安徽和睦山铁矿软岩巷道联合支护方案

罗　虎

(马钢姑山矿业公司)

近年来，随着金属矿山地下开采深度逐渐增加，巷道围岩所承受的地压应力及采动应力越来越大，已有部分巷道逐步呈现出软岩巷道特征[1-3]。软岩巷道以其高地压、大形变、难支护的特点，已成为井下开采作业中的一个难题。本研究以安徽和睦山铁矿为例，针对该矿井下软岩巷道的变形特征，对其支护方案进行设计和应用。

1　工程概况

和睦山铁矿由后和睦山和后观音山2个矿段组成。后和睦山矿段采用诱导冒落法和无底柱分段崩落法开采，后观音山矿段前期采用分段空场嗣后充填法开采，因矿岩稳固性差，回采率底，后改为上向水平进路充填法开采并取得成功[4-6]。

和睦山铁矿井下软岩巷道多存在于后观音山矿段，该矿段的主矿体为2#、3#矿体。2#矿体位于后观音山矿段19#B～25#线，矿体赋存于闪长岩与灰岩的接触带和近接触带的灰岩中，矿体呈似层状，局部膨胀，收缩较大，矿体产状与接触带产状大致一致，以磁铁矿为主，上部灰岩中的矿体主要为半假象赤铁矿，少量为赤铁矿。3#矿体位于后观音山矿段20#～23#线，矿体赋存于灰岩中，似层状，以磁铁矿为主，部分为半假象赤铁矿、赤铁矿。由于后观音山矿段采矿多为进路布置，采区内的软岩巷道存在时间较长，受地压应力及采动应力的影响较小，而承担着矿石中段运输的水平运输巷道所受的影响尤为明显。总体上，后观音山矿段-200 m水平上盘运输巷及-300 m 水平上盘运输巷发生的围岩变形较为明显。

后观音山矿段-200 m水平发生变形的穿脉及运输巷如图1所示。-193 m水平采用上向水平分层充填法采矿[7-8]，先掘进上层巷道，巷道高度为3 m，巷道掘进完毕后再利用下层联巷对下部3 m高的矿石进行反向拉底，最终矿房分层高度达到6 m，对于局部底板为矿石且不影响-200 m水平巷道运输的地段就地进行二次拉底，致使矿房高度最大可达8 m。如此便会使得矿房底部更接近-200 m水平，使得该水平所受到的影响范围远大于-193 m矿体界线。

后观音山矿段-300 m水平发生变形的软岩主要集中于-300 m上盘运输巷及1#、2#穿脉(图2)。-300 m水平以上开采的第1个分层为-295 m水平，该水平矿房总高度为7 m，上层掘进巷道高度为3 m，下层拉底巷道高度为4 m。如此便使得矿房底板标高为-299 m，与-300 m水平更加接近，采矿活动对-300 m水平巷道的影响增大，使得该水平巷道所受的地压应力更大，变形更为明显。受矿体倾角及周边裂隙发育程度的影响，-300 m水平巷道的受损范围较之上层-295 m矿体界线有所增大。该处围岩性质与-200m水平类似，围岩风化程度加剧，裂隙中填充的高岭土、绿泥石、泥质灰岩在裂隙水的影响下发生膨胀，使得裂隙越发明显。

图1　后观音山矿段-200 m水平巷道与

2　软岩巷道破坏形式及变形机理

2.1　软岩巷道破坏形式

后观音山矿段软岩巷道破坏形式为：

(1)顶板开落、垮落。由于采动应力导致顶板受拉，节理开裂并逐渐增大，最后导致顶板冒落。此外，由于进路顶板处于矿岩接触带或断层破碎带中，岩性变化较大，处于其中的软岩夹层承载力极低，在剪切应力的影响下，极易发生破坏，并沿剪切滑移线脱落，形成较大的楔形破坏体[9]。

(2)帮部压剪破坏。回采过程中，距回采工作面8～10 m处的进路为应力升高区，该处进路承受矿石崩落向帮部传递的支承压力以及退采过程引起的应力，两者叠加在数值上能够达到原岩应力的3倍左右，往往超过帮部围岩的极限承载能力，从而导致帮部围岩受剪、挤出[9]。

