西石门铁矿南区软破矿岩支护方法研究

2012-01-08任凤玉

中国矿业 2012年7期

常帅，任凤玉，李楠

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819；2.中煤科工集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳 110015)

1 概述

西石门铁矿南区为接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体赋存于奥陶纪灰岩与燕山期闪长岩的接触带上，呈不对称背斜构造，轴部平缓，两翼倾角一般10°～30°，矿体厚度1.2～30m，埋深150～300m。矿体稳定性沿铅直方向变化较大，一般靠近顶板部位的磁铁矿石硬度较大，中等稳定，而靠近底板部位的矽卡岩化磁铁矿石比较破碎，稳定性差；顶板灰岩节理裂隙较发育，一般中等稳定；下盘闪长岩整体性较好，稳定到中等稳定；在闪长岩与矿体之间的矽卡岩层厚1～10m，松软破碎，极不稳定。

矿山原用有底柱分段崩落法、房柱法开采时，其采准巷道的稳定性问题解决难度大。近年来，统一改用无底柱分段崩落法开采，采用素喷、锚喷、喷锚网、U型拱架等多种支护形式，适应了不同类型岩性特点，使采准工程的稳定性得到有效控制。然而，随着矿山上部正规回采采场的结束，其残采采场大面积展开，受残采采场形成原因以及地压、岩体稳定性影响，原用支护形式已不能满足生产要求。此外，随着采深增加，深部回采区域矿体也受到小矿点破坏，一方面矿体残缺破损，空区较多且部分地段地压较大，而且南北区在掘进过程中，当遇到较大冒落区或民采塌方区时就停掘，这与矿山矿体空区较多的开采条件不相适应，需要解决巷道过散体层技术问题；另一方面采空区周围岩体在采动压力长时间作用下，容易发生碎裂、岩移，使围岩承载能力急剧下降，尤其是矽卡岩化磁铁矿和底板矽卡岩层，稳定性进一步变差，采准巷道经常出现塌冒现象，使生产不能正常进行。

2 矿山原支护形式适应性分析

西石门铁矿是冶金系统有名的难采矿山，经过多次采矿技术攻关和投产以来20多年的不断改进，不稳围岩中采准巷道的支护形式，优选为喷锚网与U型可缩式金属拱架支护。但生产中仍存在支护严重破坏现象，在以上支护破坏采场及矿段具体表现为：①巷道大量出现冒落、片帮现象，许多巷道堵塞废弃，造成采准工程报废；②支护拱架前移、被压弯、偏斜，部分拱架腿扭曲变形。多数巷道经多次重复拱架支护，仍然变形破坏严重；③喷锚网结构整体与巷道侧帮离层，出矿口喷锚网压剪破坏、张拉开裂。断层带滑移、喷层开裂掉块。巷道破坏造成矿量损失严重，给生产安全带来较大压力。

分析来看，喷锚网联合支护具有迅速提供连续支撑力、保持和提高岩体的抗剪强度、充分发挥被支护围岩自承能力等优点，但施工及时性不容易保证；U型可缩式金属拱架具有较高的初撑力、能够提供较大的支护抗力、拱架的屈服缩动可以降低围岩作用于支架上的压力等优点，但受巷道开挖断面形状影响较大，往往形成点支护，不能紧贴断面支护。当进入被破坏矿体开采时，又由于空区状态复杂造成局部矿段地压大、围岩稳定性差以及地压作用方向变化复杂等因素影响，使得采准工程经常遭受破坏。

从岩体力学角度来说，造成巷道破坏的高地压主要来自两个方面，一是西石门南区部分采空区顶板已经冒透地表，塌陷坑周围的上覆岩体发生大规模岩移，引起井下滞后开采的局部矿段的采动压力急剧增大；二是多空区矿体中空区之间的不规则矿柱承受集中应力的作用，引起附近矿体地压增大。

围岩稳定性差主要受岩性影响，其破碎的原因主要包括：①紧贴矿体下盘的矽卡岩岩性松软，易风化、塌冒，揭露之后支护不及时，暴露空气中遇水产生膨胀变形，尤其在含水地段，形成表面破碎层，不再具备支护力，造成短期内喷层脱落；②矽卡岩受压能力弱，厚度大，当采场进路穿过该岩层时，进路顶板由矿体变为矽卡岩，顶板稳定性降低，再加上自身特性及爆破振动、地压等影响，破碎逐渐向岩体内部发展，形成破碎松动圈，最终导致顶板变形碎裂，产生冒落。

