強(qiáng)度較差的充填體替代，三步驟隔離礦柱的地應(yīng)力越發(fā)集中，地壓顯現(xiàn)比較突出，支護(hù)工程量和支護(hù)的難度越來越大，支護(hù)成本不斷增加。46線以南58線以北目前在進(jìn)行一步驟和二步驟回采，尤其60線以北，在進(jìn)行一步驟回采過程中，已經(jīng)出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)突出，如巖層垮落、巷道冒頂、錨桿失效、噴層剝落等破壞現(xiàn)象，造成支護(hù)工作量大，鋼筋混凝土支護(hù)的范圍擴(kuò)大，這嚴(yán)重影響了井下采礦作業(yè)，并造成了礦山生產(chǎn)成本的增加。

現(xiàn)代巷道圍巖支護(hù)理論認(rèn)為圍巖不僅僅被當(dāng)做支護(hù)的對象，而應(yīng)該與襯砌構(gòu)筑物有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，使得支護(hù)與圍巖之間相互作用共同受力，在進(jìn)行支護(hù)時應(yīng)遵循“先柔后剛、先挖后讓、柔讓適度、穩(wěn)定支護(hù)”的原則合理選擇支護(hù)手段，如噴漿、錨網(wǎng)、錨索、噴錨網(wǎng)聯(lián)合、鋼筋混凝土或鋼拱架支護(hù)等方法[4-6]。

本文通過現(xiàn)場調(diào)研考察分析冬瓜山深部開采礦體巷道圍巖的破壞類型和其特點(diǎn)，結(jié)合圍巖地質(zhì)條件和巖石物理性質(zhì)，考慮爆破擾動影響和應(yīng)力集中等關(guān)鍵影響因素，針對不同類型的巷道破壞模式提出科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)手段，從而為冬瓜山深部礦體開采地壓災(zāi)害治理提供一套經(jīng)濟(jì)合理的方案。

2 井下巷道的破壞方式

對冬瓜山礦的地質(zhì)環(huán)境、所用采礦方法以及近幾年來采礦生產(chǎn)過程中已發(fā)生采準(zhǔn)巷道破壞事件的研究分析，其破壞方式可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)頂板充填鑿巖巷道分別布置在矽卡巖、石英閃長巖、蛇紋巖、礦巖接觸帶和礦體中。矽卡巖和礦巖巷道相對穩(wěn)定性較好，受接觸帶和巖體結(jié)構(gòu)面控制影響，位于接觸帶附近位置的巷道容易發(fā)生破壞，是頂板巷道可能破壞的主要方式；其他少量石英閃長巖和蛇紋巖中巷道穩(wěn)定性較差。

(2)拉底巷道的穩(wěn)定性受巖體力學(xué)性質(zhì)決定，由于使用的采礦方法特點(diǎn)，拉底巷道不需要支護(hù)。

(3)出礦層巷道是支護(hù)工作重點(diǎn)，容易發(fā)生破壞的部位是放礦口，特別是出礦進(jìn)路與巷道的交叉部位等應(yīng)力集中區(qū)域。破壞模式受巖體力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)和接觸帶巖性控制，其中位于蛇紋巖中的巷道破壞方式受蛇紋巖特殊力學(xué)性質(zhì)控制，是目前底部結(jié)構(gòu)支護(hù)研究的重點(diǎn)。出礦巷道位于五通組砂巖和蛇紋巖等硬度較大巖體中，巖爆也是影響其穩(wěn)定性的因素之一。

(4)通常巷道破壞主要在頂板和幫壁上部，因此底部結(jié)構(gòu)出礦巷道、出礦進(jìn)路幫壁下部，距底板約1～1.5m處前期沒有進(jìn)行支護(hù)或僅采用錨網(wǎng)支護(hù)，受應(yīng)力轉(zhuǎn)移和爆破震動影響大多破壞嚴(yán)重，也是治理重點(diǎn)。

(5)充填封閉墻破壞，主要表現(xiàn)為墻體開裂、墻體剝落和墻體斷裂等。

3 地壓危害綜合治理方案

通過調(diào)查和分析，冬瓜山礦段采準(zhǔn)工程開挖后根據(jù)所揭露礦巖性質(zhì)、工程跨度和主要功能分別采用不同方式支護(hù)。采準(zhǔn)工程支護(hù)后二次受巖體自身穩(wěn)固條件、爆破擾動和應(yīng)力集中等因素影響而發(fā)生破壞，產(chǎn)生地壓危害。對冬瓜山礦段不同巖體類型、不同工程跨度的支護(hù)方式所適應(yīng)條件進(jìn)行分類，作為地壓危害治理的依據(jù)。

