铜坑矿92＃矿体裂隙矿岩巷道支护研究

王雷，王春，程露萍，李猛，张开盛

（1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿，广西河池547205；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；3.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙410014）

铜坑矿92＃矿体裂隙矿岩巷道支护研究

王雷1，王春2，程露萍2，李猛3，张开盛2

（1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿，广西河池547205；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；3.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙410014）

铜坑矿92＃矿体矿岩节理裂隙发育，导致采场巷道易发生顶板掉块、离层冒落。锚网支护易出现锚网破裂、锚杆失效等现象。对矿岩地质结构特征及物理力学性质进行了调研与测定，总结了导致采场巷道顶板发生各种破坏类型的影响因素。结合矿山巷道支护实践经验，设计推荐锚网喷联合支护方式对采场巷道顶板进行支护，并通过具有代表性的巷道顶板支护的工业试验证明了锚网喷联合支护效果理想，最后得出锚网喷联合支护方式适用于裂隙矿岩巷道的支护。

巷道支护；顶板；裂隙；破坏类型；锚网喷联合支护

巷道支护是地下矿开采的一项重要工程，采场巷道是地下矿采矿的重要运输通道，无论采用何种采矿方法，都涉及到巷道支护的问题。二里河铅锌矿、雷家寨铜多金属矿采用房柱法［1－2］，新塘铜矿大凹子矿段采用分段凿岩阶段出矿空场法及浅孔留矿法［3］，瓦厂铁铜矿采用分层崩落法［4］等都离不开采场巷道，都涉及到巷道支护的问题。巷道支护的方式较多，有锚杆支护、喷锚支护、锚索支护、液压支架支护等，影响支护方式选择的因素也错综复杂，选择合理的支护方式是矿山必须解决的重要问题［5－14］。

铜坑矿92＃矿体采用崩落法回采过程中，裂隙岩体受到原生结构、地应力、爆破等因素影响，常出现顶板掉块、离层冒落、突然整体跨塌等现象，甚至采用加固措施后仍出现二次灾害现象。研究适合裂隙矿岩巷道有效支护的方式，是铜坑矿目前急需解决的课题，具有重大意义。

1 矿岩特征及存在问题

1.1 矿岩地质结构特征

铜坑矿92＃矿体矿化极不均匀，以层状、节理脉状矿化为主，以团块状、结核状、透镜状、浸染状矿化为辅；层状矿化以层纹条带状矿化为主，以致密块状矿化为辅。矿体主要富存于硅质岩中，岩性脆、裂隙发育，矿体内含矿裂隙，单位裂隙为5～8条/m；无矿裂隙，单位裂隙为3～7条/m，合计为8～15条/m，伸张性3.02cm/m。容矿硅质岩抗压强度最大达153MPa，矿石坚硬，普氏系数为15.6，属Ⅰ、Ⅱ级坚固岩石，矿体与围岩无明显界限。

1.2 矿岩物理力学性质

矿体顶板的物理力学性质是影响巷道破坏的重要因素之一，铜坑矿对92＃矿体顶板进行了地质调查及相应的力学试验，得出92＃矿体顶板围岩主要为灰岩、泥灰岩及部分硅质岩。灰岩、泥灰岩裂隙不发育，灰岩厚度为15～20m，泥灰岩厚3m左右。通过密度测定试验、岩石劈裂试验、岩石单轴压缩试验测出92＃矿体顶板围岩物理力学性质，相关参数见表1。

表1 92＃矿体顶板围岩物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of roof in 92＃ore body

1.3 存在的问题

铜坑矿92＃矿体采用崩落法进行回采，主要采用组合式崩落法、无底柱分段崩落法、顶板诱导崩落连续采矿法。出矿设备为铲运机，出矿巷道断面尺寸长×高为4.0m×3.3m，矿山生产过程中的爆破扰动、凿岩振动、放矿振动以及地应力、地下水、矿岩结构裂隙等因素对巷道产生一定的影响，目前铜坑矿92＃矿体矿岩巷道支护方面面临的主要问题有三个：