此外，回采工艺也对支护方式及支护效果产生重要影响。如西石门铁矿原用有底柱分段崩落法开采时，其工艺特点对底柱切割程度高，而耙道等工程又布置在软弱矽卡岩内，造成了虽多次支护仍不能保持稳定的局面，严重影响矿石回采。目前采用的无底柱分段崩落法，当联巷沿矽卡岩层横向拉开时，矽卡岩暴露面积增大，受地压及软岩特性影响，即使支护，联巷也无法保持长时间稳定。当联巷布置在稳定的闪长岩内时，又拉长了回采进路长度，回采过程中进路支护也容易产生变形破坏。

综上所述，西石门铁矿井下支护变形破坏的原因是多方面的，仅采用单一支护形式已经不能满足多种因素影响下的支护要求。另外，支护方案研究不仅要考虑支护形式的改进，还要在考虑矿岩特性基础上研究回采过程对采场稳固性的影响，将回采工艺与支护技术相结合，提高支护的有效性，确保回采工程的安全稳定。

3 回采工艺与结构参数优化

目前，西石门铁矿采用的无底柱分段崩落法中，影响支护稳定性的因素包括：切割巷贴近矿体上盘布置、采场联巷布置在闪长岩内以及进路长度一般超过70m，如南二区55m分段的4#、5#采场进路长度均超过100m。

根据矿体赋存条件分析，将联巷布置在闪长岩里有利于工程稳定，主要原因是：①底板出露的矽卡岩极为破碎，开丁字口容易塌冒，而将联巷设计在闪长岩内，避开矽卡岩，容易解决巷道稳定支护问题；②开掘矽卡岩可增大矿体的回采长度，利于崩落矿石的充分回收；③下盘矽卡岩含有品位，适量混入并不引起出矿品位的急剧降低。由此可见，这一技术措施是适应矿体开采条件的。

切割巷贴近矿体上盘布置与由联巷布置位置引起的长进路回采则不然。由于回采进路穿过松软破碎的矽卡岩，当采用长进路进行回采时，以采场为单元组织生产则进路存留时间长易冒落，以进路为单元组织生产则采场环境差。将切割巷布置在上盘时虽然近上盘矿量可以在本分段回采一部分，但同时需要崩落较多的上盘岩石。这样不仅要花费额外的凿岩爆破费用，还将为下部分段控制废石混入带来反效应。此外，近上盘矿量的回采需要时间，从而增大了矽卡岩巷道的存留时间，增加了冒落的风险性。综合来看，长进路回采与切割巷贴近矿体上盘布置是不合适的。

要解决上述两个问题，需要适当缩短进路长度和改善进路稳固性条件，同时，根据矿体厚度与矿体形态适当远离上盘布置切割巷。在保证三分段回采的条件下[1]，推荐切割巷布置在巷道底板离上盘边界垂高7～8m的位置(图1)。改用图1所示的切割巷位置后，可使穿过厚层矽卡岩的进路长度缩短8～15m，增大每米巷道的平均矿石采出量，利于高效开采，同时减少上盘岩石的崩落量，降低爆破成本和岩石混入。

另外，为保证三分段回采，提高矿石回收率，应合理优化分段高度。如南二区40m中段Ⅰ分区主矿体铅直厚度平均21m左右，分段高度11m，因此，绝大多数矿段不具备三分段回收条件，矿石回采率低，储量消耗快。根据类似缓倾斜矿体矿山实践经验，可将分段高度降低到不超过10m[2]，取8～9m为宜。

图1 切割巷的推荐位置示意图

总之，以上多种回采工艺改进措施降低了回采过程对支护稳定性的不利影响，改善了巷道的稳定性条件。

4 巷道支护技术改进及实施

根据原支护形式适应性分析可知，支护稳定性受支护形式自身特点以及空区、地压、岩性等多种因素影响。因此，支护技术改进应从以上几个方面着手。

经过多年实践，目前矿山已积累了一定的矽卡岩巷道支护经验[3]，如喷锚网、U型拱架等支护方式，在实际生产中关键要注意支护的及时性问题。如北区由80m水平下向小井横掘的70m分段穿脉巷道穿过近矿矽卡岩层时，在离掌子面约10m左右的部位，掘后支护迟滞4d就发生了难以支护的大冒顶(冒高约3m、冒顶长度约6m)。这一现象表明矽卡岩巷道对支护时空性要求严格：空巷长度超过10m、空顶时间超过4d就发生了不可恢复的大冒落。根据经验，此类矽卡岩巷道空顶长度不能超过3m、空顶时间不能超过2d。因此，掘进过程中需及时支护，防止矽卡岩风化、变形，发生冒顶事故。