3.1 治理方案選取

1) 工程巖體類型

鑿巖硐室主要設(shè)在頂板大理巖和上部易選的礦體內(nèi)，大理巖巖石強(qiáng)度中等但巖體完整性較好，巖體分級為Ⅲ～Ⅱ級，屬較好～好的巖體，易選的含銅磁黃鐵礦、矽卡巖含銅和含銅黃鐵礦均為強(qiáng)度高完整性好的巖體，巖體分級為Ⅱ～Ⅰ級，屬好～很好的巖體，另外鑿巖硐室受爆破影響小。鑿巖硐室主要采錨網(wǎng)聯(lián)合臨時支護(hù)，頂板鑿巖硐室爆破結(jié)束后人員不再進(jìn)入，重復(fù)支護(hù)量小。

底部結(jié)構(gòu)主要設(shè)在底板難選的含銅蛇紋石礦和角巖化粉砂巖或石英巖，巖石強(qiáng)度高，巖體完整性一般，巖體分級Ⅲ～Ⅰ級，屬好～很好的巖體，但人員及設(shè)備在底部結(jié)構(gòu)出礦巷道和出礦進(jìn)路作業(yè)時間長，受爆破破壞影響大，多采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)或澆筑混凝土支護(hù)。底部結(jié)構(gòu)工程處于含銅蛇紋巖及周圍的礦巖接觸帶或蝕變帶區(qū)域，一般損壞嚴(yán)重，重復(fù)支護(hù)率高。

2) 工程尺寸

硐室巷道工程的尺寸是影響穩(wěn)定的重要因素之一，冬瓜山前期一步驟開采時部分硐室寬度達(dá)7.2m，主要采用錨網(wǎng)支護(hù)，并輔之錨索支護(hù)；其他較小尺寸鑿巖硐室主要采用錨網(wǎng)支護(hù)。鑿巖層穿脈巷道規(guī)格為4.2m×3.7m，出礦層穿脈巷道尺寸為4.5m×3.75m，服務(wù)時間長多采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。底部出礦巷道和出礦進(jìn)路，巷道尺寸為4.5m×3.75m，跨度較大，服務(wù)時間長，受爆破沖擊大，一步驟主要采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，二步驟開采多采用混凝土加強(qiáng)支護(hù)。

鑿巖硐室因其服務(wù)時間短，重復(fù)支護(hù)量??；穿脈巷道受爆破影響小，應(yīng)力集中現(xiàn)象較小，重復(fù)支護(hù)量??；底部結(jié)構(gòu)出礦巷道與出礦進(jìn)路、出礦進(jìn)路與塹溝眉線交結(jié)處，跨度較大處原巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞破壞一般較嚴(yán)重，重復(fù)支護(hù)量大，也是地壓危害治理的重點(diǎn)。

3.2 支護(hù)方式選取

按鑿巖硐室、穿脈巷道、底部結(jié)構(gòu)出礦巷道和出礦進(jìn)路等不同工程類別選取不同的支護(hù)方式，不同工程服務(wù)時間差別、人為采礦爆破影響是支護(hù)方式選取的主要依據(jù)，以下主要以工程類別選取支護(hù)方案。

1) 噴射混凝土支護(hù)

噴射混凝土采用高壓氣體作用下將混凝土和添加劑攪拌混合物快速噴射至待支護(hù)巖體表面，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)與支護(hù)圍巖黏結(jié)，形成強(qiáng)度較高的表面支護(hù)層。這類支護(hù)主要用于鑿巖穿脈巷道，對巷道表面破碎圈和局部易風(fēng)化巖層封閉加固，防止表層巖體風(fēng)化和進(jìn)一步松動破壞。由于干式噴射混凝土支護(hù)材料回彈率高，強(qiáng)度偏低，作業(yè)條件差，建議采用濕式噴射混凝土支護(hù)方式，同時要充分考慮噴射混凝土早期強(qiáng)度與圍巖變形之間的關(guān)系，對于軟弱破碎圍巖要進(jìn)一步提高其早期強(qiáng)度。具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 鑿巖穿脈全斷面噴射混凝土支護(hù)

2) 錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、錨索支護(hù)

錨桿作為礦山巷道支護(hù)的一種非常高效的手段得到了廣泛的應(yīng)用，從機(jī)械式錨桿、管縫式錨桿、樹脂錨桿和組合錨桿等方式，其發(fā)展理念也在不斷更新，以前的觀念認(rèn)為錨桿是一種被動式支護(hù)方式要等圍巖發(fā)生變形之后錨桿的支護(hù)力才能不斷增大，而現(xiàn)在的觀念認(rèn)為要不斷提高錨桿的主動支護(hù)效果，如通過增加預(yù)應(yīng)力使得錨桿在早期就與圍巖體形成一個整體，有效增加了礦山巷道支護(hù)效果，減少巷道冒頂事故[7-8]。

