北洺河铁矿断层破碎带区域巷道掘支施工技术

周超群

(五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 邯郸 056300)

北洺河铁矿位于河北省武安市上团城村北东约1 km处，矿区范围2 km2，全矿床地质储量为7 909.71万t，矿区共8个矿体，Fe7为主矿体，Fe6次之，是“九五”期间国家批准建设的唯一一座大型地下黑色冶金矿山。矿床产于燕山期闪长岩与奥陶纪石灰岩接触带，为接触交代型磁铁矿床，地质条件与水文地质条件复杂。采用无底柱分段崩落采矿法，进路垂直矿体走向布置，联巷沿矿体走向布置，阶段高度120 m，分段高度15 m，进路间距18 m，上下分层进路菱形布置。地表高程+284 m，采矿作业面位于-185、-200 m水平，-215 m水平正在进行采准工程施工。

1 矿床地质与水文地质条件

北洺河铁矿位于武安矿田的北端，武安断陷盆地西缘，NNE向玉泉岭-矿山村-綦村断裂束的西侧，产于中奥陶统石灰岩与燕山期闪长玢岩接触带，为一接触交代矽卡岩型铁矿床。北洺河铁矿埋藏于北洺河河床之下，地表为第四系黄土和河床流砂卵石所覆盖，局部出露有中奥陶统马家沟组石灰岩，燕山晚期中酸性二长-闪长岩类侵入，穿插石灰岩体，产生蚀变。矿石主要为磁铁矿，矿体顶板主要为灰岩，底板为闪长岩，矿体埋深134～679 m，横剖面上为一大小不等的透镜体。矿体长1 620 m，宽92～376 m，属大中型矿床。地质构造以褶皱为主，断层次之。矿石密度3.91 t/m3，岩石密度2.7 t/m3，松散系数为1.6。矿石硬度系数8～12；岩石硬度系数6～8(顶板)和8～12(底板)。

矿床全部埋藏在地下水位之下，顶板及围岩为奥陶统石灰岩岩溶裂隙含水层，为水文地质极为复杂的岩溶裂隙充水矿床。

矿区矿石自然类型的划分，主要根据金属矿物及脉石矿物的种类，相对含量及其结构、构造等特征来确定。主要为块状磁铁矿石、浸染状磁铁矿和条带状磁铁矿石三种。稠密浸染状及块状矿石构成低硫富矿及高硫富矿，TFe品位较高，而稀疏浸染状及条带状为贫矿。

工作区内TFe平均品位为48.90%，mFe平均品位为46.33%，为需选铁矿石，按矿石中磁性铁占有率分类，其磁性率为94.74%，为磁性铁矿石。

2 F3断层简介

矿体东部MB4勘探线到MB5+25勘探线之间存在一条较大的F3断层，该断层成因复杂，由起初的正断层经构造运动改造为具有逆冲性质的平移断层。断层为一产状为NW307°∠65°，垂直滑距8.9 m，水平滑距17 m的压扭性断层。

该断层在多水平均有揭露，综合已有资料，伴随该断层的主断面分布一条宽约10 m的破碎带，该破碎带宽度较稳定，但破碎带中岩石的破碎程度稍有差异，在与其他优势构造方向交汇处，岩石破碎严重。破碎带岩石类型由断层两盘岩性控制，主要为磁铁矿、闪长岩及灰岩岩块，块度大小不均、较松散，排列基本规则；岩块普遍轻度至中度风化，岩块保持原岩结构构造，质软，有黄泥充填。因该部位地下水活动，岩石风化严重，工程地质条件差，工程围岩极易塌方冒顶[1]。

3 工程现状及方案制定

3.1 工程现状

北洺河铁矿井下F3断层通过已揭露的工程发现，该断层自-110 m水平一直延伸至-245 m水平以下，自北向南贯穿整个矿体，在-185 m及以上水平掘进施工至该断层时通常采用U型支架与超前锚杆护顶的方式贯通F3断层区域巷道，局部严重破碎区域采用渗透注浆胶结松散体后再施工U型支架与超前锚杆，均顺利贯通F3断层区域。