1）巷道掘进过程中常出现掉块、离层、整体垮塌等破坏现象。

2）矿岩节理、裂隙发育的地方采用挂网及锚杆等支护措施后仍然出现挂网破裂、锚杆失效、大规模冒顶现象。

3）裂隙岩体的支护难题严重影响了铜坑矿92＃矿体的采矿作业。

2 巷道破坏类型及影响因素

2.1 巷道破坏类型

根据铜坑矿92＃矿体采场巷道破坏形式调查分析可得，矿岩裂隙发育、结构破碎、地应力集中等因素导致采场巷道发生变形破坏。同时对巷道破坏情况进行分析、总结，得出采场巷道变形破坏的形式主要有两种。

1）顶板掉块。在裂隙发育的岩体中开挖巷道时，部分岩块暴露在巷道临空面上，各种载荷作用下由原始的静止状态进入运动状态，出现脱落或沿结构面滑移、失稳，在爆破扰动、放矿振动、风化作用下顶板常出现新的可移动大块体，如不及时发现，可能发生大块体掉落，破坏巷道。破坏类型见图1。

2）顶板离层冒落。铜坑矿92＃矿体受多组节理裂隙切割，各分层及节理裂隙胶结程度低，力学性能差，是天然的力学弱面，巷道冒落微观表现为软弱面产生滑动或逐渐张开，宏观上则表现为折曲或较大幅度位移。由于受采动或爆破震动的影响十分剧烈，加上受到地下水等因素影响，各层间的黏结强度不断降低，当弱面张开到一定程度，各层之间失去了力学联系，在岩层自重作用或其它力作用下，即出现了顶板离层冒落现象。破坏类型见图2。

3）顶板掉块、离层冒落对支护的影响。由于92＃矿体矿岩裂隙发育、结构破碎，采场巷道顶板常出现破碎块体，在爆破扰动、采矿活动影响下，顶板破碎块体脱落，块度较小的块体穿过网片掉落到巷道底板，而块度较大的块体则存留在钢丝网上形成“网兜”，随着块体不断累积，当其重量超过锚网承受能力时，即发生挂网破裂现象，大量块石掉落，见图3；随着顶板掉块的累积，作用在软弱结构面上的张力增大，离层冒落破坏形式极易发生，离层冒落产生的过程中会导致某个锚杆无法承受顶板重量而被迫拔出，此时周围其他锚杆承受的力不断增大，最终造成多个锚杆失效，产生连锁反应，引起顶板整体冒落，见图4。

2.2 巷道破坏影响因素

铜坑矿92＃矿体采场巷道破坏类型主要为顶板掉块、顶板离层冒落。众所周知，巷道失稳破坏是由多方面因素共同作用造成的，根据铜坑矿92＃矿体采场巷道破坏情况，结合矿山施工技术人员的经验总结，最后得出地质因素、工程因素和生产技术因素是造成92＃矿体采场巷道破坏的重要因素。

1）地质因素：岩石物理力学性质、结构面发育程度、地下水作用等地质因素对巷道的稳定性会产生一定的影响。铜坑矿92＃矿体受多组地质构造和层理面控制，节理裂隙发育，将岩体切割得支离破碎，局部位置接近于散体，顶板围岩极不稳定。因此，造成采场巷道破坏的主要地质因素是节理构造过于发育，其他地质因素次之。

图1 顶板掉块Fig.1 Roof off block

图2 顶板离层冒落Fig.2 Separation layer of roof caving

图3 挂网破裂Fig.3 Anchor net fracture

2）工程因素：巷道尺寸大小、形状以及埋藏深度等是影响裂隙巷道稳定性的主要工程因素。铜坑矿92＃矿体出矿巷道断面尺寸长×高为4m×3.3m，属大断面巷道，巷道顶板暴露面积较大，在穿过节理裂隙发育的地带时，顶板变形量、离层厚度、破裂范围都较大，出现的可移动破碎块体较多；铜坑矿92＃矿体采场巷道断面不规则，易产生应力集中现象，促使巷道围岩受到挤压或拉伸产生破裂，降低巷道顶板稳定性；铜坑矿92＃矿体埋藏深度为250～450 m，埋藏深度并不大，但通过采矿活动发现，矿区地应力场非常复杂，应力场的不断重分布是影响巷道围岩破坏的根本。

