中关铁矿松软破碎围岩巷道掘支技术应用.pdf

第 4 期中关铁矿松软破碎围岩巷道掘支技术应用孙丁丁1，2（1.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北 邢台054100；（2.河北省复杂铁矿低碳智能高效开采技术创新中心，河北 邢台054100）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：中关铁矿井下开采时，部分巷道处于蚀变闪长岩、矽卡岩等松软破碎围岩中，掘进过程中时常出现顶板塌冒、巷道成型不规整、支护反复维修等问题，造成巷道掘进无法顺利进行，工人施工安全无法保障，为实现中关铁矿松软破碎围岩巷道的安全施工，针对此类围岩特性，结合中关铁矿实际情况，采取了诸如缩小巷道断面以及优化光面爆破掘进工艺，同时针对不同跨度的巷道（硐室）分别采用超前锚杆预支护+金属 U 型支架和喷锚网+长锚索两种不同的联合支护方式。上述综合掘支技术在中关铁矿松软破碎围岩掘进施工中效果明显，不仅提高了巷道掘进的效率，工人作业的安全也得到了极大保障，同时支护二次维修率大幅下降，进一步降低了巷道掘支成本。关键词：松软破碎围岩；巷道；光面爆破；联合支护作者简介：孙丁丁（1986），男，河北邢台人，主要研究方向：地下铁矿采矿生产技术管理。针对松软破碎围岩巷道掘进和支护的问题，国内外矿山进行了很多研究，也有诸多成功案例可以借鉴，诸如张家洼铁矿、西石门铁矿通过采取优化爆破参数、调整支护结构等措施，均实现了巷道的顺利施工咱1暂。中关铁矿在借鉴其他矿山成功经验的基础上，总结出了适合自己的技术方案。1工程地质概况中关铁矿矿区主要矿体赋存在岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，属于典型的接触交代矽卡岩型磁铁矿床，巷道、硐室等工程揭露的情况显示，矿岩变化较大，大部分矿岩节理裂隙发育，软弱夹层较多且多为泥质灰岩，同时夹有碳质片岩形成多个弱面，致使矿岩较为破碎，整体稳固性差咱2暂。巷道掘进过程中遇到的松软破碎岩性主要有矽卡岩、蚀变闪长岩等，如-170m 水平 9#S1 凿岩硐室为软弱岩型矿石且被绿泥石化，遇水强度变低；-215m 下盘沿巷为结晶灰岩，裂隙十分发育。2软破围岩掘进施工中的难题（1）巷道掘进施工成型不规整，超欠挖严重，给后期巷道支护造成困难，支护体无法完全贴合岩面，多为点接触或线接触，很难形成整体支护，经常造成局部支护承压过载，地压显现地段出现扭曲变形，围岩失稳。（2）巷道掘进围岩破碎，浮石较多，在地应力或爆破振动等因素扰动下极易发生冒顶片帮、迎头垮冒事故咱3暂，工人施工作业安全无法得到保障。（3）巷道围岩开挖后，由于岩性松软破碎，尤其是矿体下盘围岩多为矽卡岩或蚀变闪长岩，硬度小且遇水泥化，稳固性差，巷道自承能力较低，巷道顶板下沉或底鼓时有发生。3巷道掘支技术一般来说，松软破碎围岩巷道掘进时，为减少风化岩体暴露面积，掘进巷道宜采用小尺寸断面+短进尺循环施工工艺，尽量减少空区暴露时间，在巷道围岩未发生形变前，选择合理的支护方式，及时封闭风化岩体，最短时间内使巷道原有应力产生二次应力重新分配达到平衡，从而使巷道不发生或少发生失稳破坏。3.1巷道断面尺寸选择过松软破碎带时，掘进巷道断面尺寸的选择应在满足井下凿岩、出矿等设备以及行人需要的情况下，尽可能地减少高度和宽度尺寸。无轨运输设备与支护之间的间隙，应不小于 0.6m，结合中关铁矿井下设备，主要巷道规格做以下调整：出矿进路由原来的 4.0伊3.8m（宽高）优化为 4.0伊3.2m，对于围岩松软破碎的拉底巷和凿岩巷中深孔施工设备由 Simba1254 中孔钻机变更为 YGZ90 钻机，巷道规格可由原来的 3.9伊4.3m（宽伊高）优化为 3.5伊3.2m。