西石門鐵礦北區(qū)軟弱破碎圍巖巷道掘支技術(shù)

蘇錫安

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司西石門鐵礦，河北 武安 056303)

關(guān)于軟弱破碎圍巖支護(hù)，我國(guó)煤礦及金屬礦山進(jìn)行了較多研究并取得眾多成功案例。山西汾西正令煤礦，圍巖軟弱破碎，膠結(jié)性差，巷道兩幫收斂和底鼓嚴(yán)重，為此提出了噴錨網(wǎng)、索+O型拱架聯(lián)合支護(hù)方法。對(duì)于這種巷道周圍均受較大壓力的巷道，采用這種“先柔后剛”支護(hù)體系比較合理[1]。針對(duì)粉礦巷道開挖后自穩(wěn)時(shí)間短和難支護(hù)的問(wèn)題，金山店鐵礦采用超前支護(hù)、簡(jiǎn)易光爆掘進(jìn)、以噴錨網(wǎng)和預(yù)應(yīng)力錨索為主鋼支架為輔的掘支措施效果顯著[2]。王明龍等[3]試驗(yàn)了超前預(yù)切槽噴注混凝土預(yù)成拱技術(shù)，使預(yù)支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)集成一體，效果較好。和睦山鐵礦近礦圍巖蝕變礦化強(qiáng)烈，礦石和下盤圍巖松軟破碎，呈疏松狀，礦山在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)增大進(jìn)路間距、嚴(yán)格實(shí)施簡(jiǎn)易光面爆破、使用超前錨桿+錨網(wǎng)噴支護(hù)、適時(shí)進(jìn)行樹脂錨桿+鋼筋托梁二次支護(hù)[4]，有效解決了掘進(jìn)中易塌冒，拱架支護(hù)及小進(jìn)路間距時(shí)巷道變形大的問(wèn)題。玉石洼鐵礦為冶金礦山難采礦山之一，屬于矽卡巖型礦床，接觸帶部位矽卡巖軟弱破碎、礦石粉狀，極不穩(wěn)固，回采進(jìn)路塌冒嚴(yán)重，掘進(jìn)困難，礦山掘進(jìn)采用光面爆破，以管縫錨桿為主的噴錨網(wǎng)支護(hù)，在應(yīng)力集中部位用U型拱架二次支護(hù)，保證了回采順利進(jìn)行[5]。張家洼鐵礦礦體埋藏深、地壓大、圍巖皆不穩(wěn)定，是全國(guó)聞名的難采礦體，巷道的垮冒嚴(yán)重，重復(fù)支護(hù)率高。礦山通過(guò)優(yōu)化光爆參數(shù)、超前錨桿支護(hù)、短掘短支等措施確保掘進(jìn)施工，在破碎部位實(shí)行錨噴雙網(wǎng)(樹脂錨桿、長(zhǎng)2 000 mm)或錨網(wǎng)噴+中長(zhǎng)錨桿(樹脂錨桿、長(zhǎng)3 000 mm)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在高應(yīng)力區(qū)實(shí)行拱架支護(hù)，形成一套適合該礦的破碎圍巖支護(hù)體系，使井下各類巷道的變形可控可調(diào)，基本滿足了回采工藝順利實(shí)施的安全穩(wěn)定要求[6]。金川鎳礦水平應(yīng)力高，礦巖破碎，穩(wěn)定性極差，巷道工程的穩(wěn)定與支護(hù)問(wèn)題一直是礦區(qū)發(fā)展中的主要難題，礦山曾使用過(guò)木棚支護(hù)、預(yù)制混凝土塊支護(hù)、現(xiàn)澆混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)、錨注支護(hù)、U型鋼拱架支護(hù)及中長(zhǎng)錨索支護(hù)。實(shí)踐表明，對(duì)于高應(yīng)力碎脹蠕變巖體，被動(dòng)支護(hù)不能徹底奏效，而噴錨網(wǎng)支護(hù)是較為有效經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，通過(guò)優(yōu)化錨固參數(shù)(金川礦錨桿長(zhǎng)2.25～3 m，排間距1 m，噴層厚度100 mm)和施工工藝，并與拱架、錨注等多種支護(hù)方式配合使用，可取得滿意效果[7]。

