李延偉 王景林 何榮興 張大明 鄒存理 姜永恒

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)礦業(yè)公司瓦房子錳礦，遼寧朝陽122622;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004)

1 開采現(xiàn)狀

瓦房子錳礦是鞍鋼錳鐵和錳礦石原料生產(chǎn)基地，是遼寧省最大錳礦產(chǎn)資源賦存區(qū)域，共有5個(gè)礦區(qū)，雹神廟礦區(qū)位于礦山的中部。雹神廟副井采區(qū)原由小礦點(diǎn)開采，據(jù)現(xiàn)有鉆孔資料與實(shí)際揭露表明，該區(qū)共含3層平行礦體，第1層礦體平均厚0.3 m;第2層礦體平均厚0.35 m;第3層礦體平均厚0.3 m。第1層礦體與第2層礦體相距8～10 m，第2層礦體與第3層礦體相距4～5 m。且礦體傾角在10°～20°之間，第1層礦體不連續(xù)未開采;第3層礦體因頂板圍巖穩(wěn)定性差也未投入開采。目前主要開采第2層礦體，如圖1所示，至今仍采用建礦初期的人工出礦逆傾斜壁式充填采礦法。

從2007年礦山接管以來，采用規(guī)則的壁式充填法從九平盤開始開采。在開采過程中，開拓巷道地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，平盤運(yùn)輸巷底鼓、兩幫內(nèi)擠、頂板下沉，維修工作量巨大，雖然采取了錨桿與金屬棚架等多種支護(hù)措施，最終還是未等采區(qū)礦房回采完畢，平盤運(yùn)輸巷逐漸被擠垮，聯(lián)絡(luò)巷道大量冒頂。到第十平盤，開拓巷道的地壓更大，平盤運(yùn)輸巷道幾次改線都發(fā)生大冒落，開拓工程難以形成。地壓大造成的巷道破壞現(xiàn)象，不僅增大了巷道的支護(hù)與維護(hù)成本，而且嚴(yán)重影響了采區(qū)的生產(chǎn)效率與安全條件。

2 地壓活動(dòng)規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明雹神廟礦區(qū)副井九盤地壓顯現(xiàn)始于2000年，即礦山開采3 a之后，最初的表現(xiàn)形式為巷道底鼓，之后巷道兩幫內(nèi)擠、片幫，最后頂板開始下沉，如圖2所示。巷道來壓后變形迅速，且變形量大。為保持運(yùn)輸巷道的正常運(yùn)輸，需要對(duì)底板鼓起和兩幫片落碎石進(jìn)行清理，而且還要撬頂，最短間隔20 d左右就要清理一次，清理工作繁重，而且地壓持續(xù)作用，巷道破壞長(zhǎng)度不斷加大。由于巷道維護(hù)成本過高和所剩礦量可采部分不多，九盤區(qū)于2012年6月停產(chǎn)。到2013年5月觀察時(shí)，整個(gè)九平盤運(yùn)輸巷道只有80 m長(zhǎng)的一段勉強(qiáng)可以進(jìn)人，其余巷道完全塌死。到2012年7月觀察時(shí)，九平盤運(yùn)輸巷道可進(jìn)人長(zhǎng)度不足60 m;到2013年11月觀察時(shí)，九平盤運(yùn)輸巷道的聯(lián)絡(luò)道塌垮，已經(jīng)無法進(jìn)入運(yùn)輸巷道。由此可見，地壓變形還在持續(xù)，且越往里地壓越大。

而且雹神廟副井采區(qū)的地壓破壞形式隨巷道與礦體的相對(duì)位置而異:第1層礦體與第2層礦體的直接頂板為厚約0.3～0.6 m的厚層泥質(zhì)頁巖，穩(wěn)定性較好，以該厚層泥質(zhì)頁巖為頂板的巷道的地壓顯現(xiàn)形式為底鼓、片幫與頂板下沉;在厚層泥質(zhì)頁巖之下為厚約0.03～0.2 m的薄層泥質(zhì)頁巖，質(zhì)地比較破碎，巷道掘進(jìn)后的地壓顯現(xiàn)形式為持續(xù)冒頂，很快冒落到厚層泥質(zhì)頁巖。所以，從雹神廟礦區(qū)運(yùn)輸巷道破壞形式上可以概括為2種主要形式，即片幫—底鼓—頂板下沉和頂板持續(xù)冒落［1-2］。

圖2 運(yùn)輸巷道破壞現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Damage sites of transport roadway