3.2光面爆破技术应用光面爆破技术是通过合理选择爆破参数，使爆破后巷道成型规整，最大限度地保持围岩自身强度，从而增强围岩的自承能力，同时也减轻爆破对围岩的扰动和破坏，尽可能地保持原岩的完整性和稳定性。完整围岩中只需提供比较小的支护抗力，依靠围岩自身的自稳能力，就能维持稳定咱4暂。145冶金与材料第 44 卷在松软破碎围岩掘进中，“短进尺、弱爆破、强支护”是爆破开挖施工的基本原则咱5暂，宜采用光面爆破技术进行巷道周边轮廓的控制爆破，以-215 水平 7N1 采场凿岩巷为例，每次进尺控制在 1.01.5m 左右，结合中关铁矿围岩破碎的实际情况，对装药量、装药结构以及炮孔的布置等进行优化，光面爆破具体技术参数见表1。在施工-215m 水平 7N1 凿岩巷局部地段，围岩极度破碎，采用普通光面爆破工艺，巷道成型也无法保证，仍不可避免地出现了冒顶、片帮，为此进一步优化爆破工艺，采用小断面超前光面爆破掘进工艺咱6暂，将一次光面爆破分为两次进行，先进行掏槽眼、辅助眼和底眼爆破，铲车出渣后，再进行周边眼爆破，将周边眼间距缩小至 400mm，同时将掘进进尺控制在 0.81.0m，严格遵守“多打眼，少装药，弱爆破”的周边眼爆破原则，减少周边眼爆破振动对巷道轮廓的扰动，最大程度保证围岩的完整性。3.3联合支护技术应用结合中关铁矿的工程实践来看，单一的支护方法往往难以奏效，不仅无法保证巷道的安全使用，后期仍需要多次进行维护，使用维护成本较高，故对施工中遇到的不良地质地段采取先护后挖、初期支护紧跟掌子面，及时喷砼封闭围岩的方法进行施工，然后再采用两种以上的联合支护方式进行补强支护，从而达到控制软破围岩巷道变形的目的。结合中关铁矿破碎围岩的岩性特点，通过多次支护实践证明，超前锚杆预支护+金属 U 型支架和喷锚网+长锚索两种联合支护方式在过软破围岩巷道时，支护效果显著，巷道能够长时间保持稳定不变形。3.3.1超前锚杆预支护+金属U型支架联合支护为防止破碎围岩在开挖后，短时间内发生变形或塌落，对于极度破碎尤其是顶板破碎的小跨度巷道（宽度小于 5.0m）掘进时，在短掘短支的基础上，首先在巷道开挖后立即对暴露围岩进行素喷初期支护，混凝土厚度为 20mm，及时封闭围岩防止其进一步风化，然后采取超前锚杆预支护+金属 U 型支架联合支护（图 1）。在掌子面前端采用超前锚杆的支护方式对巷道拱部破碎围岩进行预支护，增强前端围岩的整体性，提高破碎围岩的稳固性，使其能够满足下一步金属 U 型支架支护施工在安全性和时间上的要求，确保巷道顶板在金属拱架形成刚性支护前不发生塌冒。最后，初期支护完成后，立即安排人员在预支护的保护下进行金属拱架支护，确保拱架支护紧跟掌子面。图 1超前锚杆与拱架支护示意图第一排拱架超前锚杆锚杆尾端第二排拱架超前锚杆是沿开挖巷道拱部，以 10毅耀15毅的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，锚杆采用直径 32mm 的圆钢，长度为 3m，进入围岩 2m，外留 1m，外留部分尾部要搭在最前第二架拱架的 U 型底处。锚杆采用药剂锚固，锚杆间距 200300mm，在破碎部位可加密布置，每 23 排拱架布置一排超前锚杆。金属拱架采用 20Mn-25 型 U 型钢，间距一般为 500700mm，稳固性差的地段可适当缩小。3.3.2喷锚网+长锚索联合支护中关铁矿-170m 水平凿岩硐室由于巷道宽度达到了 58m，岩石条件较差，围岩不稳固，大直径深孔爆破采矿方法要求凿岩硐室长时间保持稳固不变形，普通支护方法难以满足需要，经多次反复试验调整支护方式，发现喷锚网+长锚索联合支护对于这种大跨度不稳固围岩巷道的支护效果较好。