谦比希复杂铜矿床开采联合支护技术实践

王 耀

(大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 黄石 435005)

1 前言

赞比亚谦比希铜矿是世界著名的沉积岩型矿床，1998年被中国有色集团收购，矿山现由中国有色非洲矿业有限公司经营管理。谦比希铜矿井下开采主要有主矿体和西矿体。

谦比希主西矿体突出特点水大，统计每天排水量近50 000m3，井下岩体裂隙发育、岩石较为破碎，局部地区地应力较大，地压显现给矿山安全回采带来了较大威胁，必须采取可靠支护工艺才能确保矿山安全回采。

2 矿山基本情况概述

2.1 工程地质条件

谦比希主西矿体矿石储量大，矿体走向约2 000m，向下延伸超过1 000m，平均厚度约8～20m，属于中厚矿体。矿石含铜主要以硫化铜、斑铜矿等形式存在，地质品位约2.2%，矿石密度约2.7kg/m3。

矿床自下盘开始为底盘砾岩、长石石英岩、中砾岩剪切带、泥质石英岩、基底花岗岩、含矿页岩、白云质片岩板岩、石英岩底板(隔水层)、含水层。区内含矿页岩可以进一步划分为三部分，即底板片岩、泥质板岩矿体和顶盘矿化泥质板岩。岩层中发育石英、白云石、方解石脉。该层形成剪切带，斑铜矿和黄铜矿形成豆夹状的角砾，并被白云石泥质片岩包裹。

谦比希矿体和围岩硬度较大，但层理极其发育，层理面有充填蚀变矿物质，结合和黏结性差，岩体整体完整性很差，在这种大水的矿床中，水对层面胶结物有软化和水化作用，强度会进一步降低。一些含砂岩和砾岩层在有水情况下，在没有“包裹”或阻挡情况下，像泥石流一样流出。因此采矿作业之前必须进行矿床疏干，确保矿体或岩体能够处于相对稳定状态。

根据谦比希铜矿现场工程揭露和研究结果，将采区周边围岩划分为五个工程地质岩组:基底花岗岩组、长石石英岩组、矿化板岩、砾岩组、砂层。采用RMR分类标准，上述工程地质岩体分级见表1。

表1 岩体质量分级结果

评价结果：主要工程岩组的稳定性状况为基底花岗岩、长石石英岩Ⅱ级，稳定性良，矿化板岩、砾岩和砂层为Ⅴ级，稳定性劣，应加强支护，确保安全回采。

2.2 矿山井下开采情况

谦比希矿年生产能力约200万t矿石，其中主矿体100万t，西矿体100万t，主西矿体均采用竖井和斜坡道联合开拓，主矿体中段高度200m，西矿体中段高度150m，斜坡道连接各分段巷道，分段内矿块沿矿体走向布置；井下机械化作业程度比较高，主要作业设备有凿岩台车、装药台车、大型铲运机、支护台车、湿喷台车等。

根据工程地质条件不同，井下主西矿体分为几大采区，分别采用了不同的采矿工艺方法。主要有：(1)主矿体500m中段东采区(矿体倾角30°～45°)，矿体水基本疏干，上向水平分层充填法采矿；主矿体500m中段西采区(矿体倾角45°左右)，矿体水相对疏干，无底柱分段崩落法采矿。(2)主矿体700m中段东采区(矿体倾角约60°)，矿体水基本疏干，上向水平分层充填法采矿；主矿体700m中段西采区(矿体倾角60°左右)，矿体水相对疏干，空场嗣后充填法采矿。(3)主矿体900m中段东采区(矿体倾角约80°)，矿体水相对疏干，上向水平分层充填法采矿；主矿体900m中段西采区(矿体倾角80°左右)，矿体水相对疏干，空场嗣后充填法采矿。(4)西矿体采区(矿体倾角30°左右)，矿体水相对疏干，上向水平分层充填法采矿。

