不稳定矿岩上向进路充填不接顶采矿方法试验

李占金 李 力 杨立刚 李示波

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009;2.河北省矿业开发与安全工程实验室，河北唐山063009;3.山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊261021)

莱州—安丘一带是山东重要的铁矿产区，已发现并探明铁矿10余处，正在开发阶段。由于该地区矿床节理裂隙发育、顶板及矿体破碎，属开采条件复杂、矿岩极不稳固的难采矿床，矿山开采效率低、安全难以保证。鲁地铁矿便是其中的典型代表矿山之一，原设计采用普通上向进路充填采矿法，开采过程中经常出现冒顶、片帮现象，导致生产能力低下，安全隐患突出，严重影响了该铁矿的有效开发。

1 工程地质条件分析

鲁地铁矿矿区地表为第四系强含水层，且第四系和风化层厚度较大(最大38.7 m)，地表不允许陷落。矿层为磁铁蛇纹岩，蚀变作用较强烈。矿体围岩主要有大理岩、透辉岩、透辉透闪变砾岩、透辉变砾岩。矿体和围岩中节理裂隙发育，裂隙中含有蛇纹石和碳酸盐，岩体破碎，胶结程度差，遇水泥化现象明显。采掘过程中容易造成局部塌陷，整体稳固性差，允许暴露面积小，矿山采用上向进路充填采矿法回采，且回采断面仅为2.6 m×3.0 m，进路中还经常发生冒顶、片帮现象，生产效率低，安全性差。

2 原采矿方法

矿山采用上向进路充填采矿法，由下而上，以巷道进路方式回采并充填。阶段高度45 m，现有3个阶段，分别为 －100、－145、－190 m水平。在阶段上，每9 m掘进一个分段平巷，每个分段采3层，分层高度3 m，进路宽度2.6 m。分段开采顺序为先采下层，然后采平层，最后采上层，每层出矿完毕后进行充填。进路采用素喷混凝土支护，局部不稳定地段采用锚喷支护。因采场进路断面小、冒顶频繁、接顶充填次数多，造成采场生产能力低，仅完成设计生产规模的60%，严重影响了矿山的经济效益，迫切需要改进采矿方法。

3 采矿方法优化

根据鲁地铁矿矿岩体稳定情况及矿山开采技术条件，结合室内试验及工程经验，在矿山现有开采技术条件下进行以下5个方面的优化技术。

(1)半光爆掘进，保护顶板围岩。要防止冒顶必须控制好进路顶板围岩，掘进时采用半光爆技术，即从起拱线以上采用光爆技术，严格控制顶板的周边眼眼距(破碎岩体的周边眼控制在400～600 mm)，进一步优化爆破孔网参数。根据鲁地铁矿回采进路围岩稳定状况，设计顶部周边眼眼距500 mm，一次掘进深度1.5 m，分段起爆，爆破参数设计见表1。

表1 半光面爆破试验参数Table 1 Parameter of smooth blasting

(2)超前支护控制顶板。对于鲁地铁矿这种裂隙发育、块状结构的岩体，在进路工作面采用超前长锚杆主动支护形式，工作面开挖前通过施工超前锚杆将进路顶板锚固成一体，在超前锚杆护顶条件下掘进回采进路，减小巷道顶板及两帮岩体的松动范围，进而控制顶板变形，然后再喷射柔性纤维混凝土进行二次支护，可取得良好的护顶效果，具体支护方式及参数见图1所示。

图1 超前长锚杆支护布置Fig.1 Advanced bolt support

(3)纤维混凝土喷浆支护控制进路围岩。鲁地铁矿回采进路采用喷射素混凝土支护，由于岩体破碎胶结程度差，掘进过程中经常出现喷射混凝土大面积脱落现象，从而失去护表能力，导致局部冒顶片帮现象的发生。为了提高混凝土的抗拉强度和抗剪强度，增加混凝土的护表能力，计划在鲁地铁矿回采进路实施喷射聚丙烯纤维+钢纤维混凝土支护。为了验证支护效果，进行了室内聚丙烯纤维+钢纤维混凝土和素混凝土的抗拉、抗剪试验分析，试验数据见表2。

