软硬层叠岩体巷道分级支护方法及其应用

龙 翼，严 鹏,*，陈绍民,，皇甫风成

(1.紫金矿业集团股份有限公司； 2.富蕴金山矿冶有限公司)

新疆富蕴县蒙库铁矿床东矿段铁矿(下称“蒙库铁矿床东矿段铁矿”)岩石类型为火山-沉积变质岩类，矿区主要的赋矿岩石是石榴子石钙铁辉石岩、钙铁辉石岩和磁铁角闪斜长片麻岩。岩体结构以块状结构为主，层状结构或薄层状结构次之，块状结构和层状结构交叉分布，巷道围岩稳固性受软硬层叠岩体的影响显著。因软硬层叠岩体巷道稳固性差异大，普遍存在支护不到位或过度支护现象，巷道支护设计和施工缺乏系统性和针对性，支护质量参差不齐、支护成本高、掘进速度慢。根据软硬层叠岩体工程地质条件，采取综合性的岩体分级方法，合理选用支护方式和材料进行标准化分级支护，既能加快巷道掘进速度，降低支护成本，又能保障不同服务年限巷道的安全性和稳定性，具有明显的工程技术经济价值[1-5]。

1 软硬层叠岩体巷道支护流程及分级方法

1.1 支护流程

软硬层叠岩体巷道支护流程[6]如图1所示。

图1 软硬层叠岩体巷道支护流程

1.2 岩体分级方法

对巷道围岩进行科学分级是确定合理支护方式的前提，软硬层叠岩体分级应遵循“技术先进、经济合理、安全可靠、协调配套”的科学理念。通过查新检索国内外岩体分级和巷道支护技术发展现状，结合国内金属矿山岩体分级和巷道支护工程应用状况，采用国家标准分级方法、质量指标评价法和质量系数评价法综合比较，对软硬层叠岩体进行分级[7-12]。

1)国家标准分级方法。GB/T 50218—2014 《工程岩体分级标准》规定了分两步进行的工程岩体分级方法。首先，将由岩石坚硬程度和岩体完整程度这2个因素所决定的工程岩体性质，定义为“岩体基本质量”，据此为工程岩体进行初步定级；然后，针对各类型工程岩体的特点，分别考虑其他影响因素，对已经给出的岩体基本质量进行修正，对各类型工程岩体再作详细定级。

岩体基本质量指标按式(1)计算：

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：BQ为巷道围岩基本质量指标；Rc为岩石饱和单轴抗压强度(MPa)；Kv为岩体完整性指数。

2)岩体质量指标评价法。岩体质量指标评价法依据式(2)计算岩体质量指标(M)：

(2)

式中：Rb为岩石饱和轴向抗压强度(MPa)；RQD为岩石质量指标。

3)质量系数评价法。质量系数评价法依据式(3)计算岩体质量系数：

(3)

式中：Z为岩体质量系数；I为岩体完整系数；f为结构面摩擦系数。

2 巷道分级支护方式及支护参数指标范围

按照T/CGA 033—2022 《黄金矿山巷道围岩分级及支护技术规范》和GB 50086—2015 《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》有关技术要求，以紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿深部巷道支护标准、贵州锦丰矿业有限公司地下矿巷道支护标准等金属矿山典型巷道支护工程实际经验为参考，针对Ⅰ～Ⅴ级巷道工程岩体类型，确定了软硬层叠岩体巷道支护方式及参数范围，结果见表1，主要技术指标范围[1-2,13-16]见表2。

表1 软硬层叠岩体巷道支护方式及支护参数范围

表2 软硬层叠岩体巷道支护主要技术指标范围

3 软硬层叠岩体巷道分级支护方法应用

3.1 岩体结构及工程地质特征

蒙库铁矿床东矿段铁矿块状结构岩体和层状结构岩体交叉分布，具体包括以下4类结构岩体：

1)块状结构岩体。分布于矿体及其两侧，岩性为变粒岩、浅粒岩、片麻岩、石榴子石岩、辉石岩和磁铁矿石，岩体结构致密，将岩体切割成块状、厚板状，岩体较完整，岩体稳定性较好。

