香炉山钨矿东部采区运输系统优化研究

万林海，薛小蒙

(1.江西省修水香炉山钨业有限责任公司， 江西 九江市 332400；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012，3.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

香炉山钨矿为地下开采，以16 #勘探线为界划分东、西2个采区。东区为原主采区，采用平硐开拓，铲运机装载，汽车运输，采矿方法主要是留不规则点柱、条柱的全面法，现已形成大规模复杂采空区，处于采空区处理与残矿回采阶段[1-2]。长期以来，香炉山钨矿十多家民营企业无序的开采导致井下东部采空区高大杂乱且无处理，至2019年底，东部形成的采空区体积约为 3×106m3，巨大复杂采空区群成为了矿山的安全隐患。香炉山钨矿东部高大采空区顶板情况光凭肉眼观察不到，随着暴露时间的增加，顶板受到地压活动和风化作用的影响，顶板的稳定性下降[3-4]。然而，香炉山钨矿东部生产运输及行人基本上是在采空区下进行，存在巨大的安全隐患。

1 现状条件

香炉山钨矿为矽卡岩型白钨矿床，具有储量大，矿石品位高，矿体厚度大，倾角缓等特点，矿体及顶底板围岩稳固，矿体分布范围广，连续性好，矿体及围岩含水率低，开采技术条件好。1W 矿体为主矿体，长1250 m，倾斜长576 m。矿体埋深 40 m～300 m，矿体标高358 m～658 m。矿体产状与香炉山背斜一致，轴部倾伏角为10°～25°，北西翼平均倾角为7°，南东翼平均倾角为38°。矿体厚2.55 m～45.59 m，其中轴部厚度最大，向两翼逐渐变薄。在轴部矿体平均厚度25.83 m，南东翼平均厚度6.53 m，北西翼平均厚度9.06 m。

东部采区采用平硐开拓，铲运机装载，汽车运输，所用的采矿方法基本上为留不规则点柱、条柱的全面法，也类似于房柱法，采场净空跨度10 m～30 m 不等，井下矿柱分布不均，部分顶板暴露面积过大，矿体回采多沿底板掘进，许多采空区顶部矿体残留，致使对顶部残矿开采难度极大。由于多年的开采，井下存在大量采空区未处理，对矿山生产及周边都是一个很大的安全隐患，东部采区目前主要在进行残矿回采[5-6]。

2 运输系统整治方案

高大采空区顶板情况凭借肉眼观察不到，随着暴露时间的增加，顶板受到地压活动和风化作用的影响，顶板的稳定性下降，出现开裂、浮石等情况，然而顶板检查难度大，大规模处理存在盲目性，因此，处理难度大。而东部生产运输基本上是在采空区下进行，高大采空区下人行和车辆运输存在巨大的安全隐患。针对东部运输问题，初步得出了以下方案。

2.1 优化运输线路

随着东部充填量不断增加，部分区域已经完成充填结顶，局部顶板安全隐患已经解除，原来老的运输线路出现顶板冒落、矿柱开裂等安全问题。因此，根据现有情况，优化调整矿山原有的运输线路非常重要。运输线路的优化应结合微震监测数据、现场勘查、充填采矿计划等，合理调整危险区域路线，严格划出危险区域，禁止通行。运输线路优化的宗旨是调整危险区域路线，选择安全区域通行，划分危险区域范围，禁止通行。

2.2 充填运输通道两侧采空区

运输通道采空区顶板不高，顶板情况可以观察，能够处理。通过充填运输通道两侧的采空区，增加运输通道两侧充填结顶率，使运输通道两侧点柱与充填体形成一个整体，共同支撑顶板的压力，有效降低原单个矿柱的荷载，确保运输通道顶板及矿柱的安全。运输通道两侧空区充填方案见图1。

图1 充填运输通道两侧空区方案

2.3 混凝土人工假巷安全通道

在采空区运输路线上提前构筑混凝土巷道，形成混凝土人工假巷，人员和运输均从人工假巷内通行。混凝土人工假巷上部采空区可以根据充填能力一并充填或者滞后充填。充填体内混凝土人工假巷运输通道方案见图2。

图2 充填体内混凝土人工假巷运输通道方案

2.4 脚手架简易安全通道

临时脚手架简易安全通道方案能够有效阻挡顶板浮石冒落对通行人员和车辆的伤害，方便可靠，施工简单，速度快，且材料可以重复使用，成本相对低廉。对于充填能力有限或者非永久性的运输通道具有很好的实用性，并且能较好地解决矿山安全通道成本问题。

3 充填体下人工假巷选择

高大采空区内运输通行安全问题一直是矿山安全生产的关键问题。由于矿山历史原因，井下不完全是巷道式的人行运输安全通道，东部采区人员通行和运输不可避免地在原来高大老采空区下进行，给矿山安全生产带来巨大的隐患。充填治理现有运输通道两侧的空区不能解决高大采空区通行的问题，掘进新的运输通道亦不具备相应的现场条件，为此，研究提出了充填体下人工假巷方案，通过在运输通道上提前构筑混凝土人工假巷，形成系统的人行、运输、通风通道，然后对采空区进行充填治理，通过充填体支撑顶板，防止顶板塌陷对运输巷道的破坏，彻底地解决高大采空区内的通行问题。