從多個(gè)礦山實(shí)踐來(lái)看，在軟破礦巖支護(hù)中，錨(索)網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼可縮性支架支護(hù)應(yīng)用最為廣泛，效果也令人滿意。西石門鐵礦北區(qū)開采時(shí)，也需在蝕變閃長(zhǎng)巖、矽卡巖等軟弱、松散、破碎的圍巖中掘進(jìn)巷道，本文將從設(shè)備、巷道斷面確定、掘進(jìn)爆破、支護(hù)方式、施工、拱架支護(hù)部位“T”型巷道開口、施工組織等方面，對(duì)西石門鐵礦北區(qū)軟弱破碎圍巖的掘支技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，以供生產(chǎn)狀況類似的礦山借鑒。

1 西石門鐵礦情況介紹

西石門鐵礦為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體不穩(wěn)定到穩(wěn)定，頂板圍巖為奧陶紀(jì)灰?guī)r，中等穩(wěn)定到不穩(wěn)定；底板圍巖為燕山期閃長(zhǎng)巖，穩(wěn)定到中等穩(wěn)定；在礦體與底板圍巖之間，賦存一層厚度0～10 m的矽卡巖，極不穩(wěn)定。蝕變閃長(zhǎng)巖是由強(qiáng)烈的變質(zhì)和蝕變形成，巖質(zhì)軟弱破碎，整體性很差。多數(shù)蝕變閃長(zhǎng)巖巷道的自穩(wěn)時(shí)間不足12 h，自穩(wěn)跨度不足1 m，這種巷道適合小進(jìn)尺掘進(jìn)且應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

礦山掘進(jìn)過(guò)程中遇到的軟弱破碎巖性主要有：蝕變閃長(zhǎng)巖、矽卡巖、礦石。蝕變閃長(zhǎng)巖：巖石軟弱，破碎，黏結(jié)性差，稍有擾動(dòng)即成松散粉塊狀結(jié)構(gòu)。開挖后容易發(fā)生大規(guī)模冒落，在拱架支護(hù)時(shí)，拱腿間縫隙常有粉狀巖石流出。矽卡巖：巖性較軟、泥質(zhì)，較破碎，充填有黑色金屬光澤泥質(zhì)物，有一定黏結(jié)性。掘進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生小規(guī)模冒落，遇水易膨脹。礦石：有的部位礦石呈粉狀或小塊狀散體狀態(tài)。

2 鏟運(yùn)設(shè)備及巷道尺寸選擇

一般來(lái)說(shuō)，破碎圍巖巷道宜用小尺寸斷面+小型鏟運(yùn)設(shè)備。但當(dāng)巷道底板松軟多泥時(shí)，經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)反復(fù)碾壓，路面短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)中間凸兩側(cè)凹的狀態(tài)。使用小型出礦設(shè)備時(shí)，底盤低、動(dòng)力不足，運(yùn)行不暢，路面維修頻繁，生產(chǎn)效率低。采用底盤較高、馬力更大的鏟運(yùn)機(jī)，可順暢出礦。西石門鐵礦在軟破礦體開采時(shí)鏟運(yùn)機(jī)由1.5 m3(離地間隙200 mm)換為2 m3(離地間隙300 mm)，出礦效率提高，路面修復(fù)頻率降低，由運(yùn)行不暢到每天清理一次即可，巷道尺寸(寬×高)由3 m×3 m增大到3.2 m×3.1 m。

3 掘進(jìn)爆破參數(shù)

