西石门铁矿残矿回采复杂围岩巷道掘支技术

窦梅林

(五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿)



西石门铁矿残矿回采复杂围岩巷道掘支技术

窦梅林

(五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿)

摘要西石门铁矿采用平底堑沟底部结构的诱导冒落法开采下盘残矿，由于下盘围岩软破且受原采空区的影响，采准工程的掘进与维护均十分困难。为解决该问题，在调查分析残采巷道破坏特点的基础上，将残矿采准工程分为3类：①实体软破围岩，该类围岩多半采动应力大，且应力方向变化复杂，巷道开挖后支护拱架扭曲变形严重，为减缓变形速度和调节应力方向，采用喷锚网+U型可缩性金属拱架联合支护形式；②散体围岩，该类围岩多为矽卡岩+粉矿，虽经过一定的沉实作用，巷道掌子面能够立住，但开挖后顶板易坍塌，为此采用超前锚杆+U型可缩性金属拱架结合支护形式；③巷道穿过冒落空区，此时空区高度多为5～7 m，宽3～5 m，顶板易发生掉块现象，为此设计采用整体拱棚支护技术。上述措施实施后，西石门铁矿残矿回采工程的稳定性得到了有效控制，改善了矿井安全生产条件，实现了复杂残矿的安全回采。

关键词残矿回采软破围岩散体围岩冒落巷道支护整体拱棚

西石门铁矿为接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体背斜，轴部倾角平缓，矿体两翼倾角一般10°～30°，厚1.2～30 m，平均15.13 m。矿体不稳定到稳定，顶板围岩为奥陶纪灰岩，中等稳定到不稳定；底板围岩为燕山期闪长岩，稳定到中等稳定。在矿体与底板围岩之间，赋存1层厚0～10 m的矽卡岩，极不稳定。矿区分南、北、中三区开采，采矿方法经多次优化定型为无底柱分段崩落法，经20多a的开采，开采阶段从230 m水平降至40 m水平。开采过程中有民采破坏矿体以及有底柱采场的顶柱、底柱、间柱以及部分零星小矿体作为残矿残留于采场中，矿量可观。起初该类残矿资源多作为生产紧张时的储备矿量进行补充开采，随着开采向深部进行，常规矿体资源消耗过快，现今残矿回采已成为矿山产量的主体组成部分。矿山采用平底堑沟底部结构诱导冒落法进行残矿回采，需在下盘布置进路、出矿联巷等采准工程，采准工程的稳定性直接决定了残矿回收的成败。由于残采采场下盘岩性软弱破碎且存在空区破坏，矿山以往单纯采用U型钢拱架及锚喷网支护无法满足要求，部分部位出现拱架扭曲变形、巷道冒落、掘进遇到散体围岩等问题，使得残采采准工程掘进与维护均十分困难。为解决残采过程中的掘支难题，本研究在分析残采巷道破坏特点的基础上，对相应的掘进支护措施进行探讨。

1掘进支护存在的问题及原因

1.1存在问题

随着民采破坏矿体开采深度的加大以及浅部残采采场大范围的展开，受地压大、岩体稳定性差等因素的影响，以往使用的支护形式已无法适应矿山生产要求，加之浅部民采活动的影响，导致生产中出现了以下问题：①矿体包含空区较多，部分地段地压较大，同时，紧贴矿体下盘的矽卡岩松软易变形、承压能力弱。此时，U型可缩性金属拱架部位常出现拱架前倾、弯曲、偏移现象，部分拱架腿扭曲变形严重(图1)，甚至经多次修复，仍无法改善。使用喷锚网支护的部位，喷锚网结构整体脱离巷道表面，喷层开裂掉块(图2)。②各采区残采采场在掘进过程中常遇到较大冒落区或民采塌方区，其大多被冒落的散体充填，虽经过一定时间的沉实作用，巷道掌子面能够立住，但开挖后顶板易坍塌，许多巷道被堵塞废弃。③采准巷道掘进过程中常出现顶板突然冒落的现象，尤其是矽卡岩化磁铁矿与底板矽卡岩层交界的部位，在巷道顶部出现大面积空洞(图3)，高度可达5～7 m，宽3～5 m，在该条件下作业，存在顶板掉块的安全隐患，另外，空洞过大时常绕道施工，工程量较大。