3 矿山井下联合支护工程实践

3.1 矿山地下开采岩石地压显现特征

谦比希矿井下采场与巷道主要破坏方式：①在结构面相对完整的岩体中，由于岩体节理切割作用，岩石失去整体性而变得松动，形成楔形体冒落；②在节理发育的软弱地层以及水侵蚀的岩体，巷道顶部存在冒落，巷道两侧片帮现象；③在层理发育的层状岩体中，上盘围岩岩体沿层理弱面发生剪切破坏或拉坏，形成局部塌落；④裂隙有砂砾岩充填物的岩石中，因充填物胶结强度差，造成局部范围垮落；⑤“十”型交叉巷道结构型的垮落。

3.2 地下采矿支护方式分类及支护原理

地下开采按照支护特性主要分为刚性支护和柔性支护。

(1)刚性支护。能密贴围岩或深入到岩体内部，有效地发挥围岩自承能力，允许围岩有一定变形而不破坏，甚至同被加固的岩体作整体运动时仍能保证相当大支护抗力的支护措施。包括锚杆支护、喷射混凝土支护及喷锚(网)复合支护等。

(2)柔性支护。为限制围岩位移过大、防止有害松动、保持围岩稳定性而采取的支护措施。包括钢支撑、木支撑、混凝土衬砌及覆喷混凝土等。主要作用是提供大于围岩发生破坏产生的最小松动压力的支护抗力，从而提高支护安全度。

以上几种支护方式支护原理[1]如下：

1)锚杆支护

锚杆支护作用理论主要有3种：①悬吊作用，即锚杆将矿岩表面的不稳定岩层或者岩块，通过杆体悬吊在深处基岩上，使其不脱落，适用于采场顶板整体性较好的岩层；②组合梁作用，即采场顶板如果是层状岩层，锚杆将若干薄岩层锚紧，使层间摩擦力和顶板抗弯强度增大，以增加顶板的稳定性，适用于沉积岩层；③挤压加固作用，即在发育岩体岩层中，在锚杆预应力作用下，使顶部破碎区域岩块互相挤压一定厚度的连续均匀压缩带，压缩带不仅维持自身稳定，而且有承载能力，适用于节理裂隙破碎岩体。

2)锚索支护

锚索不单纯具有悬吊作用，在一定程度上，锚索的作用机理与锚杆是一致的，具有悬吊、挤压加固等作用，锚固作用范围比锚杆更大，一般用于加强支护。

3)金属网支护

金属网一般是在岩石十分破碎情况下使用，可以有效预防顶板碎石的冒落，金属网可以把大量锚杆联结在一起，增加了整体稳固性。

4)喷浆支护

喷浆支护主要有3种作用：①结构作用(加固、组合)，即喷层具有良好的物理力学性能，抗压强度较高，因此能起到结构支撑作用同时由于喷层具有一定的柔性，可以产生一定变形；②封闭作用，即喷层封闭围岩表面，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止风化作用所造成的围岩破坏和剥落；③充填作用，喷射混凝土以很高的速度射入岩体张开的节理裂隙，把松动的岩块黏结、充填起来，产生黏结作用，大大提高围岩的整体性和强度。在喷浆材料里加入一些纤维、钢纤维等，喷层表面抗拉强度更高。喷射混凝土在一定程度上改善了围岩的应力状态围岩由二向应力状态转化为三向应力状态。

5)工字钢支架以及可伸缩U型拱钢支架支护

钢支架支护具有可缩性和稳定可靠的承载能力，支架施工方便，维修量小，支架回收复用率高，减少竹材、木材使用，环保效益十分明显，其中U型钢支架是根据拱形受力特点匹配支护巷道顶压，对巷道支护效果更明显。