随着采掘活动不断向深部转移，地应力不断增大，-200 m水平13#联巷在掘进施工接近断层破碎区域前，掌子面闪长岩已出现蚀变破碎，在施工过程中采用U25型支架短掘短支“一炮一米，一米一支”，U型支架跟进至掘进掌子面，为避免掘进爆破冲击波将U型支架冲倒，采用在支架立腿两侧施工多排开缝锚杆的方式对U型支架进行二次加固。但在13#联巷东部掘进掌子面施工至断层破碎带时发生塌冒，塌冒矿岩从掌子面向外涌出约6.2 m，将整个巷道堵死，现场观察围岩为蚀变闪长岩，松软破碎，大部分已破碎为粉末状，个别岩块一捏即碎。根据塌方现场测算，塌方散体约150 m3以上，且推测顶板以上塌冒空区高度在5 m左右，已无法采用原掘支方式进行施工。

3.2 方案制定

因-200 m水平13#联巷断层破碎塌方区对应上分层-185 m水平外联巷位置，可在-185 m水平对应塌方区域施工探空孔确认塌冒范围后，对塌冒空区进行混凝土浇灌，将整个塌方空区完全充填密实；待混凝土凝固后，从上部施工注浆孔，采用渗透注浆的方式对破碎岩体及塌方散体进行预加固，提高围岩的承载力[2]；待注浆凝固后，采用U型钢支架与超前锚杆护顶联合支护的方式进行掘支施工。工程现状如图1所示。

4 方案实施

4.1 塌方空区探测及浇筑

从-200 m水平塌方空区对应的上水平-185 m水平外联巷斜向下施工空区探测孔(图2)。根据探测出的塌方范围，制定采用钻孔注浆或爆破崩透塌方区后直接浇筑混凝土的方式对塌方空区进行充填。本次探测出的塌方空区位于-185 m水平外联巷底板1 m以下位置。因此，采用爆破崩透空区浇筑混凝土的方式对塌方空区进行浇筑充填。

在施工探测孔前需根据上下水平揭露的围岩性质及现场实际情况综合分析判断，初步对塌方范围进行估判，选择安全施工地点，避免在塌方空区上方支钻施工时，一旦塌方高度临近上水平底板时，容易出现施工过程中底板冒落，造成人员伤亡事故。

4.2 渗透注浆胶结加固断层区域破碎岩体及塌方松散体

渗透注浆是采用中低压将水泥浆液压注到松散破碎孔隙内，基本不改变原岩结构和体积，凝固后将破碎岩体胶结为密实整体，达到加固围岩的目的[2]。

针对-200 m水平13#联巷断层区域破碎岩体及塌方松散体，在对塌方空区浇筑完混凝土并凝固28 d达到设计强度后，在13#联巷对应上水平-185 m外联巷垂直向下施工注浆孔。由于断层区域围岩严重破碎且节理裂隙发育，在钻进时难以成孔，因此采用分段前进式注浆方式，即从孔口开始，钻进一段、注浆一段，然后再继续钻孔、注浆，直至孔底最后一段注完为止。每次钻孔注浆的分段长度可根据围岩情况确定，一般为3～5 m，本次根据以往预注浆经验选取2 m，并在孔口管上安装法兰盘进行止浆。注浆孔间距1.5 m，注浆时，压力由小逐渐增大，在达到设计压力5 MPa或压力突变时，停止注浆，拆除孔口法兰盘，并用铁板焊接封闭孔口后，进行第二个孔的渗透注浆，依次注浆至围岩稳固区域后为止。全部孔注浆结束后凝固周期为28 d[3-4]。图3为渗透注浆孔施工示意图，图4为止浆墙剖面示意图。

为防止浆液在压力作用下从掘进掌子面溢出形成导通通道，造成注入的浆液从导通通道不断溢出，未能在裂隙及破碎松散体内有效扩散，达不到胶结破碎松散体的目的，需要注浆前在掘进掌子面修筑钢筋混凝土止浆墙，以保证注浆效果。

钢筋混凝土止浆墙应尽量选择在无水、岩层相对坚硬的位置，如有水应预先施工泄放水孔对周边围岩进行放水处理，清理止浆墙位置内的一切杂物。为减少注浆量，降低注浆成本，止浆墙应尽可能靠近掌子面，并利用废渣或废石将止浆墙和掌子面之间的空区进行充填。

