冬瓜山铜矿深部矿体地压灾害治理方案研究

姚道春， 汪令辉

(铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿， 安徽 铜陵 244031)

1 前言

冬瓜山铜矿目前采深已达千米，深部出矿巷道围岩处于“三高一扰动”的复杂力学环境中[1]。采用分步骤回采有效解决冬瓜山矿床缓倾斜厚大矿体回采难题，取得了高产能、回收率高等效果[2-3]，但分步骤回采条件由易变难，大规模回采后，后步回采过程中的支护难度不断加大。随着开采区域不断向深部推进，46～58线大部分的一步骤和二步骤采场已经被强度较差的充填体替代，三步骤隔离矿柱的地应力越发集中，地压显现比较突出，支护工程量和支护的难度越来越大，支护成本不断增加。46线以南58线以北目前在进行一步骤和二步骤回采，尤其60线以北，在进行一步骤回采过程中，已经出现地压显现突出，如岩层垮落、巷道冒顶、锚杆失效、喷层剥落等破坏现象，造成支护工作量大，钢筋混凝土支护的范围扩大，这严重影响了井下采矿作业，并造成了矿山生产成本的增加。

现代巷道围岩支护理论认为围岩不仅仅被当做支护的对象，而应该与衬砌构筑物有机结合，充分发挥围岩自身的承载能力，使得支护与围岩之间相互作用共同受力，在进行支护时应遵循“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”的原则合理选择支护手段，如喷浆、锚网、锚索、喷锚网联合、钢筋混凝土或钢拱架支护等方法[4-6]。

本文通过现场调研考察分析冬瓜山深部开采矿体巷道围岩的破坏类型和其特点，结合围岩地质条件和岩石物理性质，考虑爆破扰动影响和应力集中等关键影响因素，针对不同类型的巷道破坏模式提出科学、合理、经济的支护手段，从而为冬瓜山深部矿体开采地压灾害治理提供一套经济合理的方案。

2 井下巷道的破坏方式

对冬瓜山矿的地质环境、所用采矿方法以及近几年来采矿生产过程中已发生采准巷道破坏事件的研究分析，其破坏方式可以归纳为以下几点。

(1)顶板充填凿岩巷道分别布置在矽卡岩、石英闪长岩、蛇纹岩、矿岩接触带和矿体中。矽卡岩和矿岩巷道相对稳定性较好，受接触带和岩体结构面控制影响，位于接触带附近位置的巷道容易发生破坏，是顶板巷道可能破坏的主要方式；其他少量石英闪长岩和蛇纹岩中巷道稳定性较差。

(2)拉底巷道的稳定性受岩体力学性质决定，由于使用的采矿方法特点，拉底巷道不需要支护。

(3)出矿层巷道是支护工作重点，容易发生破坏的部位是放矿口，特别是出矿进路与巷道的交叉部位等应力集中区域。破坏模式受岩体力学性质、岩体结构和接触带岩性控制，其中位于蛇纹岩中的巷道破坏方式受蛇纹岩特殊力学性质控制，是目前底部结构支护研究的重点。出矿巷道位于五通组砂岩和蛇纹岩等硬度较大岩体中，岩爆也是影响其稳定性的因素之一。

(4)通常巷道破坏主要在顶板和帮壁上部，因此底部结构出矿巷道、出矿进路帮壁下部，距底板约1～1.5m处前期没有进行支护或仅采用锚网支护，受应力转移和爆破震动影响大多破坏严重，也是治理重点。

(5)充填封闭墙破坏，主要表现为墙体开裂、墙体剥落和墙体断裂等。

3 地压危害综合治理方案

通过调查和分析，冬瓜山矿段采准工程开挖后根据所揭露矿岩性质、工程跨度和主要功能分别采用不同方式支护。采准工程支护后二次受岩体自身稳固条件、爆破扰动和应力集中等因素影响而发生破坏，产生地压危害。对冬瓜山矿段不同岩体类型、不同工程跨度的支护方式所适应条件进行分类，作为地压危害治理的依据。

