浅谈松散断裂带中岩体成巷研究
2023-01-09王少雷王加磊姚树标
王少雷,王加磊,姚树标
玲珑金矿作为我国金矿开采早期的矿山之一,其地质条件复杂,矿体的形状多变且类型较多,因此在开采的过程中会遇到不小的问题。正因为其构造的复杂性以及当时开采手段的单一性,在矿区内一些断裂带过于松散,不利于岩体的成巷,因此需要结合该矿的地理位置、岩性、矿脉结构和水文条件等进行施工技术的研究,从而发现问题、解决问题、创新技术手段等。
1 松散岩体的性质与特征
1.1 松散岩体的性质
松散岩体是一种非均质和理想的散体介质。由于松散岩体的围岩支护不恰当导致了成巷道顶部的冒落或者底板下塌,其块度是随机的,大小不一且有粉状,这就会影响松散岩体移动的规律。由于岩体的地质构造类型,使得在顶部围岩崩落后,形成了许多几何形状的块体,对于孔隙和压实度来说是不均匀的。在松散介质内部,互相接触的颗粒发生移位的时候就产生了内摩擦角,这种内摩擦角包括静摩擦、滑动摩擦以及滚动摩擦。对于松散岩体的粘聚力则与黏土颗粒的多少、湿度以及压实度有关。
1.2 松散岩体的特征
首先松散岩体会产生结构变形,这是不可逆的塑性变形。松散岩体受外力后水膜厚度和吸附力相关,这种变形是可逆的,也被称之为弹性变形。对于不可逆的结构变形,主要是根据孔隙的变化来判断,其孔隙比变小则松散程度变小,两者呈负相关的关系。
其次松散岩体具有流动性的特征,包括平衡拱破坏整体移动和散体颗粒相对移动两种方式。前者是松散岩层向下移动时平衡拱形成和破坏的交替过程,只有平衡拱被破坏,岩层才能够向下移动。而后者是因为松动的颗粒受压,在质点重心建立的空间直角坐标系,其决定了岩层的内部颗粒移动的方式。
2 采矿过程中存在的问题
2.1 采矿效率低
由于我国开采矿产资源的方式比较传统,充填体的强度会随着时间的推移而降低,采准工程布置的方式也会影响矿产资源开采的效率,这就造成了在矿产开发的过程中回采的效率很难有比较好的提升,矿块的生产能力也是有限的。
2.2 安全性较差
由于胶结材料、料浆装备、输送工艺和填充方式的影响,普通矿房的填充强度低,充填接顶和钢筋网的连接方面效果也欠佳,这就会造成进路回采的安全性低下,加上高水固结材料的价格比较高,提高了整个矿房填充的成本。
2.3 工人的劳动强度过大
在进行矿房下放物料的时候,唯一的通道就是通过溜井运输,当矿房采至底部时,物料就需要辗转十几挂梯路才能够达到作业地点,这对劳动力的要求和强度很高,同时也大大降低了工人们的工作效率。
2.4 回采危险系数高
由于向下进路力学承载原理和破坏机理不可知,加上进路断面、承载层的厚度以及钢筋网的直径都需要数据优化,而且下进路的分层间缺少有效的连接,如果建造的假顶承载效果不理想,会直接掉落,增加了矿山中的风险系数。一部分的钢筋网悬挂在填充体的表面,在没有受到外力作用时,会造成资源的严重浪费,增加进路回采的危险性,因此其制造工艺有待优化。
2.5 矿区的地质结构复杂
矿区中的岩层破碎且类型繁杂,其中最主要的是以黄铁矿化钾化花岗岩为主,岩层的周围是细小的颗粒,局部伴有绢英岩化,部分夹杂着石英和老地层。由于矿体位于构造的破碎带内部,导致了矿体上下岩层的不稳定性,岩石群极易破碎,且存在隐性三角节理。在采矿的过程中,如果遇到破碎的岩体,不外乎两种,一是岩体原有的结构加上开挖应力作用破碎后仍处于原来位置的破碎岩体,也被叫做原位破碎岩,比如围岩破碎带。另一种是由于在开采过程中或是开挖的时候受到了影响而破碎的冒落堆积体或者人工填充体,也被称为堆积破碎岩体。
3 松散断裂带中岩体成巷的研究
3.1 松散断裂带中岩体成巷遵循的原则
在断裂带中岩体成巷的施工过程中主要是选择合理的方式施工,这与施工的条件、围岩的条件、巷道断面积以及工期和环境都有密切的关联,需要遵守的基本原则包括选择合理的开挖方式来对围岩进行保护,避免对围岩强度的过度破坏和损伤;在进行挖掘是注意重点保护顶部;合理的确定支护结构类型和时机;准确并及时的进行量测和监控,从而更有效的指导施工和设计;尽量采取预先支护的施工方式,促进断面的及早形成;加强重点部分的支护,避免巷道开挖后部分薄弱的部位坍塌;在施工的过程中,必须要建立起设计、施工检测、地质预测、量测反馈以及修正设计的一体化施工管理体系。