(3)巷道底鼓。巷道围岩体在采动应力与地下水的影响下呈现软岩特性，进路底板隆起，两帮被剪坏，同时伴随顶板下沉，导致整个进路断面逐渐变形缩小，由于帮部进路破坏导致锚固失效，锚杆端部脱离岩面，托盘受挤压发生翻转[9]。

2.2　软岩巷道变形机理

(1)地压应力场压力大及上层采矿活动。-200 m 水平巷道受到地压应力作用以及上层-193m 水平采矿活动加剧的影响，加之周边放矿和运输影响较大，导致-200 m水平巷道围岩形变进一步加剧。

图2　后观音山矿段-300 m水平巷道及-295 m水平矿体叠加示意

(2)围岩力学性能差。-200 m水平变形巷道的围岩为泥化闪长岩，其孔隙率低、裂隙开度较小，风化、泥化现象严重，普氏硬度系数f=2～4，风化速度快，稳定性差。

(3)水的因素。-200 m水平巷道顶板有淋水现象，上部充填料浆浓度较低，含水量较大，充填浆液中的水析出后经围岩缝隙下渗至-200 m顶板，水的侵蚀使得巷道顶部、底板岩石发生软化、膨胀，巷道收缩现象明显。

(4)支护方式选择不当。后观音山矿段前期采用分段空场嗣后充填法开采，首采分层为-187 m水平，距-200 m水平较远，-200 m水平受采动应力影响较小，未发生变形，为节约成本，仅采用素喷或局部锚网喷支护。锚杆锚固段的岩性为泥化闪长岩，使得锚杆的锚固力降低，导致局部锚杆脱锚失效，加之后期围岩风化加剧，使得锚杆的锚固作用未得到充分发挥。

3　巷道联合支护方案

为保证-200，-300 m运输巷及穿脉正常使用，以往采用锚网喷配合顶部钢带支护，并采用锚索进行加固，底板浇筑300 mm的混凝土垫层。但在巷道后期使用过程中，发现巷道两帮和顶部受压发生下沉，由于不同部位岩性有所差异，导致受力不均，发生顶部垮落、两帮开裂、脱落，而底板受挤压隆起形成底鼓，致使巷道断面缩小，车辆和行人无法通行，大大影响了矿石运输及行人安全(图3)。

图3　巷道变形示意

根据后观音山矿段-200，-300 m水平巷道围岩性质及现场施工条件，本研究采用包含U型钢棚[3]+局部反底拱的支护方案进行巷道加固施工，具体施工流程如下。

3.1　管线保护

后观音山矿段-200，-300 m水平运输巷内有各种电缆管线通过，该类管线密切关系着采区的生产和施工。对于可以拆除的架空线、照明线应进行拆除，对于剩余管线，应就地掩埋保护。首先在巷道管线一侧下部开挖1条深60 cm、宽50 cm的小沟，下铺10 cm厚沙土，将管线放于其上，上覆沙土，填至50 cm深处，上方再加盖水泥盖板，盖板厚度为5 cm，上层再覆沙土。

3.2　巷道分段

由于软岩巷道各段的变形特征有所不同，为节约费用、缩短工期，本研究将变形巷道划分为使用钢支架支护和不使用钢支架支护两类。使用钢支架支护的巷道断面规格为3 700 mm×3 550 mm(图4(a))，不使用钢支架支护的巷道断面规格为3 200 mm×3 250 mm(图4(b))，两类巷道断面的中心线保持一致。

图4　巷道断面示意(单位：mm)

3.3　变形巷道初次支护

(1)顶帮锚网喷支护。采用钢筋托梁加锚杆、钢筋网进行支护，锚杆规格为φ20 mm×1 800 mm，间排距为700 mm×800 mm，锚杆锚固力不小于100 kN，预紧力不小于50 kN。钢筋托梁顶托梁规格为2 900 mm×80 mm，帮部托梁规格为2 200 mm×80 mm。钢筋网采用φ6 mm螺纹钢焊接，网片规格为2 000 mm×1 000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm，网片搭接长度为100 mm。喷射混凝土强度等级C25，配合比为1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂，初喷厚度为50 mm。