3.1 治理方案选取

1) 工程岩体类型

凿岩硐室主要设在顶板大理岩和上部易选的矿体内，大理岩岩石强度中等但岩体完整性较好，岩体分级为Ⅲ～Ⅱ级，属较好～好的岩体，易选的含铜磁黄铁矿、矽卡岩含铜和含铜黄铁矿均为强度高完整性好的岩体，岩体分级为Ⅱ～Ⅰ级，属好～很好的岩体，另外凿岩硐室受爆破影响小。凿岩硐室主要采锚网联合临时支护，顶板凿岩硐室爆破结束后人员不再进入，重复支护量小。

底部结构主要设在底板难选的含铜蛇纹石矿和角岩化粉砂岩或石英岩，岩石强度高，岩体完整性一般，岩体分级Ⅲ～Ⅰ级，属好～很好的岩体，但人员及设备在底部结构出矿巷道和出矿进路作业时间长，受爆破破坏影响大，多采用锚网喷联合支护或浇筑混凝土支护。底部结构工程处于含铜蛇纹岩及周围的矿岩接触带或蚀变带区域，一般损坏严重，重复支护率高。

2) 工程尺寸

硐室巷道工程的尺寸是影响稳定的重要因素之一，冬瓜山前期一步骤开采时部分硐室宽度达7.2m，主要采用锚网支护，并辅之锚索支护；其他较小尺寸凿岩硐室主要采用锚网支护。凿岩层穿脉巷道规格为4.2m×3.7m，出矿层穿脉巷道尺寸为4.5m×3.75m，服务时间长多采用锚网喷支护。底部出矿巷道和出矿进路，巷道尺寸为4.5m×3.75m，跨度较大，服务时间长，受爆破冲击大，一步骤主要采用锚网喷支护，二步骤开采多采用混凝土加强支护。

凿岩硐室因其服务时间短，重复支护量小；穿脉巷道受爆破影响小，应力集中现象较小，重复支护量小；底部结构出矿巷道与出矿进路、出矿进路与堑沟眉线交结处，跨度较大处原岩与支护结构损坏破坏一般较严重，重复支护量大，也是地压危害治理的重点。

3.2 支护方式选取

按凿岩硐室、穿脉巷道、底部结构出矿巷道和出矿进路等不同工程类别选取不同的支护方式，不同工程服务时间差别、人为采矿爆破影响是支护方式选取的主要依据，以下主要以工程类别选取支护方案。

1) 喷射混凝土支护

喷射混凝土采用高压气体作用下将混凝土和添加剂搅拌混合物快速喷射至待支护岩体表面，经过养护与支护围岩黏结，形成强度较高的表面支护层。这类支护主要用于凿岩穿脉巷道，对巷道表面破碎圈和局部易风化岩层封闭加固，防止表层岩体风化和进一步松动破坏。由于干式喷射混凝土支护材料回弹率高，强度偏低，作业条件差，建议采用湿式喷射混凝土支护方式，同时要充分考虑喷射混凝土早期强度与围岩变形之间的关系，对于软弱破碎围岩要进一步提高其早期强度。具体设计方案如图1所示。

图1 凿岩穿脉全断面喷射混凝土支护

2) 锚杆金属网联合支护、锚索支护

锚杆作为矿山巷道支护的一种非常高效的手段得到了广泛的应用，从机械式锚杆、管缝式锚杆、树脂锚杆和组合锚杆等方式，其发展理念也在不断更新，以前的观念认为锚杆是一种被动式支护方式要等围岩发生变形之后锚杆的支护力才能不断增大，而现在的观念认为要不断提高锚杆的主动支护效果，如通过增加预应力使得锚杆在早期就与围岩体形成一个整体，有效增加了矿山巷道支护效果，减少巷道冒顶事故[7-8]。