錨索作為一種主動的支護(hù)技術(shù)，在進(jìn)行巷道支護(hù)時可以將錨索的支護(hù)作用力傳遞到巷道周邊較遠(yuǎn)處的穩(wěn)定巖層，從而對巷道圍巖形成強(qiáng)有力的懸吊作用，增強(qiáng)圍巖的整體穩(wěn)定性，一般用于大跨度和圍巖破碎硐室中，特別是在斷層附近以及受到較強(qiáng)爆破擾動作用中的巷道中具有非常好的應(yīng)用效果。

由于冬瓜山礦深部巷道面臨高應(yīng)力、強(qiáng)擾動作用、巖爆災(zāi)害等風(fēng)險因素，因此在實(shí)際實(shí)施過程中主要采用組合式的支護(hù)手段，如錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式主要用于臨時支護(hù)，鑿巖層穿脈巷道、充填巷道、鑿巖硐室錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，底部結(jié)構(gòu)在施工過程中也采用錨網(wǎng)臨時支護(hù)。鑿巖硐室寬度有5m、6m和7.2m等多種，出礦進(jìn)路和穿脈巷道寬度4.5m。圖2和圖3所示分別為鑿巖穿脈、鑿巖硐室錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。

圖2 鑿巖穿脈錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)

圖3 鑿巖硐室錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)

錨索支護(hù)前期主要用于跨度大、礦巖穩(wěn)固性差的硐室，在現(xiàn)場調(diào)查中，60線以北采區(qū)部分采場連續(xù)出現(xiàn)較大的裂縫，巖體整體的穩(wěn)固性較差，在二次支護(hù)中，需要利用錨索進(jìn)行支護(hù)。在二步驟回采中，對于應(yīng)力集中明顯的采場硐室，或采后用于廢石充填的二步驟采場硐室也需要利用錨索進(jìn)行支護(hù)，該類采空區(qū)暴露時間長，卡車在硐室邊傾倒矸石。圖4所示為鑿巖硐室錨索、錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)圖。

圖4 鑿巖硐室錨索、錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)

3) 錨桿金屬網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)

噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是一種綜合性支護(hù)手段[9]，其同時具有錨桿、噴漿和金屬網(wǎng)三者支護(hù)效果，對于永久性巷道、圍巖破碎區(qū)域或受擾動作用影響大區(qū)域是一種非常好的支護(hù)技術(shù)手段，在使用過程中要充分發(fā)揮三者之間的聯(lián)動作用，一般先噴一次較薄的混凝土層，然后進(jìn)行錨桿支護(hù)和掛網(wǎng)，最后再進(jìn)行一次噴漿作業(yè)，這樣可使得噴層的總體柔性大大增加，增強(qiáng)支護(hù)體對圍巖變形的適應(yīng)能力。

錨桿金屬網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)主要用于出礦巷道、出礦進(jìn)路以及穿脈巷道，底部結(jié)構(gòu)是支護(hù)的重點(diǎn)，底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，來往車輛頻繁，受到爆破震動影響大等，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

出礦巷道和出礦進(jìn)路斷面4.5m×3.75m，巷道斷面大，穿過巖體有蛇紋巖和砂巖，這兩種巖體強(qiáng)度和穩(wěn)固性一般，巖體分級Ⅲ～Ⅳ級以下，錨桿金屬網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)是鑿巖穿脈一步采場主要支護(hù)方式，具體如圖5所示。

圖5 出礦巷道和出礦進(jìn)路錨桿金屬網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)

4) 鋼筋混凝土支護(hù)

冬瓜山銅礦采場底部結(jié)構(gòu)的巷道在出礦進(jìn)路眉線附近、巷道工程交叉的應(yīng)力集中部位和部分巷道的二次或多次維修支護(hù)時采用了鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。鋼筋混凝土支護(hù)又細(xì)分為全斷面澆筑混凝土支護(hù)、巷道部分鋼筋混凝支護(hù)(混凝土檔墻和混凝土拱等)，巷道頂、幫均破壞嚴(yán)重地段采全斷面鋼筋混凝土支護(hù)。由于鋼筋混凝土支護(hù)整體性好、強(qiáng)度高，在發(fā)生一定破壞時仍有支護(hù)作用，是處理受破壞嚴(yán)重出礦巷道和出礦進(jìn)路的主要支護(hù)方式，特別在二步驟采場采準(zhǔn)工程支護(hù)時采用較多，圖6所示為出礦巷道(進(jìn)路)全斷面鋼筋混凝土支護(hù)方式示意圖。

圖6 出礦巷道(進(jìn)路)全斷面鋼筋混凝土支護(hù)方式

4 結(jié)論

本文通過調(diào)研井下巷道圍巖破壞類型及其特點(diǎn)，研究當(dāng)前主要的圍巖變形控制理論和支護(hù)手段，針對不同巷道破壞類型和巷道所在工程區(qū)域提出了針對性的支護(hù)手段，并進(jìn)行了支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場實(shí)踐效果表明采用合理的針對性的支護(hù)手段可以很好的控制巷道變形，從而為冬瓜山礦深部地壓災(zāi)害治理提供了一種有效的治理方法。