1.2原因分析

(1)支护方式与支护环境不适应。U型可缩性金属拱架具有较高的初始支撑力，可提供较大的支护阻力，拱架的可收缩性可自行适应围岩变形进行应力调整，且经过大变形后仍可保持足够的承载能力，但在支护初期拱架与巷道边壁贴合不紧密，往往形成点支护状态，拱架局部受力，易变形[1]。在多空区矿体中，存在局部矿段地压明显增大、地压作用方向变化复杂等问题，更易造成拱架受力不均，使得支护拱架出现倾倒、弯曲变形等现象。

图1　拱架破坏(二次支护)

图2　锚喷支护破坏

图3　掘进冒落形成空洞

(2)矿山多空区状态引起地压增大。从岩体力学角度来讲，我国金属矿山中仅个别矿山地压活动是由原岩应力高所致，大部分矿山地压活动的根源是存在于岩体中的采空区[2]，空区引起的高地压主要表现在：①采空区顶板冒透地表，在失去顶部支撑后应力发生转移，引起井下局部矿段采动压力急剧增大[3]。②多空区矿体中采空区的存在引起空区周围应力重新分布，应力集中于空区之间的不规则矿柱上，导致地压增大。

(3)围岩稳定性差。矿体围岩稳定性差主要受岩性影响，矿体下盘围岩主要为矽卡岩和蚀变闪长岩，属软岩，其岩性松软、易风化，遇水泥化严重，若被揭露后不及时支护，在空气中会以较快的速度膨胀变形，形成表面破碎层，不再具备支护力，喷浆后易产生喷层脱落。另外，围岩承压能力弱，受爆破振动、地压等因素影响，裂隙及破碎带更易向岩体内部发展，形成破碎松动圈，导致顶板变形碎裂，产生冒落、片帮及锚杆托盘松动等现象。

(4)支护施工不及时。围岩破碎、风化水解迅速，需及时支护。喷锚网支护具有快速提供连续支撑力、保持和提高岩体抗剪强度、充分发挥围岩自承能力等优点，但施工工序多，及时性不易保证，直接影响了喷锚网的支护质量及其作用的长效性。

2巷道掘进支护技术

2.1实体软破围岩巷道

在西石门残采采场，围岩软弱破碎及由于空区的存在造成局部地压增大是影响巷道稳定的两大因素，为此，对于二者同时作用的部位，采用喷锚网+U型可缩性拱架联合支护技术。拱架安装时需紧贴巷道断面，背部充填半圆木，拱架间焊接连杆，提高拱架整体性。施工时，首先及时施工喷锚网，然后施工U型可缩性金属拱架，如此既可保证较高的支护强度，又允许产生较大的变形量，可满足巷道服务期间的支护持续性要求。喷锚网+U型可缩性拱架联合支护技术的特点：①具有充分发挥U型钢拱架及锚杆高支护强度的优点，可实现主、被动联合支护[4]。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结构，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型钢拱架与锚杆的组合支护结构，实现U型钢支架与锚杆间的协调支护[5]。目前，该支护措施已被应用于地压显现部位较多的采场，以往多次支护的现象明显减少(图4)。