掘進(jìn)爆破時(shí)，施工炮孔用時(shí)最多。在圍巖不穩(wěn)的情況下，需要快速掘進(jìn)時(shí)，宜采用“少打孔、多裝藥”的方式進(jìn)行掘進(jìn)爆破。采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖，鉆頭直徑32 mm，釬桿長(zhǎng)度根據(jù)巖石硬度決定。較硬時(shí)用2.5 m釬桿(閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r)，孔深2.2～2.3 m，一次進(jìn)尺2.0～2.1 m，爆破完用2 m3鏟運(yùn)機(jī)出渣，一般一天一個(gè)進(jìn)尺。圍巖軟弱破碎時(shí)用1.8 m釬桿(蝕變閃長(zhǎng)巖、礦體)，炮孔深度1.5～1.6 m，爆破后進(jìn)尺1.2～1.3 m，特別破碎時(shí)進(jìn)尺約1.0 m。出完渣后進(jìn)行支護(hù)(支拱架)。

圖1 進(jìn)路掘進(jìn)炮孔布置圖Fig.1 Layout of blasting hole in roadway

進(jìn)路尺寸3.2 m×3.1 m，一般布置25～35個(gè)孔(圖1)。采用楔形掏槽(向內(nèi)傾25°)，破碎部位直眼掏槽。掏槽眼4～6個(gè)，輔助眼10個(gè)，頂邦眼9個(gè)，底眼4～5個(gè)，向下傾斜3°～5°，消除根底。分段爆破，先爆掏槽眼，再爆輔助眼，之后周邊眼，最后底眼。圍巖破碎時(shí)只需爆破底部5～7個(gè)炮孔(圖1中方形炮孔)，其余部分用鏟車直接鏟裝即可，最后人工使用風(fēng)鎬修整斷面。炸藥為乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，長(zhǎng)度20 cm。炮孔裝藥系數(shù)：掏槽為0.9，輔助為0.8，周邊為0.6，底眼為0.9，炸藥單耗為1.7 kg/m3，生產(chǎn)中的裝藥量根據(jù)破碎程度適當(dāng)增減。

4 超前錨桿預(yù)支護(hù)及拱架快速施工技術(shù)

圍巖破碎，在爆破掘進(jìn)前一般需要進(jìn)行超前錨桿預(yù)支護(hù)。超前錨桿預(yù)先布置在掌子面前端，沿最前拱架打入破碎圍巖或散體堆，發(fā)揮預(yù)支護(hù)作用，增強(qiáng)前端圍巖的整體性，防止破碎或散體堆出現(xiàn)大的有害變形或塌落，改善前端圍巖的穩(wěn)固性，滿足巷道掘進(jìn)穩(wěn)定要求。

超前錨桿是沿開挖輪廓線，以一定的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對(duì)前方圍巖的預(yù)錨固(預(yù)支護(hù))，在提前形成的圍巖錨固圈的保護(hù)下進(jìn)行開挖、裝渣、出渣和支護(hù)等作業(yè)。一般用在軟弱破碎圍巖、沉實(shí)散體圍巖、掘進(jìn)冒落等部位，常與拱架配合使用。其作業(yè)過(guò)程為：①在爆破前，將超前錨桿打入掘進(jìn)前方穩(wěn)定巖層內(nèi)并外露一定長(zhǎng)度；②外露的錨桿末端支承在已安裝的拱架頂部或與徑向錨桿進(jìn)行懸吊固定(錨桿安好后要用鋼筋壓條將其外露端聯(lián)在一起，并與頂板上的徑向錨桿綁緊)；③爆破掘進(jìn)，控制掘進(jìn)進(jìn)尺，保證超前錨桿前端仍有一定長(zhǎng)度固定于前方圍巖中；④超前錨桿在兩端約束的條件下，在掘進(jìn)方向形成拱棚結(jié)構(gòu)，起到支護(hù)掘進(jìn)進(jìn)尺范圍內(nèi)拱部上方圍巖的作用，有效地約束圍巖在爆破后的一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生冒落。

