弓长岭井下矿采准巷道破坏形式及其支护技术研究

2012-11-17ThiernoAmadouMouctarSow任凤玉陈晓云

采矿技术 2012年5期

关键词：冒顶楔形分段

ThiernoAmadouMouctarSow,任凤玉,陈晓云

(1.东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819;2.弓长岭矿业公司, 辽宁辽阳市 111007)

弓长岭井下矿采准巷道破坏形式及其支护技术研究

ThiernoAmadouMouctarSow1,任凤玉1,陈晓云2

(1.东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819;2.弓长岭矿业公司, 辽宁辽阳市 111007)

弓长岭井下矿中央区开采急倾斜中厚矿体,随着采深的增大,采准工程出现地压显现的部位增多、规模逐渐增大,进入-280m中段开采后,采准工程的塌冒已经严重影响生产的正常进行。经过调查巷道发生破坏的部位与破坏区岩性变化,查明上盘楔形体围岩的附加力作用是引发回采巷道大规模破坏的主要原因,为此提出卸压开采方案,即在高应力区先回采上分段沿脉进路,为下分段卸掉垂直压力后,再掘进下分段沿脉进路。此外,根据巷道破坏过程与地压显现形式,分析了现用工字钢金属架支护方法的不适应性,提出根据岩性与地应力大小选择树脂锚杆、喷锚网联合支护的改进方案。初步试验表明,改进方案可有效解决上盘沿脉巷道的塌冒难题,并可较好地适应弓长岭井下矿深部矿岩条件,不失为弓矿实用技术。

采准巷道;破坏形式;巷道支护;喷锚支护;地压控制;卸压开采

0 引言

弓长岭井下矿为沉积变质矿床,包含上、下盘两条含铁带计6层矿体,矿体全长4850m,单层厚度2～30m,矿体倾角65°～90°。矿石主要为磁铁富矿,质地坚硬(f=8～10),节理发育,中等稳定(局部不稳定)。上、下盘基岩主要为混合岩、斜长角闪岩与硅质岩层,中等稳定到稳定。在矿体与上下盘基岩之间,断续出露绿泥片岩,松软破碎(f=3～4),容易片落,属不稳定岩石。矿区地质构造较发育,水文地质条件简单。

弓长岭井下矿是我国开采较早的大型地下铁矿山,沿矿体走向划分为西北区、中央区与东南区三区开采,其中中央区上盘含铁带的开采深度已达640 m。曾用过多种采矿方法回采[1],经多年来的生产选优,现今全面应用沿走向布置进路的无底柱分段崩落法开采。随着采深的增大,沿脉采准工程出现地压显现的部位逐步增多、规模逐渐增大。进入-280m中段开采后,采准工程塌方冒顶现象已经严重影响到采矿生产的正常进行。

1 采准巷道的破坏形式

统计得出,弓长岭井下矿采准巷道的破坏形式主要有三种:一是沿结构弱面的拉伸破坏(见图1),主要发生在由水平至缓倾斜节理面的岩层里;二是沿结构面剪切破坏(见图2),主要发生在围岩层理厚度较大、有X型结构面的岩体,此时表现为冒落块度较大,冒落长度多为2～5m,有的可达7m,冒落高度达2～3m;三是片帮冒顶(见图3),主要发生在层理与节理比较发育的岩体中,在重力场作用下,拱角受剪切破坏掉落,侧墙受拉应力片落,顶板随之冒落。还有的先冒顶,后片帮及顶板沿结构面呈楔形体破坏冒落,接着拱角向外扩展,这种冒落形式的冒落长度一般较大,多为10～30m,一次冒落高度可达2～3m。三种形式对应的巷道冒顶后的常见形状见图4。