由于凿岩硐室跨度较大，部分围岩不稳固，一次成巷难度较大，因此需要先在-170m 水平矿房侧帮施工平巷至矿房边界作为凿岩硐室导硐，最后导硐扩刷为大跨度凿岩硐室，凿岩导硐开挖后须采用喷锚网+长锚索联合支护随掘随支，紧跟掌子面，导硐每次扩刷进尺表 1光面爆破技术参数名称掏槽孔辅助孔周边孔底眼合计数量61516845孔深/m1.601.401.411.44孔径/mm42424242间距/m0.400.500.50m0.47钻孔参数单孔药量药卷直径/mm32322525药量/kg0.750.600.450.45装药结构连续装药连续装药不耦合间隔装药不耦合间隔装药毫秒延期玉域芋郁总装药量/kg4.59.07.23.6023.7146第 4 期宜控制在 1.5m 左右，每次扩刷后要求对新开挖的巷道进行支护，完成支护后方可再次进行扩刷。整个凿岩硐室扩刷完毕后，大跨度巷道联合支护也就随即形成，实践表明，该支护方式完全能够满足采矿施工需要。其支护参数主要根据围岩松动圈理论和围岩普氏系数等来确定的，喷锚网支护时金属网网格100伊100mm，钢筋 渍6mm，网片 1伊2m。锚杆采用 20mm树脂锚杆，间排距 800m伊800m，锚杆长度 2.4m；长锚索长度 15m，采用 渍17.8mm 钢绞线制作，间距 2m，排距4m，全长锚固，每排布置 34 根长锚索（图 2），锚索预紧强度 30kN，混凝土强度 C20，支护厚度 150mm，锚杆扭矩120N m，锚固力大于 50kN。图 2长锚索布置图凿岩硐室长锚索4应用效果首先，缩小巷道断面同时配合光面爆破技术的使用，使得巷道开挖后成型规整，超欠挖现象较之前降低了 50%以上，拱部炮眼留存率达到 70%左右，减少了爆破对围岩的扰动。其次，大幅度提高了出矿进路、切割巷等巷道在过松软破碎地段的掘进效率，在超前锚杆预支护的作用下，2023 年以来未发生过巷道冒顶情况，工人施工作业安全得到极大保障。再次，由于巷道成型规整，金属 U 型拱架支护上部充填木能够和岩体全面紧密接触，及时快速起到整体支撑作用，避免了单独的点、线高强度受力的情况出现，从而阻止围岩继续变形，自优化掘支技术以来，金属 U 型拱架二次维修量下降了 80%以上，大幅度降低了支护成本。最后，-170m 水平凿岩硐室在采用喷锚网+长锚索联合支护方式后，经过长期观测统计，两帮最大的位移量不超过 200mm，顶板下沉控制在 50mm 范围以内，且变化速率逐渐趋缓，后期处于定值，巷道围岩处于稳定状态。在整个采场回采周期内，未发生大面积冒顶片帮，完全满足采矿施工需要。5结论综上所述，中关铁矿过松软破碎围岩巷道掘进时，采用“小断面短进尺”短掘短支、掘支一体的施工工艺，同时采取光面爆破技术严格控制巷道轮廓，使巷道成型规整，降低了爆破振动对周边围岩的破坏，保持了原岩的完整性，对于增强巷道自承能力效果明显。单一的巷道支护方式无法达到软破围岩对支护强度的要求，从中关铁矿工程实践来看，超前锚杆+金属 U 型支架适用于小跨度巷道支护，喷锚网+长锚索联合支护对于宽度大于 5m 的硐室支护效果更佳。中关铁矿松软破碎围岩掘支技术的应用，不但提高了掘进效率，更重要的保障了工人作业的安全，取得了良好的经济和社会效益，对类似生产矿山在掘支方面具有重要的借鉴意义。参考文献1 汪光德，崔杰.西石门铁矿破碎、松软岩体掘进技术研究J.现代矿业，2020，36（4）：71-74+79.2 王庆刚，王立杰，尹爱民，等.高应力破碎大断面硐室掘进与联合支护技术研究与实践 J.现代矿业，2021，37（8）：252-253+257.3 曾晓昌，肖天勇，李志钧.等.简述光面爆破在普朗铜矿中的应用 J.采矿技术，2022，22（5）：182-185.4 刘飞.隧道穿越不良地质段施工工艺及围岩稳定性探讨J.科技传播，2011（2）：29-30.5 王俊生.松软破碎岩层巷道的掘进与支护 J.河南理工大学学报（自然科学版），2010，29（S1）：158-163.6 苏锡安.西石门铁矿北区软弱破碎围岩巷道掘支技术 J.中国矿业，2019，28（11）：109-112.孙丁丁：中关铁矿松软破碎围岩巷道掘支技术应用147