在需要施工超前錨桿的部位，U型拱架背板之間留約10 cm的間隙，方便鉆孔。在圍巖較硬部位，使用YT28型氣腿鑿巖機(jī)，直徑50 mm的鉆頭施工錨桿安裝孔。鉆孔自最前一排拱架后的邊緣處以向上10°左右的角度鉆入前方圍巖內(nèi)。鉆孔深度視錨桿長(zhǎng)度和鑿巖設(shè)備而定，一般為錨桿長(zhǎng)度減去安裝后錨桿外留長(zhǎng)度。西石門鐵礦采用氣腿鑿巖機(jī)鑿巖，超過(guò)3 m鑿巖效率低，因此超前錨桿長(zhǎng)度選3 m。超前錨桿為直徑1.5寸的焊接圓管，長(zhǎng)度為3 m，進(jìn)入圍巖2 m，外留1 m，外留部分尾部要搭在最前第二家拱架的U型底處(圖2)。如此前一拱架做支點(diǎn)，后一拱架限制錨桿尾部上翹，使進(jìn)入圍巖內(nèi)的超前錨桿在承受上部破碎圍巖向下壓力時(shí)保持穩(wěn)定，起到阻止冒落的作用。安裝時(shí)，用鑿巖機(jī)裝+柱錘將錨桿釘入鉆孔，一般施工完一個(gè)鉆孔即安裝一個(gè)錨桿，也可待孔全部施工完后集中裝入。在圍巖較軟部位不需預(yù)先鉆孔，直接用柱錘即可將超前錨桿釘入圍巖。一般每個(gè)掌子面要布置20～30個(gè)超前錨桿，錨桿間距0.15 m，在破碎部位加密布置。一般情況下每2～3排拱架布置一排超前錨桿。超前錨桿鉆孔速度為25孔/h，錨桿安裝用時(shí)很短。

圖2 超前錨桿與拱架支護(hù)示意圖Fig.2 Bolt and arch supporting diagram

由于圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，掘進(jìn)爆破出渣完成后需立即進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)要求支護(hù)措施工序簡(jiǎn)單、支護(hù)用工少用時(shí)短、施工安全、有足夠大的支護(hù)強(qiáng)度。U型鋼金屬拱架支護(hù)強(qiáng)度大、變形空間大、能夠承受較大壓力的特點(diǎn)。其基本結(jié)構(gòu)包括拱頂、拱腿、卡攬和螺栓，各部分均為成品，在現(xiàn)場(chǎng)按巷道斷面組裝即可，施工簡(jiǎn)便，工作人員容易熟練掌握。支護(hù)時(shí)2～3個(gè)人員即可操作，平均1 h可完成1架拱架的架設(shè)，適應(yīng)圍巖易短時(shí)間冒落的特點(diǎn)。因此，在破碎礦體中使用U型鋼金屬拱架支護(hù)是合適的。

其施工過(guò)程為：爆破出渣完成后支護(hù)拱架，拱架為U25型，拱架間距為500 mm，根據(jù)圍巖破碎程度適當(dāng)調(diào)整，極其破碎時(shí)減小間距。一次可架設(shè)兩架，先支一側(cè)的兩個(gè)拱腿，拱腿安裝時(shí)先清理拱腳碎石，將拱腳立于支護(hù)位置，扶正拱腿，兩個(gè)拱腿和之前已支護(hù)完的拱架用足夠長(zhǎng)的半圓木連接，一般連接上部和下部?jī)蓚€(gè)部位或上部、中部、下部三個(gè)部位，以保證后兩個(gè)拱腿可以穩(wěn)定站立，同樣的方法安裝另一側(cè)的拱腿。拱腿安裝完后，利用連接同一側(cè)兩個(gè)拱腿架的半圓木做縱梁，在其上搭接連接兩側(cè)拱架的橫向半圓木梁或圓鋼管梁，然后在兩個(gè)橫梁之間搭短半圓木，形成搭接拱頂?shù)墓ぷ髌脚_(tái)，工人在平臺(tái)上搭接拱頂。拱腿和拱頂用卡纜緊固，拱架站立后，在拱架和圍巖之間用半圓木背緊，使拱架成為整體，受力均勻且可防止掉塊，木背板與拱架用鐵絲綁緊。為確保支護(hù)的及時(shí)性，支護(hù)材料應(yīng)及時(shí)供應(yīng)。