松散断裂带中岩体成巷一定要选择有效的支护方案,才能够保证施工过程的安全性。支护必须要适应松散体的变形规律,由于其强度较低,一旦开始施工,变形的压力就会上升,支护结构必须适应大变形的要求,让围岩在适当的变形基础上释放部分的能量;其次要避免利用围岩自身的强度进行支护。松散断裂带的松散体是不具备承载能力的,与一般的支护方式不同,对其的巷道设计不应考虑松散体的自身承载能力,可以采用被动的支护方式,向松散体内填充细料或者泥浆,这样更有助于粘合,提升承载能力,其受力点才能够不产生移动;支护的结构需要完整性,由于断裂带中的松散体受力后产生一定的移动,因此要考虑支护时的整体性,提升支护结构的承载力,预防松散体变形而导致支护失效;支护要提供防御围岩过分变形的强度,严重变形会导致岩体自身承载能力的下降,因此在支护结构体系中允许一定变形的基础上,提供支护抗力,这才能够有效的防止松散体围岩的变形;支护一定要及时才能够防止顶板的冒落;最后支护的形式要以经济合理为基础,工艺简单为根本,充分的考虑到临时支护与永久支护同时间段内完成,保证巷道在服务期限内不会受回采作业的影响,尽量做到经济合理,对于一些服务年限较长的巷道,搭建起临时支护的同时,还要进行永久支护,这就要求工艺上的简约,工人们施工的时候更容易掌握技巧。
在进行巷道施工的时候,支架的重要性不言而喻。要保证支架承受围岩的压力,有良好的技术经济指标,这样才有助于生产的正常进行;受采动的影响,支架要具备工作左立以及可伸缩性;在支设过后,支架的承载能力要快速达到应有水准,同时有良好的工作特性,当支架达到极限的承载能了时,变形也是随之发生的,为了避免突然遭到破坏,要先保证工人的人身安全以及设备的使用安全;支架需要尽量的减少空间占道,受阻力的系数也是越小越好;支架构件有一定的抗压性,这样才能适应在井下拉升、弯曲以及压缩、剪切等复杂的受力状态;支架材料的机械性能和物理化学性能一定要保持稳定,既要能防腐、防锈还要无害;支架的制造工艺最好以简单为主、零件互换的性能好,便于组装、拆卸以及保管和运输;最重要的是支架的各项费用要尽可能的低。
在进行巷道施工的时候也需要具备一定的原则,包括巷道的类型和用途、服务的年限、巷道围岩的物理性质、巷道的深度、断面情况、布置额方式、施工的方式、材料的选择和加工以及经济技术的合理性。
3.2 成巷施工的方案选择
第一是关于巷道掘进方案的选择。根据介质的特征以及运输平巷对稳定性的要求,结合国内外先进的掘进技术和发展,针对该公司的移动松散介质,金矿采用掘进技术包括盾构法、顶管法、冻结法、预先注浆法、预先衬砌法、插板法、超前插杆法以及管棚法。盾构法的施工效率非常高,但相对成本也会提升,不仅适用于软岩,而且硬岩也适用,埋深的深度要大于等于6cm,且大于盾构直径的大长隧道,直径不小于4.2cm 的圆形断面,因此不适用于矿山运输平巷的中小巷道。顶管法适用于软土和松散岩体,并且适用于中小巷道,从经济层面来看,适合深埋,而且巷道断面多是矩形,施工的效率得到了提升,造价还低,不过前期准备的时间比较长,因此可以在考虑的范围之内。冻结法适用于淤泥和流沙地带,这种方法施工效率不高且成本较高,因此不适用。预先注浆法适用于软土和含水层,该金矿是以坚硬岩石为主,对于大范围需要支护的地层得不到很好的效果。预先衬砌法的施工效率低且造价高,更适用于土砾等围岩强度低的地层。插板法的施工效率不高,造价也比较低,适用于围岩破碎但底板稳定的施工环境中,因此该方法也不适用。超前插杆法适用于巷道局部需要穿过松软矿体的地质,且冒落散体的块度较小,容易施工,但是长插杆的施工难度比较大,也不适合金矿开采。管棚法适合软岩施工,穿过破碎带、松散带和软层等围岩,同时适合浅埋和深埋,在进行管棚注浆的时候,最重要的是加固圈构建,但是由于介质内有很多块石组成的棚架,使得介质内空洞大且多,这些洞与断裂带相连,注浆的时候在压力的作用下会导致一定的空洞泄洪,不能在管棚附近均匀的扩散,因此注浆加固圈无法形成,因此可以使用间歇式注浆法,待原注入浆液初凝后再次加注,反复几次,则使得泄浆通道变小并堵塞,以此达到均匀的目的,因此管棚法可以考虑。在巷道的掘进中,工人对技术的掌握程度是巷道质量和工程进度的保障,工人最易掌握的就是插杆法和插板法,其次是顶管法和管棚法,冻结法需要工人有较高的施工能力,综合考虑最终可以选择安全性最好的管棚法、施工效率最高的顶管法以及工人掌握程度最好的超前插杆法。