止浆墙厚度计算可参考《采矿手册》(冶金工业出版社，1988)第六卷中三心拱矩形隔水墙厚度计算公式，本次根据以往施工经验值取止浆墙厚度为2 m。在止浆墙施工部位的巷道四周施工3排1.6 m空心锚杆，锚杆排距、间距均为0.5 m，锚杆打入墙内0.8 m，外露0.8 m，在每排锚杆上编制钢筋网后，用水冲洗岩帮及底板，开始止浆墙的浇筑工作。为确保止浆墙的稳定，将止浆墙嵌入巷道500 mm以上。止浆墙养护天数不少于28 d。

在设计止浆墙时，可根据周边围岩情况设计矩形、楔形、连续楔形墙等方案。

4.3 施工注浆检查孔

为确保注浆效果，需施工检查孔进行验证，对不符合注浆加固效果的区域可利用检查孔进行二次渗透注浆胶结加固。

检查孔采用Φ75 mm，共设计三组，每组5个钻孔。平面图上1、2、3为三组检查孔，第一组检查孔布于工作面中心，方位与巷道中心线保持一致。第二组和第三组检查孔与巷道中心线成4°夹角；剖面图表示的是每一组检查孔的5个钻孔，每两个检查孔之间的夹角成8°～10°，根据注浆和断层破碎带区域的范围确定，原则上全方位控制。

4.4 超前锚杆与U型钢支架联合支护方式掘支施工

通过检查孔确认顶板围岩稳固后，采用超前锚杆与U型钢支架联合支护方式向前掘支施工[5]。

施工顺序：掘进→出渣→临喷封闭掌子面→U型钢支架支护→加固U型支架立腿→对开木充填支架两帮空隙→U型钢支架顶部施工4 m长超前护顶锚杆→钢支架内侧挂网喷浆→进入下一个循环。

1)掘进施工时全断面爆破，炮眼深度以不超过1.0 m为原则，确保爆破后超前护顶锚杆置于爆破后掌子面实体内长度为2～3 m，周边眼间距控制在500 mm以内，装药孔单孔装药量不超过2卷(600 g)，严格遵循周边孔“多打眼少装药”的施工原则。

2)掘进爆破后进行出渣，出渣后需及时喷浆封闭掌子面，防止局部区域注浆加固不到位造成二次塌冒，临喷厚度一般选择50 mm。如出渣过程中发现掌子面有冒落迹象，则立即停止出渣并及时临喷封闭掌子面，待稳固后再进行出渣作业，出渣时要少量多次。

3)进行U型钢支架支护，U型钢支架间距0.6～0.8 m。安装时，对立腿处巷道底板进行清理，确保支架立腿落在巷道基岩上。支架立腿确保竖直立正，卡缆螺丝紧固到位。U型钢支架之间采用9道Φ16 mm的螺纹钢连接，均匀布置，围岩稳固性较差时，可在U型钢支架之间焊接Φ32 mm圆钢的方式或在支架立腿两侧施工空心锚杆卡住支架的方式进行支架加固。U型钢支架与围岩之间采用对开木充填密实，并将紧靠U型钢支架部位的对开木用铁丝牢固绑扎在U型钢支架上。

4)在U型支架起拱以上施工长度为4.0 m的钎杆或圆钢进行超前护顶。插杆间距可根据围岩破碎情况确定，在裂隙发育区域可选择150～200 mm，围岩较为破碎时可选择密排钎杆，围岩严重破碎时可选择多层超前插杆护顶的方式，钎杆施工上扬角度不大于5°，插杆进入实体内长度3.0 m，外漏1.0 m，插钎外漏部位位于两架U型钢支架之间。

5)U型钢支架挂网喷浆，喷浆厚度不小于200 mm，确保支架立腿置于喷浆层内。

5 结论

1)北洺河铁矿断层破碎带区域巷道掘支施工技术是结合矿山实际情况探索出的一种安全、可靠的联合支护施工方案，保证了-200 m水平13#联巷的顺利贯通。适合在矿山井下地质条件差、围岩严重破碎不稳固的岩层中进行巷道掘支施工。该联合支护方式支护后的巷道稳固性好、服务年限长，是一种可供中小矿山借鉴的掘支施工技术措施。

2)方案中实施的掘支技术措施，其他井下矿山可根据自身矿山实际情况，借鉴其中部分支护措施，提高自身矿山支护质量。