图4　南二区喷锚网+U型拱架支护情况

喷锚网+U型可缩性金属拱架联合支护中的锚喷支护采用双筋条+管缝锚杆支护，锚杆长1.8 m，直径43 mm，每排6～8根，间距0.8～1 m，排距1 m。锚杆、双筋条安装之后进行喷浆支护，分3次，1次喷厚30～50 mm，拱为20～40 mm，最终喷厚达80～100 mm。喷层间歇时间一般为10～15 min，间隔2 h以上时应先喷水，再喷浆。喷头应与岩面垂直，确保喷头与岩面之间留有800～1 200 mm的距离。喷浆完毕2 h后进行喷水养护，养护时间不少于10 d。采用20Mn-25型U型钢，拱架间距原则上为600～800 mm，稳固性差的地段应减小拱架间距，柱腿焊规格为200 mm×150 mm×100 mm的钢垫板，防止拱架下陷造成不稳。拱架上部间隙用对开木或圆杂木充填，间隙1 m以上的充填应与围岩紧密接触，梁腿搭接量不少于300 mm。

2.2沉实散体围岩

在各采区掘进过程中易揭露较大冒落区或民采塌方区，区内多充填散体。以往掘进工程遇散体时便停掘，与多采空区矿体条件不相适应，需解决散体巷道支护技术问题。当空区内散体为松散状时，具有较好的流动性，巷道穿过散体的难度较大；当散体压实时巷道掌子面尽管能够立住，但开挖后顶板易坍塌。西石门铁矿空区揭露的散体多为压实散体(图5)，在考虑散体层支护的特殊性、U型拱架支护特点的基础上，采用U型拱架与超前锚杆相结合的支护方案。该方案将超前锚杆预先布置于巷道掌子面前端，以一定向上倾角沿巷道眉线打入散体堆，起到预支护作用，增强前端散体的整体性，防止散体堆出现大的有害变形或塌落，为拱架支护作业提供条件(图6)。U型拱架作为支护主体，具有强度大、允许有大变形、可承受较大压力的特点，保证巷道在服务期内不发生破坏。同时，拱架结构利于保持巷道整体形状，可为散体巷道内作业人员提供安全空间。超前锚杆的具体长度视围岩破碎情况而定，一般情况下取2.5 m，围岩特别破碎时取4 m。超前锚杆外露0.1 m，端部预留1 m，锚杆倾角10°～25°[6]，每排布置10～20根。一般将锚杆预留处与进路顶板垂直相交的部位作为下排超前锚杆的布置位置。当散体压实较紧密时，超前锚杆的间距可适当取大一些；反之，应减小锚杆间距。巷道过散体层拱架间距设计为0.6～0.8 m，但视具体情况各有不同，最大1 m，最小约0.2 m，一般情况下，每2～3排拱架布置1排超前锚杆，拱架背部用半圆木充实，确保拱架与顶板紧密接触，另外兼具阻挡碎石掉落伤人功能。在施工支护之前，应及时喷浆，封闭岩石，减少围岩风化。目前，巷道过散体层技术在西石门铁矿南北区多空区矿体采场中得到了成功应用，该技术安全有效地解决了散体巷道的支护难题，使冒落空区残矿得到了有效回收。

2.3过冒落区

除软破岩体及空区冒落形成的散体巷道外，在西石门南北区采准巷道内还经常发生矽卡岩夹层局部大冒顶的现象，冒顶高度常达5～7 m，宽3～5 m。发生冒顶时，一般先蹬碴喷浆护顶，再清理碴堆，并在冒落区下部架设金属拱架，拱架上部填塞圆木封顶。由于矽卡岩破碎，冒落不易完全控制，在喷浆时易掉块伤人，此外，在冒顶区下部清理冒落碴与架设支架时，喷层易发生局部脱落现象，由此造成喷浆与架设支架工作的安全条件差，易发生掉块伤人事故，致使巷道冒顶后往往得不到及时处理而常常报废。

