复合型支护技术在甲玛铜多金属矿软弱破碎岩体掘进中的应用

赵海洋

摘要：针对软弱破碎岩体，目前已形成了多种支护施工工艺，极大地保证了巷道掘进及使用过程中的安全。由于甲玛铜多金属矿特有的地质成矿类型，在巷道掘进施工中存在大量不良工程地质体，给地下工程的安全施工与使用造成了极大的困难。在对甲玛铜多金属矿区软弱破碎岩体工程地质进行充分研究的基础上，提出了中深孔注浆、小导管注浆、超前小管棚等裂隙岩体加固方式，并最终形成了复合型巷道支护技术，成功应用在甲玛铜多金属矿开拓工程支护过程中，取得了良好的工程效果。

关键词：溶蚀密集;软弱破碎岩体;复合型支护技术;巷道掘进;注浆;管棚支护

中图分类号：TD353文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）07-0050-04doi：10.11792/hj20210710

引 言

西藏华泰龙矿业开发有限公司主要开发建设甲玛铜多金属矿（下称“甲玛铜多金属矿”）采选技术改造工程项目。甲玛铜多金属矿位于西藏自治区拉萨市墨竹工卡县甲玛乡境内，海拔4 000～5 407 m，矿权面积144 km2。甲玛铜多金属矿区受高寒高海拔等客观条件的制约，矿岩节理裂隙相对比较发育，尤其发育由溶蚀裂隙填充碎石土形成的破碎松散岩体及以溶蚀流沙层为代表的软弱破碎岩体，该种岩体支护难度大，支护成本较高。矿山针对该种软弱破碎岩体采取了部分支护措施，但这些措施表现出过度支护费用高、支护不当致井巷垮塌及支护不系统、针对性不强等突出问题，给矿山安全生产和经营造成巨大压力。

以软弱破碎岩体比较集中的甲玛铜多金属矿二期工程采矿一、二、三标段及4 400 m中段开拓采准巷道为研究对象，针对软弱破碎岩体的软弱、破碎、松散等特点，基于井巷稳定性研究结果，总结出适应于不同分类软弱破碎岩体的稳定性控制对策和支护方案方法。

基于软弱破碎岩体现场调查分析、三维岩体质量分区分类、稳定性对比研究和工业试验的综合研究，建立形成基于多因素影响评价所对应的支护方式选择的完善、简洁、科学、合理的支护体系，实现支护结构与围岩相互作用达到最优的耦合支护效果[1]，形成高效的科学支护体系，在巷道支护方面为矿山降本增效提供有力的技术支持和保障。

1 工程概况

甲玛铜多金属矿二期工程总规模为1 650万t/a（50 000 t/d），目前基建工程已全部施工完成。二期工程采用露天—地下联合开采。其中，露天开采位于矿床上部的角岩型、矽卡岩型矿体，地下开采露天开采范围外的矽卡岩型矿体。地下开采采用平硐—胶带斜井+辅助斜坡道+辅助提升竖井开拓方式，划分为南、北2个采區开采。前期开采北区，生产规模为540万t/a。后期南、北2个采区联合开采，生产规模为660万t/a。采矿工艺前期以空场嗣后充填、两步骤充填为主，后期以空场采矿法、崩落采矿法为主。

目前，二期工程地下开采基建工程已基本施工完成，实际揭露矿岩条件较原始地质条件差，基建中段存在大面积氧化破碎带，氧化破碎带矿量占比36 %。由于甲玛铜多金属矿复杂的成矿类型，地质构造较为发育，存在大量岩溶裂隙、断层破碎带、岩石崩塌等不良工程地质体，给地下工程的安全施工和使用造成了极大的困难。

甲玛铜多金属矿井巷围岩以大理岩、角岩、灰岩、矽卡岩及大理岩化矽卡岩为主。围岩主要为坚硬—较坚硬Ⅲ类，工程性质较好，但局部区域受溶蚀裂隙、风化等影响，岩体破碎、质量差。甲玛铜多金属矿二期工程地下开采范围内二、三标段普遍分布有破碎氧化带，该氧化带中Cu品位较高，约1 %，伴生Au、Ag及Mo等金属，呈现品位高、氧化率高、节理裂隙发育、水文地质简单等典型特征，对掘进与采矿等作业均具有很大影响。甲玛铜多金属矿典型岩体角岩近地表裂隙率1.73 %，钻孔裂隙率0.01 %～3.78 %，裂隙率具较高水平。矿区一般近地表裂隙比较发育，而深部裂隙不发育，这是岩石在地表及近地表受风化和岩层发生褶皱所致。甲玛铜多金属矿床受控于甲玛—卡军果推覆构造系与铜山滑覆构造，造成二期工程开采区域分布不同规模的破碎带，严重影响区域巷道的稳定性。甲玛铜多金属矿床工程地质类型属以平硐冒顶、坍塌为主要工程地质问题的矿床。工程地质勘探类型属第三—四类，工程地质复杂程度属中等型。矿床水文地质类型属半干旱区岩溶充水矿床类，溶蚀裂隙充水矿床亚类，底板直接充水矿床;水文地质勘探类型划分为第二型，水文地质条件中等。