采用20Mn-25型U型鋼，拱架間距原則上為600～800 mm，穩(wěn)固性差的地段應(yīng)減小拱架間距，柱腿焊200 mm×150 mm×100 mm的鋼墊板，防止拱架下陷造成不穩(wěn)。拱架上部間隙用對(duì)開木或圓雜木充填，間隙1 m以上的充填要與圍巖緊密接觸。梁腿搭接量不少于300 mm。

5 拱架支護(hù)部位“T”型巷道開口

在破碎圍巖中開掘“T”型巷道，是礦山掘進(jìn)中的難題之一，尤其是在采用拱架支護(hù)的巷道中。由于整個(gè)巷道被拱架封閉，新掘巷道時(shí)需拆除已支拱架，工序多且勞動(dòng)強(qiáng)度大，另外圍巖破碎時(shí)還需注意拱架拆除時(shí)頂板塌冒問(wèn)題，危險(xiǎn)性高。西石門鐵礦在處理該問(wèn)題時(shí)，采用“控制拱頂、再拆拱腿”的方式暴露掘進(jìn)初始掌子面。即在預(yù)開口處兩側(cè)各新架設(shè)2～3架拱架，其上部承擔(dān)直徑約15 cm的鋼管，形成一個(gè)梁式結(jié)構(gòu)，兩者形成環(huán)繞隧道輪廓的拱棚，可有效抑制圍巖松動(dòng)和坍塌。在有拱棚支撐條件下拆除預(yù)開口部位的拱腿，暴露開口處巖體。保留原巷道拱頂，待新開進(jìn)路支護(hù)后，將保留的拱頂用螺紋鋼懸吊于新開進(jìn)路拱架上。在不穩(wěn)巖體內(nèi)，容易出現(xiàn)拆除拱腿即發(fā)生持續(xù)冒落，出現(xiàn)無(wú)法開口的問(wèn)題，因此在拆拱腿前，使用超前錨桿進(jìn)行預(yù)加固。

6 施工組織

工序合理、銜接緊密、在巷道失穩(wěn)前快速完成對(duì)圍巖的加固，這是維護(hù)巷道穩(wěn)定、保證順利掘進(jìn)的關(guān)鍵。

改變?cè)┕そM織，將爆破和拱架支護(hù)安排在同一班組進(jìn)行。如此，通風(fēng)0.5 h，出渣2 h，拱架支護(hù)2 h，爆破后至支護(hù)完成，頂板暴露時(shí)間不超5 h，比原來(lái)縮短至少7 h，見(jiàn)圖3。

圖3 施工組織設(shè)計(jì)Fig.3 Construction management

7 結(jié) 論

1) 從提高對(duì)底板泥化的適應(yīng)性考慮，軟弱破碎巷道中出礦設(shè)備馬力和底盤離地間隙不宜過(guò)小，巷道斷面也需相應(yīng)增大，以滿足設(shè)備運(yùn)行需要。

2) 針對(duì)破碎圍巖，采用只爆破底眼，利用圍巖破碎的性質(zhì)，其余部分自行或稍加擾動(dòng)冒落成巷，解決全斷面爆破易造成斷面過(guò)大的難題；采用超前錨桿+U型拱架支護(hù)，工序簡(jiǎn)單，可迅速完成，適用于自穩(wěn)時(shí)間短、自穩(wěn)跨度小的礦巖條件；調(diào)整施工組織方式，縮短巷道暴露時(shí)間，也是維護(hù)巷道穩(wěn)定、保證順利掘進(jìn)的關(guān)鍵。

3) 采用“控制拱頂、再拆拱腿”的方式可解決在已有拱架支護(hù)的不穩(wěn)圍巖巷道內(nèi)開“T”型口的難題。