此外，研究表明，地压显现的特点是围岩变形量大，持续时间长，一般的支护方式只能限制和控制围岩的变形量，但不能阻止围岩的变形[4]。结合西石门铁矿高应力分析，对于岩体整体性好的矿段，可结合上下矿段情况，采用崩落卸压法[5]转移岩体应力，从而减小作业部位压力，提高支护利用率；对于占多数的由多空区引起的地压增大矿段，提出采用喷锚网+U型钢拱架的联合支护技术，要求拱架紧贴巷道断面，空隙处充填对开木，保证拱架的有效作用。该技术既有很高的支护强度，又允许有很大的变形量，可以满足巷道服务期间的持续性要求。该技术的特点是：①充分发挥U型钢拱架及锚杆高支护强度的优点，实现强强联合；②增大或充分利用U型钢拱架的可伸缩性，利用锚杆的高让压性外锚机构，实现U型钢拱架在高支护阻力工作状态下的同等大变形；③利用U型钢支架与锚杆的组合支护结构，实现U型钢支架与锚杆之间的协调支护。目前，这一支护方式多用于南区地压显现部位较多的采场，支护后采场进路稳定性得到明显提高，原来的多次支护现象明显减少，降低了生产成本。

对于过散体层巷道来说，由于巷道处于散体堆当中，当散体松散时具有较好的流动性，容易给巷道稳定带来不确定性，同时矽卡岩破碎后散体承载能力低，依靠散体自身挤压强度来达到稳定是很难实现的；散体压实时又增大了巷道压力及掘进难度。同时，西石门铁矿揭露散体多来源于空区冒落，若空区后期持续冒落，则会产生冲击，造成巷道压力增大。因此，巷道过散体层技术要考虑支护的安全性和支护强度。

结合西石门铁矿多空区软破矿体现状，考虑散体层支护的特殊性、U型拱架支护特点，提出了U型拱架与超前锚杆相结合的支护方案。该方案的特点是：超前锚杆预先布置在掌子面前端，深入散体堆，发挥预支护作用力，从而增强前端散体的稳固性，满足巷道稳定要求；而U型拱架作为支护的主体，充分发挥其支护强度大，变形空间大，能够承受较大压力的特点，保持巷道在短期内不会出现大的变形。将超前锚杆与U型拱架二者结合的技术措施不仅满足了支护强度要求，也满足了支护的稳定性要求，是解决巷道过散体层问题的有效途径。

超前锚杆布置形式如图2所示，锚杆倾角不大于15°，锚杆长度可根据散体堆积密实情况选取，一般情况选用2.5m长度即可，特别破碎情况下选用长度4m的锚杆。每排布置锚杆10～20根不等，当散体受压比较密实时，超前锚杆间距可大些；当散体比较松散时应减小锚杆间距，采用密排支护。锚杆底部预留1m，其与进路顶板垂直相交部位作为下排超前锚杆的布置位置。支护拱架间距为0.6～0.8m，实施中根据具体情况做适当调整，拱架顶部充填对开木，保证拱架与顶板紧密接触，同时还能阻挡碎石掉落伤人。

图2 超前锚杆图布置形式示意图

目前，巷道过散体层技术已在西石门铁矿南北区实施，如南二区73m分段12-1号溜井为相邻两个采场生产用井，受小矿点采矿影响导致顶板冒落，溜井被埋。2011年3～4月进行恢复工作，采用巷道过散体层技术，拱架未出现变形迹象，巷道稳定性情况良好，安全有效地达到了溜井恢复目的。目前，该技术在南区用于溜井恢复及过空区工程，北区由于下盘蚀变闪长岩特别破碎，也用于采场回采或残采采场进路掘进。可以看出，这一技术在保证安全的前提下解决了散体巷道掘进一大难题，降低了生产成本，减少了矿山经济损失。

综上，针对以上多种支护条件，改进后的技术措施满足了地压大、岩体破碎、支护及时性等要求，保证了生产的有序进行。