图4 锚杆失效Fig.4 Bolt failure

3）生产技术因素：重复采矿、爆破扰动、支护问题等生产技术因素都是造成裂隙巷道的主要因素。铜坑矿92＃矿体开采强度大、爆破频繁、支护不及时等都会造成采场巷道失稳。矿山原支护设计不合理、施工达不到设计要求、未探测顶板破碎松动圈厚度、对巷道失稳破坏规律认识不足等是导致裂隙巷道破坏的主要因素。

3 巷道支护设计研究

3.1 巷道支护设计影响因素及依据

影响巷道矿压显现规律与支护形式、参数选择的主要因素有地质因素、工程因素、生产技术因素。开采深度、矿体和围岩强度、岩体的工程地质特征、原岩应力状态、采矿方法、巷道断面积的大小、掘进方法等都是巷道支护设计必须考虑的因素。结合这些因素，采用现场矿压观测和试验的方法，找出影响巷道围岩稳定性的主要因素和矿压显现规律，便可提出合理的支护方案和施工工艺。铜坑矿92＃矿体采场巷道支护设计主要影响因素为矿岩节理裂隙发育、巷道断面大、重复采矿和爆破产生的扰动，依据是矿山原有锚网支护的设计参数及产生的支护效果。

3.2 支护方式确定

铜坑矿92＃矿体采场巷道破坏的类型主要为顶板掉块及离层冒落，矿山原采用的支护形式为锚网支护和喷锚支护。以434m水平T116－118采场南运输道顶板及破碎区顶板支护为例，破碎区域采用喷锚支护，锚杆长度为1m，施工网度为1m×1 m，喷浆厚度为5cm；非破碎区域采用锚网支护，锚杆长度为1m，施工网度为1m×1m，钢筋网孔网参数为15cm×15cm，由Φ0.8cm的钢筋制成；锚杆施工垂直于岩石层理面，施工前处理干净顶板表面松石；根据支护后巷道稳定性监测得出，锚网、喷锚支护达到了预期支护效果，但巷道维持稳定的时间较短，不能满足矿山采矿需求，采矿作业期间仍会出现挂网破裂、锚杆失效、顶板冒落的破坏现象；根据矿岩地质结构、物理力学性质、巷道破坏模式、围岩松动圈厚度，同时结合工程实践，最后确定锚网喷联合支护的方式对铜坑矿92＃矿体采场巷道进行支护。

3.3 支护参数确定

1）锚杆参数：巷道宽度为4m，参照锚杆整体系统支护时参数计算方法，计算选定锚杆长度为1.5 m，网度为1m×1m，直径选用16mm，排列方式为矩形排列，锚杆材料选用16Mn，无螺纹圆钢。

2）金属网参数：根据经验公式计算，同时结合支护实例，金属网参数选定尺寸为2m×2m，网孔为10cm×10cm，Φ0.8cm，金属材料选用HRB400级钢筋。

3）喷射混凝土参数：根据矿岩节理裂隙发育、围岩稳定性、巷道断面尺寸、支护成本等因素，结合支护实际情况调整喷射混凝土厚度，铜坑矿92＃矿体采场巷道顶板锚网喷联合支护时，喷射混凝土厚度选取20～50mm。

4 工程应用实践

4.1 支护巷道选取

为了体现铜坑矿92＃矿体矿岩特性，支护试验区选择应满足巷道顶板裂隙发育且比较明显，巷道顶板裂隙分布的规律具有代表性，顶板裂隙发育情况可以体现出采矿活动的影响，便于监测测量设备的安装条件。铜坑矿92＃矿体434m水平T116－118采场南运输道巷道顶板岩石层理发育且破碎，存在安全隐患，具有很好的代表性。矿山原支护方式为破碎区域采用喷锚支护，非破碎区域采用锚网支护，支护效果短期理想，长期欠佳，未能满足采矿要求，故选择具有代表性的T116－118采场2＃凿岩巷道附近的南运输道巷道进行工程试验。