(2)壁后充填注浆加固。在2排锚杆之间打孔预埋规格为φ38 mm×600 mm注浆管，水泥型号为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶0.8，水玻璃掺量为水泥用量的20%，风钻打眼，孔径φ45 mm，孔深为2 m(首先打1 m深钻孔，注浆完毕且稳定后进行扫孔延伸至2 m)，间排距为1.4 m×1.6 m，浆液固结体强度不小于20 MPa。

(3)顶板锚索加固。在锚网喷支护和壁后充填支护施工完毕后，对巷道顶板进行锚索加固，拱帮交界处各打1根锚索，穿脉交汇处断面较大，可追加1根锚索用于加强该处围岩稳定性，锚索长度为6 300 mm。

3.4　钢支架支护

对于不使用钢支架支护的变形巷道，本研究采用U29型钢支架进行支护，排距为700 mm(图5)。

由于-300 m水平巷道变形较-200 m水平巷道更为明显，因此本研究在对-300 m水平巷道进行修复加固时，加设了反底拱结构，即对需要修复的巷道进行起底，将底板卧成反底拱形结构，铺设φ6 mm双层钢筋网，浇筑700 mm厚混凝土，形成反底拱结构(图6)，同时完成水沟砌筑。

图5　U29型钢支架支护断面示意(单位：mm)

图6　巷道断面反底拱加固结构(单位：mm)

U型钢支架两侧帮柱采用上下2根锚杆进行锚固，锚杆长度为2 000 mm，上部锚杆固定位置距底板1.5 m，垂直于帮柱固定；下部锚杆距底板0.5 m，方向下倾30°。U型钢拱顶与两侧帮柱用搭接锚栓进行固定，搭接长度为500 mm[10]。巷道断面支护的U型钢支架固定结构如图7所示，U型钢支架与反底拱支架构成的整体支护结构如图8所示。

图7　巷道断面U型钢支架固定结构(单位：mm)

图8　U29型钢支架与反底拱支架整体效果

在U型钢支架与围岩之间离缝较大处垫上背板，以确保支架与围岩接触密实，防止支架局部受力集中。在U型钢支架与围岩之间铺设钢筋网片，钢筋网采用φ6 mm螺纹钢焊接，网片规格为2 000 mm×1 000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm，钢筋网片需固定于U型钢上。钢筋网片之间的搭接量不小于100 mm，搭接处用双股8#铁丝双股双排扣绑扎连接，并固定于U型钢支架上。在钢筋网片铺设完毕后，应及时喷射混凝土(强度等级C20)，配合比为1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂，喷护厚度约150 mm。此外，相邻2排U型钢支架采用φ16 mm圆钢拉杆连接，以提高支架的整体稳定性。为充分发挥U型钢支架与反底拱结构的支护效果，在安装支架过程中，对钢架壁后缝隙较大处提前设置一定数量的注浆管道，注浆管直径为38 mm，长为300～500 mm，具体取值视缝隙大小而定[10]。

3.5　钢支架稳固及整体喷浆

在对反底拱底板进行浇筑前，首先将掩埋保护的电缆起出挂墙，将巷道底板上的喷浆回弹料进行清理，以免影响底板浇筑质量。为保护巷道底脚及确保钢支架稳固，对钢支架下部进行角钢焊接支撑，一方面能够保持钢支架垂直于巷道底板，另一方面也可保证钢支架处于固定位置。由于使用U型钢支架支护的巷道断面规格大于钢支架规格，待钢支架安装完毕后，两者之间存在较大空隙，将使用钢支架和不使用钢支架支护的巷道断面底板标高调整至一个水平后，对钢支架全断面进行喷浆，使得钢支架与所在巷道形成一个整体。待上述施工完毕后，可进行垫渣铺轨，安装架空线，投入使用巷道。

4　结　语

针对安徽和睦山铁矿后观音山矿段-200，-300 m 水平软岩巷道围岩破坏形式及变形机理，为有效控制巷道围岩变形，设计了包含U型钢棚、反底拱、壁后注浆、锚网喷、锚索等工艺的联合支护方案。研究表明，相对于单一锚网喷工艺，该方案施工流程较复杂，施工难度较高，但该方案实施后，巷道围岩变形得到了有效控制，巷道无需进行返修，不仅缩短了巷道施工工期，节约了生产成本，而且延长了巷道服务年限。

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