3.1 人工假巷方案

本研究提出了充填体内预留钢拱架假巷方案、充填体内预留混凝土假巷、充填体内预留钢板假巷、充填体内巷道爆破掘进与支护 4种人工假巷方案。

（1）充填体内预留钢拱架假巷。在空区底板构筑人工假巷，对凹凸不平的空区底板应提前进行碎石混凝土铺设和表面平整。人工假巷断面采用井下现有巷道断面规格（宽3 m×高2.8 m），形状为三星拱。采用 U 型钢组成假巷骨架，间距为0.8 m。钢架之间采用钢板连接，钢架内附有防止侧向变形的横撑。

（2）充填体内预留混凝土假巷。在空区底板构筑人工假巷，当空区底板凹凸不平时铺设碎石混凝土。木模板和钢筋组成骨架，在安全区域预制模铸混凝土，形成钢筋混凝土假巷。以钢筋混凝土假巷为安全掩护，由安全地点出发、前进式进行假巷的现场装配。巷道净断面规格为3 m×2.8 m，形状为三星拱。模筑钢筋混凝土厚度为30 cm，强度等级为C30，钢筋采用Φ20螺纹钢，网度为25 cm×25 cm。

（3）充填体内预留钢板假巷。在空区底板构筑钢板假巷。钢板采用圆形断面，直径为 3.5 m，钢板厚度为2 cm。从巷道底板起，满足钢板假巷稳定的充填体参数为5 m 厚度、1 MPa强度。为了避免假巷钢筋混凝土拱承受较大压力，每次充填高度不大于 0.5 m，待每次充填体凝固并达到一定强度后方可进行下次充填。

（4）充填体内巷道爆破掘进与支护。首先对空区进行充填，而后在充填体内预定位置进行巷道的爆破掘进与支护。设计采用锚杆、锚网与喷射混凝土联合支护方式。混凝土喷层厚度为100 mm，锚杆布置方式为全断面布置。

3.2 充填体内假巷设计方案优选

不同假巷对充填体的力学强度要求有较大差别。以假巷充填层充填500 m3为例（见表1），随着充填体强度从1 MPa提升至3 MPa，假巷层充填费用将由2.7万元增加至6万元，充填成本为假巷施工直接成本的 10倍以上。因此，适当增加假巷支护费用、降低充填费用为假巷设计的出发点。

表1 假巷稳定的充填成本费用

（1）预留钢拱架假巷。优点是预设假巷，避免爆破掘进对充填体的破坏；模板预埋锚杆、锚网，易与充填体形成整体；柔性封闭、脱水效果好。缺点是钢拱架对周边充填体强度要求较高，安全性低。假巷成本为 4446元/m，假巷层充填成本增加9524元/m。

（2）预留混凝土假巷。优点是预设假巷，避免爆破对充填体的破坏；钢筋混凝土强度大，抗压和抗拉性能均较好；对周边充填体强度要求不高；安全性较高。缺点是钢拱架、木模板施工较复杂。假巷成本为4840元/m，假巷层充填成本没有增加。

（3）预留钢板假巷。优点是预设假巷，避免爆破对充填体的破坏；避免人员直接在空区内作业；钢板强度大，抗压和抗拉性能均较好；钢板加工简便；安全性较高。缺点是全断面钢板成本较高，且圆形巷道断面空间利用率低。假巷成本为 6319元/m，假巷层充填成本没有增加。

（4）巷道爆破掘进与支护。优点是避免人员进入空区作业，安全性好。缺点是爆破开挖，支护成本高；对充填体强度要求高。假巷成本为 4896元/m，假巷层充填成本增加26 667元/m。

在技术和经济上比较4种充填体内假巷方案，方案1难以避免空区内作业，方案4爆破掘进重新开挖成本高，而方案2、方案3钢筋混凝土、钢筒力学性能好，强度高，可降低周边充填体强度要求，且能提供井下施工掩护，而钢筒全断面钢板成本较高，且圆形巷道断面空间利用率低，施工成本较钢筋混凝土高，因此本次推荐充填体内预留钢筋混凝土假巷方案。

4 结论

（1）井下高大采空区复杂的现场环境，运输系统优化研究是一项复杂的系统工程，单一的实施方案和方法不能解决问题，需要进行系统的研究，并针对不同的现场情况，结合矿山实际条件，提出相应的解决方案。

（2）借鉴破碎软岩支护的经验，矿山成功引入混凝土人工假巷，通过在采空区内提前构筑混凝土人工假巷，然后及时对空区进行充填治理，有效解决了高大采空区下的运输和通行问题。混凝土人工假巷能够形成规整的运输通道，假巷上部的充填体能够有效缓冲顶板岩石冒落对假巷的破坏，通过充填接顶有效支撑顶板，人员和矿石运输在混凝土人工假巷内进行，安全性得到极大的提高。

（3）混凝土人工假巷，为高大采空区下的运输和通行提供了行之有效的方法。目前，充填体内混凝土人工假巷试验已经在东部采区完成，通过构筑混凝土人工假巷，局部区域的井下主运输通道不再有高大采空区，实现了巷道内通行和运输，安全性得到极大提高。混凝土人工假巷将会在东部采区逐步推广应用，经过高大采空区的东部主要运输通道将获得安全保障，整个东部采区运输和通行将会更加规范和合理，从而有效保障东部采区的安全生产。