表2 钢纤维+聚丙烯纤维混凝土剪切强度试验数据Table 2 Parameter of shear strength test

根据试验结果，喷射钢纤维+聚丙烯纤维混凝土与素混凝土相比可以增加混凝土抗拉强度1.5倍左右，韧度指数增加15% ～17%。从支护效果上看，钢纤维+聚丙烯纤维混凝土和普通素混凝土有很大区别:钢纤维+聚丙烯纤维混凝土的抗破碎性增加，普通混凝土受压破坏后，往往成断裂状;而聚丙烯混凝土在受压破坏后，仍能保持一定的整体性;而且纤维混凝土在初裂缝发生后仍有一定的承载能力，支护体喷层和围岩整体性增强，回采进路掘进后的支护效果明显;若在喷射混凝土时加适量的早强剂进一步提高混凝土的早期强度，可有效防止冒顶的发生。

(4)进路断面参数优化。由宽2.6 m增加到3.2 m，高度3.0 m。

(5)应用充填时不接顶技术。每个分段仍分上、中、下层回采，分段高度3 m。下层和平层采用充填不接顶技术，充填高度2.5 m，留0.5 m作为上一个进路掘进的爆破自由面和补偿空间，待充填体达到要求强度后，采用压顶爆破掘进上层进路，第3层进路开采完毕后再充填接顶。

本方案的优点是进路充填快，充填及时，空顶时间短，充填体能较好地维护巷道地压，每个分段垂直高度上由3次接顶充填变为1次接顶充填，大大减少了充填量、充填时间、接顶充填次数，可有效提高采矿出矿效率。

4 新方案数值模拟

采用大型有限元软件FLAC3D对新方案进行了数值模拟研究。模型尺寸20 m×40 m×20 m，该模型底部固定，侧面限制水平移动，模型上表面为应力边界，模拟上覆岩体的自重边界，施加荷载为3.77 MPa。材料破坏符合莫尔库伦准则。模拟的进路围岩位移分布和应力分布见图2～图5。

图2 巷道垂直方向应力Fig.2 Perpendicular stress

图3 巷道垂直方向位移Fig.3 Vertical displacement

图4 巷道水平方向应力Fig.4 Horizontal stress

图5 巷道水平方向位移Fig.5 Horizontal displacement

由图2～图5可以看出，新的设计方案进路应力和位移等值区域分布比较均匀，没有出现局部过大位移变形和应力集中现象，说明支护体和围岩藕合较好，围岩变形协调，支护体受力均匀，方案设计合理、技术可行。

5 现场应用

新设计方案在鲁地铁矿190 m分段2073和2074采场进行了现场试验，进路掘进采用半光爆技术，顶板破碎段使用3根超前长锚杆护顶，进路全断面喷射钢纤维+聚丙烯混凝土支护。采矿方法采用了上向进路充填不接顶开采技术(见图6～图7)，下分层和中分层进路充填高度2.5 m，留0.5 m作为上一个进路掘进的爆破自由面和补偿空间，待充填体达到要求强度后，采用压顶爆破掘上层进路，第3层(分段最上分层)进路开采完毕后再充填接顶。

图6 新方案分段进路布置Fig.6 Sectional route ayout of new scheme

按新方案施工，回采工序得到了简化，每个分段可减少2次接顶充填的工作，施工速度快，大大减少了破碎矿体空顶时间。新方案施工后，进路稳定，没有出现冒顶、片帮现象，安全性大大提高，试验采场单进路月生产能力超过2 000 t，采矿效率提高了50%。

图7 新方案掘进断面施工顺序Fig.7 Construction subsequence of new schemesequence of construction

6 结论

(1)通过实施半光爆技术在周边眼之间形成了切割裂隙，抑制了炮孔径向裂隙的延深，降低了对顶板围岩的扰动，最大限度发挥了围岩的自撑能力。

(2)通过超前长锚杆护顶，改用柔性纤维混凝土全断面支护，充分发挥了纤维混凝土的抗破碎性和整体性，明显地提高了支护体和围岩的藕合程度，支护体喷层和围岩整体性增强，进路支护效果好。

(3)在超前锚杆和纤维混凝土支护的基础上，对不稳定破碎矿体应用上向进路充填采矿法，应用进路不接顶技术，减少了接顶次数，简化了工序，从而大大提高了生产效率。

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