黄山南铜镍矿井巷工程掘支工艺优化研究

亚呼甫，李再易

(新疆瑞伦矿业有限责任公司, 新疆 哈密市 839000)

井巷工程的安全高效掘进关系到矿山企业生产安全及生产效率，国内外矿山科技工作者就此开展了大量研究与工程实践，取得了丰富成果与经验。例如，阚甲广等[1]对巷道掘进扰动效应影响因素进行了分析研究；王俊生[2]对松软破碎岩层巷道的掘进与支护进行了研究，研发出了一种小断面超前光面爆破掘进工艺；李翕然等[3]对丰山铜矿高应力下的松软破碎岩层巷道掘进与支护技术进行了研究；陈鹏刚等[4]针对李楼铁矿巷道掘进中的难题设计了一种巷道掘进联合支护方案,并详细分析了具体的施工工艺流程；郝萤[5]对山西麻家梁矿14106运料斜巷掘进支护方案进行了研究，显著提高了巷道稳定性；王亮[6]提出采取"注浆+圆钢托架"联合支护方法对破碎顶板进行维护，取得了显著成效。但由于各个矿山矿岩性质及工程地质条件千差万别，因此笼统的参照某一特定的井巷掘支工艺往往不能解决具体矿山的施工问题，需结合实际情况对井巷掘支工艺进行优化。

黄山南铜镍矿位于新疆维吾尔族自治区哈密市，由于矿化带多为破碎带，极不稳固，先后采用浅孔留矿法、分段矿房法、阶段矿房法、分段空场嗣后充填采矿法等方法进行采矿。但不管采用上述哪种采矿方法，采切工程都必须穿过破碎带，加上采场采矿爆破影响，大部分采切巷道变形，坍塌，部分采准工程因岩石破碎被迫停止，从而造成采准工程严重滞后，影响矿山正常生产。为此，该矿开展了相关科技攻关，以确保采准切割工程施工效率和安全。经优化研究，该矿研发出一种超前锚杆预支护与预留光爆层二次爆破成巷的掘支工艺，有效解决了上述问题。

1 工程地质条件

黄山南矿区矿体主要分布于葫芦岩体(橄榄岩相带，辉石相带)的底部，有少量分布于辉长岩中，矿体呈层状或透镜状，矿体上盘为辉橄岩，下盘为辉长闪长岩，受多期地质运动影响，矿体内断裂构造发育，易风化，易冒落；特别是矿体与围岩交界部位、剪切应力集中，往往形成构造蚀变破碎带，而蚀变多为绿泥石化、滑石化与蛇纹石化，岩石极为破碎，其自身粘结力很小(见图1)，井巷工程开挖后易出现大面积塌方现象。

图1 井巷工程垮塌现场

2 井巷工程掘支工艺优化研究

建矿初期，该矿采用普通法施工井巷工程，由于矿化带蚀变极不稳固，井巷工程施工极其困难，安全性差，且爆破后巷道成型质量差，采用常规支护方式难以保证工程的稳定性。随即该矿又开展了光面爆破法在井巷工程掘进中的试验，该方法有效减少了爆破对围岩的破坏，巷道成型质量有显著提高，但常规喷锚支护仍不能保证巷道稳定，巷道支护过程中及后期顶板冒落现象频发，严重威胁人员设备的安全，因此不得不采用砌砼支护，支护成本高，效率低。

为解决上述问题，保障巷道掘进过程中人员设备安全，降低掘进成本，通过分析研究，提出了超前锚杆预支护与预留光爆层二次爆破成巷的新工艺。

2.1 作用机理分析

超前锚杆预支护的实质是在每次爆破掘进前，采用钢管对巷道顶板及拱角处进行有效支护，改善其稳固性，推迟或避免巷道冒顶、片帮，为后续永久支护工作争取安全空间和时间。

预留光爆层二次爆破成巷的实质是巷道掘进时每个进尺分2次爆破，首先爆破形成巷道中间部分，然后再形成巷道的全断面轮廊，第二次爆破时采用光面爆破。预留光爆层二次爆破成巷法可减小单位工程的一次爆破炸药量，减小爆破冲击波的强度及振幅，降低对巷道围岩的破坏程度，保证了巷道表面平整与稳定。