2)层状、薄层状结构岩体。分布矿体两侧，构成矿体的上、下盘围岩，岩性为片岩、大理岩，为软弱—半坚硬岩石。层理、片理发育，岩体多呈片状、薄板状，岩体较完整，岩体破坏受软弱夹层及蚀变程度的制约。

3)碎裂结构岩体。分布于矿体及各类岩组近地表强风化带、构造破碎带中，岩体呈碎块状、松散状，岩体力学介质不连续，岩石破碎。岩体的变形破坏受软弱结构面制约，岩体稳定性差。

4)散体结构岩体。分布于地表强风化带、断层破碎带及泥化夹层中，结构松散，似连续介质。具显著的塑性特征，变形时间短。岩体稳定性受破碎带的物质组合控制，工程地质条件差。

蒙库铁矿床东矿段铁矿巷道围岩稳固性受软硬层叠岩体的影响显著，典型的软硬层叠岩体工程地质特征见图2。

图2 典型的软硬层叠岩体工程地质特征

3.2 软硬层叠岩体质量分级

对于蒙库铁矿床东矿段铁矿软硬层叠岩体，采用国家标准分级法、岩体质量指标法和岩体质量系数法分别计算岩体基本质量指标BQ、岩体质量指标M和岩体质量系数Z。根据软硬层叠岩体裂隙水发育情况及岩体稳定性受结构面影响程度，综合3种分级方法修正后的分级结果见表3。由表3可知：大理岩和片岩岩体质量为Ⅳ级，岩体质量等级属差；其余岩体质量分级为Ⅲ级，岩体质量等级属中等。

表3 蒙库铁矿床东矿段铁矿软硬层叠岩体分级

3.3 软硬层叠岩体巷道支护

根据软硬层叠岩体巷道支护方式及支护参数范围，按照既符合支护安全技术要求，又能够方便施工技术管理的原则，对于蒙库铁矿床东矿段铁矿软硬层叠岩体，选择的支护方式及支护参数见表4。软硬层叠岩体巷道喷锚网支护设计见图3，锚网和钢拱架支护现场施工效果见图4。在蒙库铁矿床东矿段铁矿650 m中段至500 m中段斜坡道和平巷的支护工程中，通过采用分级支护方式，标准化支护设计施工的质量和效率明显提升，巷道过度支护和二次返修现象得到有效控制，支护安全性好、成本低，应用效果显著[17-21]。

表4 软硬层叠岩体巷道支护方式及支护参数

图3 软硬层叠岩体巷道喷锚网支护设计示意图

图4 锚网(a)和钢拱架(b)支护

4 结论和建议

1)采用综合方法对软硬层叠岩体巷道围岩进行分级，结合技术标准要求和典型巷道支护工程实际经验，确定的软硬层叠岩体Ⅰ～Ⅴ级巷道支护方式及其参数指标范围较为合理，具有指导意义和可操作性。

2)在蒙库铁矿床东矿段铁矿典型软硬层叠岩体工程地质条件下，巷道分级支护设计和施工简洁高效，巷道过度支护和二次返修现象得到有效控制，支护安全性好、成本低，应用效果明显。

3)建议加强软硬层叠岩体巷道支护施工前的支护作业条件风险评估，进一步提升支护作业的安全性和有效性。在断层、岩爆、涌水量大等特殊工程地质和水文地质条件下，应根据特定的情况采取相应的增强支护方案。

4)建议完善岩体分级支护管理制度和验收标准，加强业主方和施工方安全生产技术一体化管理，优化巷道凿岩爆破和支护设计，加强现场施工组织管理，进一步提升锚网、喷射混凝土、钢拱架等各支护环节衔接的时效性，提高软硬层叠岩体巷道支护效率和质量，降低支护的人工和材料成本。