安徽李楼铁矿巷道掘进联合支护方案

陈鹏刚　庞明海

(五矿矿业(邯郸)矿山工程有限公司)

目前，巷道支护类型主要有3类，第1类为被动支护形式，包括钢筋混凝土支架、金属钢支架、料石碹等；第2类以各类普通锚杆支护为主，旨在改善巷道围岩力学性能的积极支护形式，包括素喷支护、锚喷支护、锚网喷支护、双筋条支护等；第3类以高强预应力锚杆和注浆加固为主的积极主动加固形式，如锚索加钢带支护、注浆锚杆支护，能够明显改善破碎岩体的力学特性，具有支护结构整体性好、承载力高、支护效果好等优点[1-5]。

在地下金属矿采矿工程中的巷道以中、大断面为主，沿脉巷道掘进工程的质量及围岩的安全状况直接关系到全矿的安全生产，巷道开挖质量以及后续支护工程质量直接影响着后续工作的顺利进行。因此，提高沿脉巷道的掘进质量和支护质量对于加快矿山基础建设进程具有重要意义。本研究以安徽李楼铁矿为例，针对该矿巷道围岩特征，通过综合应用素喷、锚网喷、锚网喷+锚索钢带、金属拱架嗣后对开木充填等工艺，对巷道掘进联合支护方案进行设计。

1　工程概况

李楼铁矿为一大型铁矿床，矿石类型为石英镜铁矿[6-7]。矿体底板岩性主要为含闪石云母白云石大理岩，局部为黑云斜长片麻(变粒)岩；顶板岩性主要为含闪石云母白云石大理岩，局部为黑云斜长片麻(变粒)岩和云母石英片岩，部分岩石因压碎和蚀变作用，形成了糜棱岩化绿泥质片岩夹层。岩石的物理力学参数如表1所示。

表1　李楼铁矿岩石物理力学参数

该矿矿体与顶底板及夹石界线清楚，有时出现矿体与围岩或夹石呈条带状交替互层过渡，从而造成矿体在顶底板及夹石附近出现贫化现象。沿脉巷道走向与岩体裂隙基本一致，挤压破碎带节理发育，局部破碎。施工区域的巷道左帮及顶板的主要危岩种类有节理面交叉形成的人字形结构、层理大块危险结构以及大厚度危岩，受地压和放炮振动的影响，巷道围岩出现裂隙，有掉落危险。

2　联合支护方案原理及施工工艺

2.1　方案原理

沿脉巷道支护方案需要依据岩体的破碎特征进行设计，本研究根据李楼铁矿巷道围岩状况设计出的联合支护方案包括如下4种工艺。

(1)素喷。喷射混凝土层对巷道围岩表面进行封闭，从而完全隔绝空气、水与围岩接触，可以有效防止风化潮解而引起的围岩破坏与剥落；同时，由于围岩裂缝中充填了混凝土，使得围岩裂隙深处原有的充填物不致因风化作用而降低强度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使得巷道围岩保持原有的稳定性和强度[8-10]。巷道围岩整体性良好，偶尔有小断层，结构面不发育，以原生节理为主，无泥质充填时可以采用素喷工艺支护，局部偶尔搭配锚杆支护。素喷支护工艺主要应用于巷道围岩为矿石的出矿巷道及出矿进路。

(2)锚网喷。锚杆可以穿过数组不连续面，可有效防止或减少不连续面移动，另外锚杆可以起到悬吊作用，防止松散岩块脱落；网片可以将已经脱落的岩块兜住。注浆锚杆可以改变围岩松散破碎结构，提高其黏结力、内摩擦角以及围岩的整体性。巷道围岩呈块状结构或碎裂镶嵌结构，受构造影响严重，节理发育，或巷道围岩受地压和放炮振动的影响，顶板围岩破碎，有掉落危险时，可以采用锚网喷支护。如李楼矿区-325～400 m水平北盘沿脉巷道走向与岩体裂隙基本一致，挤压破碎带节理发育，局部破碎，该区段适宜采用锚网喷支护。

(3)锚网喷+锚索钢带。锚索可以将预加的张拉力传递至深部较稳定的岩层，在纵向上将大块与围岩形成整体，钢带在横向将大块与围岩形成整体，锚网喷可以有效防止小块岩石掉落，确保巷道安全。当巷道围岩裂隙发育，破碎，易出现楔形滑面或围岩出现大块，可能发生围岩失稳或需对顶板围岩提供较大支护力时，可以采用锚网喷+锚索钢带支护工艺。

(4)金属拱架嗣后对开木充填。U型拱架支护作为一种被动支护，抗拉、抗压强度较高，具有良好的韧性，可以有效承载开挖巷道产生的早期荷载，有效控制围岩进一步变形与松弛，最佳的受力状态是壁后充填密实对开木，使其均匀受压。拱架支护适用于地压较大、地压不稳定和围岩变形量大的巷道，如李楼矿区-425 m水平北下盘巷、-375 m水平北沿脉巷道。当沿脉巷道顶板形成的人字形大块等高厚度危岩的长度超过10 m，厚度为0.5～1.5 m时，锚索等支护工艺已经无法提供有效的支护力，需要采用金属拱架嗣后对开木充填工艺来进行支护。支架柱腿间距一般不大于1 m，柱腿之间用金属拉杆通过螺栓、夹板等互相拉紧，以加强支架沿巷道轴线方向上的稳定性。