图1 巷道顶板拉伸破坏示意

图2 巷道顶板剪切破坏示意

图3 巷道片帮冒顶破坏示意

2 巷道支护方式改进方案

弓长岭井下矿从20世纪70年代应用无底柱分段崩落法以来,生产采场的地压显现多发生于局部,主要采用工字钢金属拱架进行支护,如图5所示。实践表明,这种支护形式在局部地压显现、巷道破坏长度短的条件下实用性较好,特别在图4(a)与图4(b)破坏形式中巷道局部冒顶的场合,图5支护形式具有支护用料存储运输方便、支护作业安全、见效快等优点。但随着巷道破坏长度与破坏程度的加大,这种支护形式的用料多、抗复杂变形能力弱的缺点逐渐显露出来,尤其对于图4(c)所示的片帮冒顶破坏形式,当巷道破坏长度较大时,不仅施工难度大,而且支护后经常发生扭曲变形,使支架失稳。支护失稳后,巷道顶板或侧帮围岩大量冒落,最终使巷道报废,如图6所示。

分析表明,对于图4(a)与图4(b)破坏形式,在冒顶前后采用适当的喷锚网支护措施,可有效控制围岩的进一步破坏[2-3]。在喷锚网联合体中,混凝土层主要胶结加固围岩表层,并提高径向缝的抗剪强度;锚杆主要用来加固围岩,并增大切向缝和斜向缝的粘结力与抗剪力;金属网则主要起均匀分布喷层内力、防止喷层收缩开裂、增强支护抗力的作用[4-5]。在喷锚网共同作用下,可改善围岩的完整性、增强岩体自承能力,相当于一定深度的围岩掺入支护联合体而形成具有相当厚度的三向均匀压缩应力状态的组合承载拱,变被动承压为主动承压。在弓长岭井下矿的矿岩条件下,这种承压拱的形成可有力克服巷道围岩最常发生的沿结构面拉伸破坏与剪切破坏。为此,井下矿从2012年初开始全面推广喷锚网支护,并根据围岩稳定状况,设计了素喷、喷锚与喷锚网系列支护方案,采用树脂锚杆,支护形式见图7。

图4 弓矿采准巷道破坏形式

图5 工字钢拱架支护形式

图6 巷道侧壁围岩破碎滑落

图7 喷锚支护形式示意

但对于片帮冒顶破坏形式,通常发生于地压大而围岩软破的地段,喷锚网支护所形成的承压拱的强度,往往不能满足稳固巷道的要求,为此还需采取有效措施控制破坏性地压的作用力度。

3 采动地压控制技术

弓长岭井下矿中央区每一分段的大规模地压显现,均发生在靠近上盘的矿岩体内,如图8所示。分析上盘侧矿岩的受力条件,垂直静压力的主要来源是上盘围岩楔形体的重量,而该楔形体的体积与采深的平方成正比,因此当采深达到一定值后,上盘围岩楔形体的压力势必随采深的增大而加速增大。由于矿体倾角较大,该楔形体的压力主要作用于楔形体下部的矿岩上,引起应力集中,造成稳定性较差围岩的持续变形与大规模破坏。

图8 -220m分段采准巷道塌冒部位示意

为解决高应力和不良岩层所产生的巷道围岩破坏问题,必须寻求有效控制地压的方法。一般说来,对于无底柱分段崩落法的采准巷道,根据围岩岩性、结构面特征、断面大小、存留时间长短以及地压活动强度等,采取光面爆破、适时支护、及时维修与快速回采等措施,可有效控制地压破坏。但对于楔形体作用范围之内的采准工程,由于应力高度集中,当矿岩稳固性较差时,上述措施不足以控制地压破坏,最好采用卸压开采方法[6-8],避开楔形体的附加高应力。具体说,要利用上分段沿脉进路的回采空间为本分段沿脉巷道卸压,即先回采上分段的沿脉进路,形成卸压(或减压)条件后,再开掘本分段的沿脉巷道。

结合弓长岭井下矿的矿岩条件,提出分段卸压崩落法的采场结构如图9所示。基于该采场结构的卸压开采方案与以树脂锚杆为主体的喷锚网支护形式,在弓矿使用效果良好,现今基本杜绝了上盘沿脉巷道的塌冒现象,保障了采矿生产的正常进行。