第二是关于临时支护方案的选择。目前我国临时支护的方法主要有木棚支护、石材支护、喷锚支护、金属支架支护、前探支护以及钢纤维喷射支护。木棚支护适用于地压小、服务年限小于两年的小断面采取巷道,由于其特点与大多数的巷道围岩变形规律不相符,且我国森林资源不足,应该尽量不用或少用该方法。结合临时支护需要和掘进方案相结合,要考虑管棚法、顶管法和超前管棚法的配备程度来选择临时支护的方案。顶管法不需要临时支护,超前插杆法则是要提前开挖施工,插杆作为超前支护的同时也要承担一定的临时支护作用,而管棚法中本身就是临时支护。
第三是关于永久支护方案的选择。其中常见的形式有喷锚支护、拱碹支护、金属支架支护以及联合支护。拱碹支护适用于服务年限长,不受采动影响,围岩变形量小的巷道,对于大面积的冒落松散介质并不适用,且该方法需要现场的浇筑,对初期支护的强度要求高,而使用管棚法和超前插杆法的掘进施工对临时支护的安全系数要求较高,因此可以考虑使用钢筋混凝土作为永久支护。喷锚支护的效果好,能够提升围岩的稳定性和强度,对于成层岩体的动强度低,施工速度快,相对于其他方式具有优势,可以根据需要改变锚杆的长度、直径等要素,但是支护范围有限,对于冲击围岩和大变形软岩来说,适用程度较低。金属支架支护适用于受到动压影响,围岩变形量较大且条件好、宽度小的巷道。如果松散体中的围岩条件变差,则需要使用联合支护。金属支架在安装的时候效率高,与其他支护方式不同的是它可以成为主要承载构件,在临时支护后可以直接作为永久支护。因此采用超前插杆法或者管棚法作为掘进方案时,可以选择金属支架支护或者钢筋水凝土作为永久支护。
4 成巷施工工艺技术研究
经过一系列的研究和实验,该公司金矿在对断裂带中松散岩体成巷施工时,最终采用的是一次成巷的方式,永久支护只要采用的是三节U 型钢可伸缩支架,超前支护采用的是顶板插杆法支护,再结合两帮U 型钢拱架插杆支护。
具体的步骤如下,在两帮稳固位置安装第一处用于移动松散体中巷道顶板超前支护的支撑装置,紧靠两边位置向上插入工字钢,与支撑装置焊接固定,在棚梁上部向前探出工字钢的超前插杆,中间使用木板连接,与棚梁的接触面焊接固定,向外转运超前插杆的毛石并进行清运,在稳定的底板上铺工字钢架,作为U 型钢拱架的底座,在铺设过程中,底部与底座要通过角钢焊接而成,以U 型钢拱架为支点,打入钢管作为两帮的支护,然后清理顶部的浮石,对塌陷区进行填充,在搭建棚梁时铺设钢拱架底座,增强整体支护的强度。在两架U 型钢架中间焊接金属网,分三次进行,在距离巷道顶部超前支护装置的2.5m 处安装第二处支撑装置,以此重复进行,直至穿越松散的岩体。
5 成巷施工效果研究
5.1 提高采矿效率
在经过创新后,新型采矿方式能够提供备采的进路,将落矿、支护、填充等工序在时间与空间错开,打破了原来的劳动模式,大大提升了劳动效率,从而保证采矿量的稳定上升。
5.2 安全性的提升
在进行成巷施工后,采用新型的填充材料和工艺,这提升了整个充填的质量,强度和人工顶承载厚度,大大改善了填充接顶的效果,而填充体的整体性增强了,这就为施工创造了相对安全的环境。随着斜坡道加分段巷的采准布置形式的出现,使得采场的安全出口数量增多,安全性增强。
5.3 劳动强度的降低
利用铲运机出矿的方式能够有效的减轻工人的劳动强度,工人在向采场运输物料的时候,由于斜坡道直接到达采场,改变了原本矿井运输物料的方式,从而减轻了工人们运输的强度,提升了施工的工作效率,有利于人工、材料、设备的运输。
5.4 填充成本的降低
新型填充材料在成本上要远低于传统的高水材料,在用量上,由于新技术是进行分次填充的,材料的配比度更加的灵活,胶结材料的用量也减少了,而填充进路规格的增加减少了填充的次数,使得人力成本得到进一步的降低。
5.5 损失贫化率的降低
在施工现场布置两条溜井可以减少损失贫化率,采场设置专门的泄水天井,进一步解决了废水排放问题,采场的废水可以分层经过联络巷和分段巷排放至泄水井,从而减少矿石泥化现象的发生以及含水率的降低。
6 结论
针对山东黄金矿业公司中一处断裂带的松散岩体成巷研究,进行总结和创新,促进我国矿产开发,发挥其经济社会效用并推动行业科技的进步。