2.2　支护施工工艺流程

2.2.1素喷

首先拆除作业面障碍物，清除开挖面的浮石、泥浆、回弹物及岩渣堆积物；喷浆开始时，先开风后给水、给料，喷射作业应分段、分片进行，采用自上而下螺旋式喷射顺序；喷嘴与受喷面应垂直，喷嘴与受喷面的距离不宜大于1.5 m；喷射时应控制好水灰比，保持混凝土表面平整，呈湿润光泽；喷浆结束时，先停料，待料用完后再停电，最后关水停风。

2.2.2锚网喷

锚网喷工艺流程如图1所示。

该工艺的施工要点为：①钻孔，钻孔采用气腿式凿岩机，钻孔深度宜略小于锚杆设计长度，钻孔完毕后，打开高压风吹孔，将孔内因凿岩产生的岩石粉末及碎渣吹出； ②安装树脂锚杆，首先向孔内塞入3卷树脂药卷(锚固剂)，送至孔底，然后将树脂锚杆(杆体为φ18mm圆钢)插入孔内，搅拌树脂胶，在锚索外露部安装托盘及螺母，完成树脂锚杆安装(沿脉巷道支护必须采用永久支护方式，故而一般不采用开缝锚杆)。该工艺的支护效果如图2所示。

图1　锚网喷工艺流程

图2　李楼铁矿-400 m水平北沿9-3采场口

2.2.3锚网喷+锚索钢带

锚网喷+锚索钢带的工艺流程如图3所示。

图3　锚网喷+锚索钢带工艺流程

该工艺的施工要点为：①钻孔，钻孔采用锚索机，钻孔深度宜略小于锚索设计长度，钻孔结束后，用1根聚乙烯管复核孔深，并开高压风5 min后遮盖孔口； ②安装锚索，首先向孔内塞入3卷树脂胶，然后用锚索机将锚索螺旋插入孔内，搅拌树脂胶，锚索到底后，在锚索外露部安装锁具。

2.2.4金属拱架嗣后对开木充填

金属拱架嗣后对开木充填工艺流程如图4所示。

图4　金属拱架嗣后对开木充填工艺流程

安装金属拱架时应检查预支护部位巷道的中线和高程，在巷道两帮标定拱架位置，拱架形成的断面应垂直于巷道中线方向，确保竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲垂直度允许偏差为2°。同一拱架两侧柱腿下端应在相同水平面内，相对应的拱架柱腿应与巷道中线方向垂直。当拱架柱腿位置的底板处于软弱地段时，在柱腿位置的底板加设槽钢基座以增加底板承载力，槽钢基座应与拱架焊接牢固。预支拱架的柱腿通过对开木与已经支设后的拱架纵向固定牢固或与已支护的锚杆固定牢固，以防预支拱架倒塌。拱架架设完毕并经过验收合格后，方可进行挂网喷浆作业。该工艺的支护效果如图5所示。

图5　李楼铁矿-400 m水平北盘沿脉巷道

3　结　语

针对李楼铁矿井下巷道围岩特征，为有效控制巷道围岩稳定性，设计了包含素喷、锚网喷、锚网喷+锚索钢带、金属拱架嗣后对开木充填等工艺的联合支护方案，并详细讨论了支护施工工艺流程。支护方案实施后，巷道围岩稳定性得到了有效控制，冒顶片帮事故的发生频率显著降低。本研究认为随着矿山地层条件的变化，单纯锚杆支护或喷射混凝土支护工艺无法有效满足巷道安全要求，应将传统单一支护方式逐渐过渡为多种工艺相结合的联合支护方式，方可有效控制巷道围岩变形，确保矿山安全生产。

[1]东兆兴，吴士良.井巷工程[M].徐州：中国矿业大学出版，2009．

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京：中国计划出版社，2001.

[3]候朝炯，郭励生.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999．

[4]黄晓炎.道清矿大倾角回采巷道锚杆支护设计及应用[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.

[5]朱文龙.和睦山铁矿高应力软岩巷道联合支护方案[J].现代矿业，2017(9)：218-220.

[6]石磊.李楼铁矿南部矿体采矿方法探讨与研究[J].矿冶工程，2015，35(5)：28-29.

[7]朱国涛，郝红星，王晓飞.李楼铁矿厚大矿体安全回采研究[J].现代矿业，2013(11)：1-4.

[8]任红岗，谭卓英，董叶茂.露天矿高陡边坡稳定性评价及综合加固措施[J].有色金属：矿山部分，2015，67(1)：77-82.

[9]武志德，周宏伟，刘金锋，等.喷射钢纤维混凝土在鹤煤八矿深部软岩巷道支护中的应用[J].金属矿山，2011(6)：32-35.

[10]候公羽，李晶晶，杨悦，等.围岩弹塑性变形条件下锚杆、喷混凝土和U型钢的支护效果研究[J].岩土力学，2014，36(5)：1357-1366.