同时，对现有巷道永久支护工艺进行优化，巷道掘进过程中采用“短掘短支”方式，每个进尺爆破通风后即进行支护，采用锚杆+挂网+钢拱架的方式对巷道进行支护，并进行喷浆，隔绝外部空气，防止岩体风化。

2.2 施工工艺优化研究

(1) 超前锚杆预支护工艺。超前锚杆杆体采用普通钢管或厚钢管，长度为3.5～4 m，直径Φ38～40 mm。锚杆安装孔采用7655或YT-28凿岩机施工，炮孔深部3～3.5 m，孔径为40～42 mm。锚杆孔口间距为0.15～0.3 m，方向与巷道中心线向上呈10°～15°，均匀布置在周边眼上部并保持0.2～0.3 m间距。在层理、节理发育的情况下超前锚杆要尽可能多穿层理面，间距适当加密，同时巷道的两帮也需要用普通锚杆对其进行支护。

锚杆安装孔施工完毕后，即可采用冲击凿岩机安设该钢管，安装时所用钢管出露在外的部分与前一进尺的钢拱架拱顶焊接在一起，形成一个整体。

(2) 预留光爆层二次爆破成巷工艺。巷道掘进时分2次爆破，第一次只爆破掏槽眼与辅助眼部分，形成小断面的槽腔，然后再进行第二次周边眼的爆破，周边眼爆破采用光面爆破。

第一次爆破时，采用直筒掏槽布置形式，合计9个掏槽孔，10个辅助孔，各炮孔起爆段别及装药量见表1。

表1 第一次爆破各炮孔起爆顺序及装药量

第二次爆破采用光面爆破，光爆层厚度0.3～0.4 m，各炮孔孔间距加密至0.5～0.6 m，合计10个炮孔，同时装药系数调整至0.5～0.6[7]。

(3) 巷道支护。对现有巷道永久支护工艺进行优化，巷道掘进过程中采用“短掘短支”方式，每个进尺爆破通风后即进行支护，采用锚杆+挂网+钢拱架的方式对巷道进行支护，并进行喷浆。

锚杆类型为管缝式锚杆，长度为2.0 m，锚杆直径为43 mm，锚杆的间距可根据现场情况分别采用1.0 m×1.5 m，1.5 m×1.5 m或1.5 m×2.0 m的支护网度。钢筋网采用6～8 mm的Ⅰ级钢筋，网度为100 mm×100 mm或150 mm×150 mm。喷浆所用砂浆强度要求大于C15，采用325普通硅酸盐水泥和坚硬耐久的中砂(平均粒径0.35～0.5 mm)或粗砂(平均粒级大于0.5 mm)制备而成。钢拱架采用16#工字钢现场加工制作而成，钢拱架间柱1～1.5 m，相邻钢拱架之间采用加强筋焊接固定。

2.3 现场工业试验

矿山技术人员在该矿965中段8#穿脉进行了超前锚杆预支护与预留光爆层二次成巷新工艺的现场工业试验，采用新工艺施工的巷道现状如图2所示。至2018年8月，该穿脉未发生一次冒顶片帮事故。试验结果表明，采用该新工艺巷道掘进工程质量良好，有效保证了井巷工程的稳定与安全，同时成巷速度较原有工艺提高了50%，单位进尺成本降低了约35%(见表2)。

表2 主要技术经济指标对比

图2 965中段8#穿脉现状照片

3 结 论

通过井巷工程掘支工艺优化研究，提出了超前锚杆预支护与预留光爆层二次爆破成巷新工艺。现场工业试验表明，采用该新工艺巷道掘进工程质量良好，有效保证了井巷工程的稳定与安全，成巷速度较原有工艺提高了50%，单位进尺成本降低了约35%。该新工艺有效解决了黄山南铜镍矿化破碎带中井巷掘进难题，为生产的顺利进行创造了有利条件。同时，研究成果对类似工程的掘进与支护具有一定的借鉴和指导意义。