锚索作为一种主动的支护技术，在进行巷道支护时可以将锚索的支护作用力传递到巷道周边较远处的稳定岩层，从而对巷道围岩形成强有力的悬吊作用，增强围岩的整体稳定性，一般用于大跨度和围岩破碎硐室中，特别是在断层附近以及受到较强爆破扰动作用中的巷道中具有非常好的应用效果。

由于冬瓜山矿深部巷道面临高应力、强扰动作用、岩爆灾害等风险因素，因此在实际实施过程中主要采用组合式的支护手段，如锚杆金属网联合支护方式主要用于临时支护，凿岩层穿脉巷道、充填巷道、凿岩硐室锚杆金属网联合支护，底部结构在施工过程中也采用锚网临时支护。凿岩硐室宽度有5m、6m和7.2m等多种，出矿进路和穿脉巷道宽度4.5m。图2和图3所示分别为凿岩穿脉、凿岩硐室锚杆金属网联合支护方式。

图2 凿岩穿脉锚杆金属网联合支护

图3 凿岩硐室锚杆金属网联合支护

锚索支护前期主要用于跨度大、矿岩稳固性差的硐室，在现场调查中，60线以北采区部分采场连续出现较大的裂缝，岩体整体的稳固性较差，在二次支护中，需要利用锚索进行支护。在二步骤回采中，对于应力集中明显的采场硐室，或采后用于废石充填的二步骤采场硐室也需要利用锚索进行支护，该类采空区暴露时间长，卡车在硐室边倾倒矸石。图4所示为凿岩硐室锚索、锚杆金属网联合支护图。

图4 凿岩硐室锚索、锚杆金属网联合支护

3) 锚杆金属网喷射混凝土支护

喷锚网联合支护技术是一种综合性支护手段[9]，其同时具有锚杆、喷浆和金属网三者支护效果，对于永久性巷道、围岩破碎区域或受扰动作用影响大区域是一种非常好的支护技术手段，在使用过程中要充分发挥三者之间的联动作用，一般先喷一次较薄的混凝土层，然后进行锚杆支护和挂网，最后再进行一次喷浆作业，这样可使得喷层的总体柔性大大增加，增强支护体对围岩变形的适应能力。

锚杆金属网喷射混凝土支护主要用于出矿巷道、出矿进路以及穿脉巷道，底部结构是支护的重点，底部结构应力集中，来往车辆频繁，受到爆破震动影响大等，支护结构破坏严重。

出矿巷道和出矿进路断面4.5m×3.75m，巷道断面大，穿过岩体有蛇纹岩和砂岩，这两种岩体强度和稳固性一般，岩体分级Ⅲ～Ⅳ级以下，锚杆金属网喷射混凝土联合支护是凿岩穿脉一步采场主要支护方式，具体如图5所示。

图5 出矿巷道和出矿进路锚杆金属网喷射混凝土联合支护

4) 钢筋混凝土支护

冬瓜山铜矿采场底部结构的巷道在出矿进路眉线附近、巷道工程交叉的应力集中部位和部分巷道的二次或多次维修支护时采用了钢筋混凝土支护结构形式。钢筋混凝土支护又细分为全断面浇筑混凝土支护、巷道部分钢筋混凝支护(混凝土档墙和混凝土拱等)，巷道顶、帮均破坏严重地段采全断面钢筋混凝土支护。由于钢筋混凝土支护整体性好、强度高，在发生一定破坏时仍有支护作用，是处理受破坏严重出矿巷道和出矿进路的主要支护方式，特别在二步骤采场采准工程支护时采用较多，图6所示为出矿巷道(进路)全断面钢筋混凝土支护方式示意图。

图6 出矿巷道(进路)全断面钢筋混凝土支护方式

4 结论

本文通过调研井下巷道围岩破坏类型及其特点，研究当前主要的围岩变形控制理论和支护手段，针对不同巷道破坏类型和巷道所在工程区域提出了针对性的支护手段，并进行了支护方案优化设计，现场实践效果表明采用合理的针对性的支护手段可以很好的控制巷道变形，从而为冬瓜山矿深部地压灾害治理提供了一种有效的治理方法。