4.2 支护技术实施方案

铜坑矿92＃矿体434m水平T116－118采场南运输道巷道顶板进行锚网喷联合支护，1＃、2＃、3＃凿岩巷道之间的间柱采用锚网支护，具体施工方案如下：

1）施工队先对南运输道巷道顶板进行锚网喷联合支护，工程施工位置及典型剖面见图5。

2）锚网喷联合支护完成后对1＃、2＃、3＃凿岩巷道之间的间柱进行锚网支护。

3）锚杆长度为1.5m、网度为1m×1m、Φ16 mm，材料选用16Mn无螺纹圆钢；金属网尺寸为2m×2m、网孔为10cm×10cm、Φ0.8cm，材料选用HRB400级钢筋。

4）锚杆施工前处理干顶板及墙面松石，确保锚杆垂直于岩石层理面。

图5 支护工程位置及典型剖面图Fig.5 Supporting engineering location and typical profile

4.3 支护巷道稳定性检测及评价

铜坑矿92＃矿体434m水平T116－118采场南运输道巷道顶板进行锚网喷联合支护施工完成后，安设多点位移计、锚杆测力计对支护巷道进行长期监测。从典型断面的监测结果得到，巷道支护施工初期变形位移较大，后期巷道变形位移明显降低，最后趋于稳定；锚杆、金属网、喷混凝土对顶板支撑力有效的抵制了巷道顶板的掉块、离层。试验巷道支护完成已经长达一年之久，除了巷道道岔点及局部应力集中点出现喷混凝土开裂、锚网外鼓外，无垮落现象，支护效果非常理想。该现场试验证明了锚网喷联合支护适合铜坑矿92＃矿体采场巷道的支护，即适合节理裂隙发育的矿岩巷道支护。

5 结论

针对铜坑矿92＃矿体巷道顶板围岩裂隙发育，易出现掉块、离层冒落、支护困难的问题，进行了矿岩地质结构特征、物理力学性质调研及测定。研究分析了巷道破坏类型及影响因素，同时提出了矿山原有支护方式短期效果理想，但维持时间短，不能满足采矿要求。最后设计采用锚网喷联合支护的方式进行巷道顶板支护，并选用434m水平具有代表性的T116－118采场南运输道巷道进行现场试验，结果非常理想，证明锚网喷联合支护适合于铜坑矿92＃矿体裂隙矿岩巷道的支护。

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Study on roadway support of ore rock containing fissure in 92＃ore body in Tongkeng Mine

WANG Lei1，WANG Chun2，CHENG Luping2，LI Meng3，ZHANG Kaisheng2
（1.Tongkeng Mine of Guangxi China Tin Group Incorporated Company，Hechi Guangxi 547205，China；2.School of Resources ＆Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Hunnan Labour Protection Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410014，China）

Because of developed joint fissure of ore rock in 92＃ore body of Tongkeng Mine，it is easy to occur some phenomena，such as the roof off block and separation of caving of stope drift，anchor rupture and anchor failure of anchor net support.Based on the investigation and determination of geological structure characteristics and the physical and mechanical properties of ore rock，the various influencing factors of stope roof are summarized.Combined with the practical experience of mine roadway support，the support way of spray anchor net supporting is recommended to support the roof of stope roadway.Through the industrial test of typical roadway roof supporting，the supporting effect of combined supporting of spray anchor net is proved to be ideal，finally it is concluded that the anchor net spray support way is suitable for fractured ore rock roadway supporting.

roadway support；roof；fissure；failure type；combined supporting of sprayanchor net

TD353

Α

1671－4172（2015）02－0067－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.015

王雷（1987－），男，助理工程师，采矿工程专业，主要研究方向为采矿工艺。