2021年第7期/第42卷  采矿工程采矿工程  黄 金

2 裂隙破碎带围岩加固技术

为克服不良地质条件下因开挖而引起的大变形，防止围岩因过度变形而产生坍塌[2]，发生塌方事故，需加固围岩或阻止围岩变形。依据RMR岩体质量评价指标，根据甲玛铜多金属矿的三维岩体质量评价结果，大部分岩体为Ⅱ、Ⅲ级，岩体质量相对较好，以节理化的灰岩、大理岩和矽卡岩为主，且节理的产状以与巷道走向大角度交叉为主，有利于巷道稳定。Ⅳ、Ⅴ级岩体以大理岩化矽卡岩为主，在矿区分布较少，出现时往往伴随掌子面潮湿、渗水现象，也是典型的溶蚀裂隙岩体特征。对于该类岩体根据围岩的松散程度判定支护方式，不论永久巷道或临时性巷道，对于能够提供锚固力的岩体建议以锚网喷联合支护为主;对于岩体较为松散、岩块之间镶嵌砂质类型，必须尽早进行钢拱架支护，并考虑是否辅以超前管棚支护，防止出现大面积的冒顶事件。

1）对于二期工程采矿范围内的主要岩体进行了岩体等级划分，针对每种类型岩体等级确定了支护方式和类别，并制定了包括锚网喷联合支护系列、钢拱架支护系列、帷幕注浆支护系列和喷射混凝土支护系列等的支护体系，以及在此基础上根据不同复杂条件进行各类支护类型组合，确定了具体的支护参数、支护施工工艺。

对于锚网喷联合支护类型，锚杆长度不应低于巷道宽度的一半，即不应低于2 100 mm，锚杆间排距不应大于1.0 m，根据巷道不同使用功能，选择性使用端锚型锚杆和全长锚固型锚杆。14#钢拱架强度满足二期工程采矿范围内岩体被动支护要求。通过加强相邻钢拱架之间的连接筋方式和在钢拱架背后及时敷设珍珠岩，提高钢拱架支护的整体性。

2）针对巷道不同的掘进技术条件，采用不同的支护方式。其中，在裂隙破碎且含水不大的岩体中掘进施工，一般情况下使用小管棚超前支护方法，必要时管棚钢管内加筋、增加网喷初期支护，形成以小管棚超前支护为基础的围岩组合加固法[3]。在含水较大、溶蚀强烈的地段使用小导管注浆加固法。中深孔注浆法主要用于井巷穿过溶洞、塌方、泥石流等极为特殊的弱地质段的掘进施工。

3）对于围岩节理裂隙发育、围岩破碎、冒落堆体中块度级配较差（既有巨块又有粉末泥砂）、裂隙分布无规律可循（既有大通道又有小通道）、冒落区周围岩层有一定程度松动、裂隙连通性好、冒顶严重（冒顶高度不小于5 m）的区域，继续出渣会导致更严重的冒顶事故。因此，有针对性地提出了以超前小管棚与钢拱架支护为基础，联合网喷、钢筋混凝土加底梁的复合型巷道支护结构方案[4]。复合型巷道支护结构能做到“刚柔相济，先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护”，符合现代支护原理的要求。小管棚、钢拱架、网喷是具有一定柔性的支架，放压到一定程度，待围岩变形趋于稳定时，即采用高强度钢筋混凝土砌筑永久性支架[5]，作为复合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，可靠地限制围岩向空中位移。软弱破碎岩层中复合型巷道支护结构方案见图1。

3 复合型巷道支护技术工程应用

3.1 工程背景

甲玛铜多金属矿北区开拓工程角岩露天胶带斜井标段，工程地质情况复杂，在施工过程中遇到诸多难以预测的问题和状况（见图2、图3），使施工难度增大，支护成本急剧增加，并且对整个工程的施工安全带来了极大威胁。

3.2 支护方案

软弱破碎岩体支护技术严格遵守“短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测”的原则，采取人工为主、设备为辅的施工措施，能够很好地控制软弱破碎岩体的应力重新分布，大大减少了施工过程中的危险因素。

首先，应切实保证小管棚和钢拱架超前支护，以及初期支护的网喷质量，或在局部薄弱环节，增加锚杆支护，以增强围岩表面约束能力，限制破碎区向巷道空间发展。然后，适时进行二次支护，如适当增加混凝土厚度或增加布筋密度等，以保证初期支护具有一定的柔性，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量。同时，支护体后期要有足够的强度和刚度来有效控制围岩与支护的过量变形。