3.3 联合支护技术工艺

1)联合支护方式选择

满足安全生产的要求，基于谦比希矿井下地压显现特点，根据支护原理，选择联合支护方式。

(1)第一种岩体楔形体破坏主要发生在上向水平分层充填法采场，选择柔性支护方式，即锚杆+金属网支护，锚索加强支护。

(2)第二种岩体破坏主要发生在一般巷道或者采场凿岩巷道，选择柔性支护方式，即锚杆+金属网支护，局部区域湿喷支护。

(3)第三种岩体破坏主要发生在作业采场，选择柔性支护方式，即锚杆支护，锚索加强支护。

(4)第四种岩体破坏主要发生在高应力区的崩落法采场，采用刚柔并济支护方式，即先采用锚杆+锚索支护，然后在顶板裂缝区域钢支架支护，钢支架与顶板之间空区联结用木支护接顶。

(5)第五种岩体破坏，优化施工巷道形状，采用“丅”型交叉巷道代替“十”型交叉巷道，区域内采用柔性支护方式，即锚杆+金属网支护，锚索加强支护。

井下支护施工过程中，对于岩石较差区域锚杆支护采用“两掘一支”，充分利用岩石自身稳固性实现支护强度，提升支护效果。

2)支护设计

为确定锚杆适当的锚固强度与深度，必须先确定巷道潜在的冒落拱高度。设计采用普氏冒落拱理论[2]模型计算。

如图1所示，令巷道宽为2b1，高为h0，冒落形成的压力拱跨度为2b2，拱高为h，根据普氏压力拱理论，则有

(1)

(2)

同时可以推算巷道顶部压力为

(3)

当2b1=6 m，h0=4 m，γ=26.7 kN/m3，fk=2.5，φk=65°～70°时，h=1.52 m。

图1 普氏冒落拱示意图

锚杆长度可由式(4)确定

L=La+Lb+Lc

(4)

式中：L——锚杆总长度，m；

La——锚杆深入到较稳定岩层的锚固长度，m；

Lb——需要悬吊的不稳定岩层厚度，m;

Lc——上托板及锚具的厚度，取150mm。

锚固段长度La可由式(5)计算

(5)

式中：K——安全系数，一般取为2；

d——锚杆的直径，取22mm；

fs——锚杆的抗拉强度，取455MPa；

fc——锚杆与水泥浆的黏结强度，取7MPa。

则砂浆锚杆总长L=715mm+1 520mm+150mm=2 385mm，取2.4m。

锚杆支护密度，可用式(6)计算

(6)

式中：N——锚杆数目；

K——安全系数，取2；

P断——锚杆最低破断力，设计为150kN；

W——每米巷道的静压力。

计算得出N=4根。

砂浆锚杆排间距可由式(7)进行计算

(7)

式中：a——锚杆间、排距，m；

G——锚杆设计锚固力，取100kN/根；

K——安全系数，一般取1.8；

Lb——有效长度，即冒落拱高度，取1.52m；

γ——岩体容重，取27kN/m3。

将上述参数代入式(4)中进行计算，得a=1.16m，即锚杆排距取值1.2m。

同样理论计算方式，加强锚索支护计算取值：长度L=5m，锚索每排数目N=2根，排距a=3m。

喷浆厚度选择：一般中等稳固区域喷层厚度为30～50mm；稳定性较差区域喷层厚度大于50mm。

3) 支护管理

谦比希矿井下支护采用锚杆台车、锚索台车、湿喷台车等机械化设备，降低了人工劳动强度，提高了作业效率，保证了人员的安全。为了方便施工管理，谦比希矿制定了井下支护制度，包括敲帮问顶、支护范围、支护质量、特殊支护要求、支护验收管理办法等。在日常管理过程中落实各项支护管理办法，确保了井下支护质量和进度，同时针对复杂地质条件下支护，现场技术和管理人员制定临时方案措施，并监督实施。

4 结论

(1)谦比希矿复杂岩体支护做了大量现场的地质调查，对岩体质量进行了科学分级等重要研究工作；以现场工程实践为依据，认真总结分析岩体失稳机理，为支护方式选择提供基本遵循。

(2)谦比希矿针对井下岩体失稳机理，从支护原理出发，选择了合理的联合支护方式；以科学计算为依据，为井下安全支护提供可靠的支护参数，解决了复杂难采矿体支护难题，实现了矿山安全回采，对其他矿山安全支护回采有重要借鉴意义。