图5　残采采场揭露空区散体

图6　超前锚杆布置

为此，提出采用整体拱棚过局部冒顶区方案(图7)进行处理。该方案采用的金属拱架高3 m，宽3 m，拱架间距1 m，1次焊接4架连成一体，形成长3 m的整体拱棚。工作人员不进入冒顶区作业，在冒顶区外先进行冒顶区一侧排险撬顶，防止顶板掉块，利用铲运机将用螺纹钢焊接成整体的可缩性金属拱架推进至冒顶区内，在冒顶区一侧，人员站立于铲运机铲斗上，向支架上方插入半圆木进行密封作业，形成整体棚架，使冒落区巷道畅通。该方案将可缩性金属拱架焊接成一体，不但大大增强了支护强度，而且使得该整体支架仍具有可伸缩性，利于压力释放，具有较强的抗冲击能力。此外，拱架顶部的密实圆木形成了有效的密封空间，保护了拱架内作业人员及设备的安全，同时使拱架受力均匀，避免了应力集中。总体来讲，该方案满足了快速处理局部冒顶事故的要求，已应用于南二区72 m 水平残采采场，成效显著。

3结语

西石门铁矿为含不稳岩层的难采矿体，20世纪已回采的区域遗留下的大量残矿适合用平底堑沟底部结构的诱导冒落法开采，采准工程主要布置于矿体的下盘，矿山所用的可缩性金属拱架支护形式已无法满足下盘软破且受采空区影响的围岩稳固要求，为此，根据围岩破坏特点，改进了支护形式，取得了较好的效果，可供类似矿山参考。

图7　整体拱棚

参考文献

[1]臧润成.U型钢支架在大冒落区域的应用[J].现代矿业，2015(11):262-263.

[2]叶粤文.金属矿山地压灾害发生机理研究[J].有色金属：矿山部分，2006，58(1)：30-32.

[3]王喜兵，王海君.高应力区卸压开采方法研究[J].矿业工程，2003(4)：18-22.

[4]明建，单强，严荣富.自然崩落法采场软破围岩巷道支护技术研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31(1)：34-39.

[5]陈士虎.软岩巷道U型钢支架与锚索网耦合支护技术[J].煤炭工程，2007(8)：36-37.

[6]周桥，高谦，许海涛.破碎带工程围岩超前锚杆加固外插角研究[J].煤炭学报，2009，34(12)：1594-1598.

Route Excavation and Supporting Technology of Complex Surrounding Rock in the Mining of Residual Ore in Xishimen Iron Mine

Dou Meilin

(Xishimen Iron Mine,Minmetals Hanxing Mining Co.， Ltd.)

AbstractResidual ore is mined by the induced failing mining method which with trench bottom structure in Xishimen iron mine.The mining engineering excavation and maintenance are very difficult,which is caused by the broken rock and original gobs.In order to solve the above problems,based on the investigation and analysis of the tunnel damage characteristics, the mining engineering of residual ore is divided into three types:①Entity soft broken surrounding rock,the mining stress of the most of the entity soft broken surrounding rocks is large,and the direction changes of mining stress is complex,the distortion of the supporting arch after excavating is serious,the spray anchor net combined with U-shaped retractable metal arch supporting method is adopted to reduce the deformation speed and adjust the direction of mining stress.②Granular surrounding rock,it is composed with skarn and ore powder.Although after a certain gravity effect,the funnel face can keep stable,but after the excavation,the roof is easy to collapse,therefore,the leading bolt anchor plus U-shaped metal arch is adopted.③The roadway through the falling empty zone,the height of falling empty zone is 5～7 m,the width is 3～5 m,the roof is easy to fall off,so the integral metal arch supporting technology is adopted.The stability of the residual ore mining engineering of Xishimen iron mine is controlled effectively,the mining production condition is improved and the safety mining of complex residual ore is realized by taking the above measures.

KeywordsResidual ore mining, Soft broken surrounding rock, Granular surrounding rock, Support of rock-fall roadway, Integral metal arch

(收稿日期2015-11-01)

窦梅林(1967—)，男，总工程师，高级工程师，056303 河北省武安市。