3 地壓破壞原因分析

根據(jù)地質(zhì)與巷道破壞現(xiàn)狀調(diào)查與地壓顯現(xiàn)規(guī)律分析結(jié)果，瓦房子錳礦副井區(qū)的巷道破壞原因可歸結(jié)為如下4個(gè)方面。

(1)含不穩(wěn)巖層。巷道兩幫與底板主要為泥質(zhì)頁巖，層理發(fā)育，層里面嚴(yán)重絹云母化，無黏結(jié)強(qiáng)度，而且垂直層理的節(jié)理間距較小，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，遇到拉應(yīng)力條件極易瓦解。

(2)采動(dòng)壓力大。隨著兩側(cè)礦房開采，采動(dòng)應(yīng)力集中作用于運(yùn)輸巷道的走向礦柱上。由于主運(yùn)輸巷道的頂板為厚層頁巖，圍巖硅化強(qiáng)、韌性大，整體變形能力強(qiáng)，應(yīng)力集中系數(shù)大，造成兩幫與底板不穩(wěn)巖層承受較大的集中應(yīng)力。

(3)支護(hù)形式不適應(yīng)地壓顯現(xiàn)特點(diǎn)。礦山采用木棚、金屬棚架或拱頂錨桿支護(hù)，屬于被動(dòng)性局部支撐點(diǎn)支護(hù)，不能全斷面向圍巖均勻施壓，從而不能改變巷道兩幫與底板變形造成的拉應(yīng)力條件，造成巷道收縮變小，兩幫片落，底部鼓起，巷道斷面大幅度減小直至整體破壞。

(4)采場(chǎng)回采不規(guī)范，頂板厚層巖體的集中應(yīng)力缺少應(yīng)有的釋放空間，同時(shí)運(yùn)輸巷道與采場(chǎng)間的礦柱寬度(3 m)偏小，不足以承擔(dān)厚層頂板的集中壓力，使頂板整體沉降。

4 地壓控制方法

針對(duì)上述原因?qū)で笙锏赖貕旱目刂品椒?，需要從以?個(gè)方面研發(fā)綜合控制技術(shù):一是改進(jìn)巷道斷面形狀，以解決含不穩(wěn)巖層造成的巷道圍巖變形的不協(xié)調(diào)問題，嚴(yán)防形成拉應(yīng)力條件;二是改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，控制巷道圍巖協(xié)同變形;三要根據(jù)采場(chǎng)條件留設(shè)合理寬度的走向礦柱，使巷道圍巖能夠形成良好的承載結(jié)構(gòu)，增大巷道的穩(wěn)定性。

根據(jù)點(diǎn)荷載數(shù)據(jù)，第2層礦體及其頂板圍巖的巖石塊體強(qiáng)度并不低，主要是層理和節(jié)理發(fā)育，造成穩(wěn)定性差，為此設(shè)計(jì)圖3所示斷面形狀及其噴錨網(wǎng)支護(hù)方案，其中圖3(a)的拱頂為橢圓形用于頂板為厚層泥質(zhì)頁巖的巷道，圖3(b)的拱頂為半圓型，用于頂板為薄層泥質(zhì)頁巖的巷道。根據(jù)表1所示的圍巖狀態(tài)，選用樹脂錨桿緊跟工作面支護(hù)，及時(shí)提供支撐力［3-4］。

圖3 巷道斷面及其支護(hù)形式改造方案Fig.3 Improvement proposal for roadway section and its supporting

表1 巷道形狀與支護(hù)參數(shù)推薦值Table 1 The roadway shape and the recommended support parameters

5 結(jié)論

(1)查明了瓦房子錳礦雹神廟礦區(qū)副井區(qū)地壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)，分析了地壓顯現(xiàn)的規(guī)律，總結(jié)出巷道破壞的兩種主要形式，即片幫—底鼓—頂板下沉和頂板持續(xù)冒落。

(2)調(diào)查分析得出，巷道破壞的主要原因是含不穩(wěn)巖層、礦體頂板厚層硬質(zhì)巖層引起的應(yīng)力集中，現(xiàn)用木棚與金屬棚架支護(hù)形式不適應(yīng)巷道圍巖的變形特征，為保持巷道的穩(wěn)定性，需改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，使巷道圍巖形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。

(3)根據(jù)運(yùn)輸巷道地壓變形破壞特征、礦巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度和圍巖穩(wěn)定性分析得出，可按協(xié)同圍巖變形的原則提高巷道的穩(wěn)定性，為此設(shè)計(jì)了頂、底板橢圓形拱的巷道斷面、全斷面噴錨網(wǎng)支護(hù)的改進(jìn)方案。

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