因此，针对甲玛铜多金属矿北区软弱破碎岩体采取的支护方案为：一是实现裂隙破碎软岩巷道的复合型支护，限制围岩有害变形的发展，改善围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度;二是改变支护结构，在巷道两底脚增设底梁，形成完整的、封闭的支护整體。为了降低爆破地震效应，掘进过程中采用光面爆破、微差爆破等控制爆破技术，有效地降低了爆破对围岩的扰动。支护参数为：

1）管棚沿拱顶外沿布置，间距1.0 m，前后搭接0.5 m。管棚长度2.0～2.5 m，直径40 mm，沿拱顶周围外插角10°。管身注浆孔直径6 mm，间距0.3 m，沿管身交错布置。管头捏成扁形，便于插入和阻止该处大量跑浆。通过此段冒顶区后，管棚恢复到长4.0 m、间距0.3 m。

2）水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，采用40°Bé、模数3.0的水玻璃。水泥浆、水灰质量比控制在1∶1，水玻璃与水泥浆体积比控制在0.4∶1。该种双液浆的凝结时间60～70 s。

3）钢拱架间距0.5 m，型号18，钢拱架两侧采用25 mm螺纹钢锚杆固定，锚杆长2.5 m，两侧均需3根锚杆，固帮锚杆间距1.0 m。钢拱架之间采用22 mm螺纹钢作为连接筋，以间距0.6～0.8 m沿钢拱架背部布置，为了提高整体性，可使用三角形搭接方式。采用6 mm钢筋制作网孔10 cm×10 cm的钢筋网片，铺在连接筋外侧。网片之间采用铅丝绑扎。喷射C20混凝土，喷射厚度20 mm。

4）浇筑C30混凝土，浇筑厚度40 mm。

3.3 支护效果

通过创新性采用小进尺光面爆破掘进联合多次、多方法的塌方段复合型支护施工工艺技术，成功克服了高原溶蚀裂隙岩层大断面井巷掘进中松散砂砾土岩层松软、涌水量大、泥石流突发及高原缺氧等一系列难题和挑战。目前，露天胶带斜井施工已经顺利通过松散砂砾土夹石富含地下水破碎层，取得了良好的效果。角岩露天矿胶带斜井掘进中应用以超前小管棚配合钢拱架支护为主要方法，同时配套网喷初期支护的软岩加固技术，成巷成本节省9 041.1元/m，取得了显著的经济效益。巷道支护效果见图4。

4 结 论

1）开展高原矿山软弱破碎岩体中井巷支护技术研究是一项具有开创性的工作，其取得的经验和成果可以为高原地带软弱破碎岩体井巷工程的设计和施工提供借鉴。

2）在对甲玛铜多金属矿区软弱破碎岩体工程地质进行充分研究的基础上，提出了中深孔注浆、小导管注浆、超前小管棚等组成的裂隙破碎井巷复合型支护技术，为甲玛铜多金属矿区的建设和发展提供了必要的技术支持。

[参 考 文 献]

[1] 周伟.掘进巷道关键部位二次组合支护技术的应用[J].山东煤炭科技，2018（5）：65-66，69.

[2] 黄庆享，郭强，曹健，等.软岩大变形巷道破坏机理与支护技术[J].西安科技大学学报，2019，39（6）：934-941.

[3] 朱阁，张志成，李平虎，等.高应力-节理化复合软岩巷道地质特征及支护技术[J].煤炭科学技术，2015，43（9）：18-23.

[4] 李东雷.复合型软岩巷道支护技术研究[J].煤炭与化工，2014，37（8）：4-6.

[5] 常建波，张五一，胡长江，等.复合型棚式锚喷注联合支护技术实践[J].中国矿山工程，2013，42（4）：37-39，58.

Application of composite support technology in excavation

of vulnerable and broken rock mass in Jiama Copper Polymetallic Mine

Zhao Haiyang

（Tibet Huatailong Mining Development Co.，Ltd.）

Abstract：For the vulnerable and broken rock mass，a variety of support construction techniques have been formed，greatly ensuring the safety of roadway excavation and use.Due to the unique geological and metallogenic type in Jiama Copper Polymetallic Mine，there are a large number of unfavorable engineering geological bodies in the roadway excavation construction，which has caused great difficulties in the safe construction and use of underground engineering.Based on the thorough study of the engineering geology of vulnerable and broken rock mass in Jiama Copper Polymetallic Mine，this paper puts forward the reinforcement methods of fractured rock mass，such as medium-long hole grouting，small pipe grouting，advanced small pipe shed，etc.，and finally forms the composite roadway support structure，which has been successfully applied in the development and support process of Jiama Copper Polymetallic Mine and has achieved good engineering effect.

Keywords：corrosion-intensive;vulnerable and broken rock mass;composite support technology;roadway excavation;grouting;pipe shed support