淺談松散斷裂帶中巖體成巷研究

王少雷，王加磊，姚樹標

玲瓏金礦作為我國金礦開采早期的礦山之一，其地質條件復雜，礦體的形狀多變且類型較多，因此在開采的過程中會遇到不小的問題。正因為其構造的復雜性以及當時開采手段的單一性，在礦區內一些斷裂帶過于松散，不利于巖體的成巷，因此需要結合該礦的地理位置、巖性、礦脈結構和水文條件等進行施工技術的研究，從而發現問題、解決問題、創新技術手段等。

1 松散巖體的性質與特征

1.1 松散巖體的性質

松散巖體是一種非均質和理想的散體介質。由于松散巖體的圍巖支護不恰當導致了成巷道頂部的冒落或者底板下塌，其塊度是隨機的，大小不一且有粉狀，這就會影響松散巖體移動的規律。由于巖體的地質構造類型，使得在頂部圍巖崩落后，形成了許多幾何形狀的塊體，對于孔隙和壓實度來說是不均勻的。在松散介質內部，互相接觸的顆粒發生移位的時候就產生了內摩擦角，這種內摩擦角包括靜摩擦、滑動摩擦以及滾動摩擦。對于松散巖體的粘聚力則與黏土顆粒的多少、濕度以及壓實度有關。

1.2 松散巖體的特征

首先松散巖體會產生結構變形，這是不可逆的塑性變形。松散巖體受外力后水膜厚度和吸附力相關，這種變形是可逆的，也被稱之為彈性變形。對于不可逆的結構變形，主要是根據孔隙的變化來判斷，其孔隙比變小則松散程度變小，兩者呈負相關的關系。

其次松散巖體具有流動性的特征，包括平衡拱破壞整體移動和散體顆粒相對移動兩種方式。前者是松散巖層向下移動時平衡拱形成和破壞的交替過程，只有平衡拱被破壞，巖層才能夠向下移動。而后者是因為松動的顆粒受壓，在質點重心建立的空間直角坐標系，其決定了巖層的內部顆粒移動的方式。

2 采礦過程中存在的問題

2.1 采礦效率低

由于我國開采礦產資源的方式比較傳統，充填體的強度會隨著時間的推移而降低，采準工程布置的方式也會影響礦產資源開采的效率，這就造成了在礦產開發的過程中回采的效率很難有比較好的提升，礦塊的生產能力也是有限的。

2.2 安全性較差

由于膠結材料、料漿裝備、輸送工藝和填充方式的影響，普通礦房的填充強度低，充填接頂和鋼筋網的連接方面效果也欠佳，這就會造成進路回采的安全性低下，加上高水固結材料的價格比較高，提高了整個礦房填充的成本。

2.3 工人的勞動強度過大

在進行礦房下放物料的時候，唯一的通道就是通過溜井運輸，當礦房采至底部時，物料就需要輾轉十幾掛梯路才能夠達到作業地點，這對勞動力的要求和強度很高，同時也大大降低了工人們的工作效率。

2.4 回采危險系數高

由于向下進路力學承載原理和破壞機理不可知，加上進路斷面、承載層的厚度以及鋼筋網的直徑都需要數據優化，而且下進路的分層間缺少有效的連接，如果建造的假頂承載效果不理想，會直接掉落，增加了礦山中的風險系數。一部分的鋼筋網懸掛在填充體的表面，在沒有受到外力作用時，會造成資源的嚴重浪費，增加進路回采的危險性，因此其制造工藝有待優化。

2.5 礦區的地質結構復雜

礦區中的巖層破碎且類型繁雜，其中最主要的是以黃鐵礦化鉀化花崗巖為主，巖層的周圍是細小的顆粒，局部伴有絹英巖化，部分夾雜著石英和老地層。由于礦體位于構造的破碎帶內部，導致了礦體上下巖層的不穩定性，巖石群極易破碎，且存在隱性三角節理。在采礦的過程中，如果遇到破碎的巖體，不外乎兩種，一是巖體原有的結構加上開挖應力作用破碎后仍處于原來位置的破碎巖體，也被叫做原位破碎巖，比如圍巖破碎帶。另一種是由于在開采過程中或是開挖的時候受到了影響而破碎的冒落堆積體或者人工填充體，也被稱為堆積破碎巖體。

3 松散斷裂帶中巖體成巷的研究

3.1 松散斷裂帶中巖體成巷遵循的原則

在斷裂帶中巖體成巷的施工過程中主要是選擇合理的方式施工，這與施工的條件、圍巖的條件、巷道斷面積以及工期和環境都有密切的關聯，需要遵守的基本原則包括選擇合理的開挖方式來對圍巖進行保護，避免對圍巖強度的過度破壞和損傷；在進行挖掘是注意重點保護頂部；合理的確定支護結構類型和時機；準確并及時的進行量測和監控，從而更有效的指導施工和設計；盡量采取預先支護的施工方式，促進斷面的及早形成；加強重點部分的支護，避免巷道開挖后部分薄弱的部位坍塌；在施工的過程中，必須要建立起設計、施工檢測、地質預測、量測反饋以及修正設計的一體化施工管理體系。

松散斷裂帶中巖體成巷一定要選擇有效的支護方案，才能夠保證施工過程的安全性。支護必須要適應松散體的變形規律，由于其強度較低，一旦開始施工，變形的壓力就會上升，支護結構必須適應大變形的要求，讓圍巖在適當的變形基礎上釋放部分的能量；其次要避免利用圍巖自身的強度進行支護。松散斷裂帶的松散體是不具備承載能力的，與一般的支護方式不同，對其的巷道設計不應考慮松散體的自身承載能力，可以采用被動的支護方式，向松散體內填充細料或者泥漿，這樣更有助于粘合，提升承載能力，其受力點才能夠不產生移動；支護的結構需要完整性，由于斷裂帶中的松散體受力后產生一定的移動，因此要考慮支護時的整體性，提升支護結構的承載力，預防松散體變形而導致支護失效；支護要提供防御圍巖過分變形的強度，嚴重變形會導致巖體自身承載能力的下降，因此在支護結構體系中允許一定變形的基礎上，提供支護抗力，這才能夠有效的防止松散體圍巖的變形；支護一定要及時才能夠防止頂板的冒落；最后支護的形式要以經濟合理為基礎，工藝簡單為根本，充分的考慮到臨時支護與永久支護同時間段內完成，保證巷道在服務期限內不會受回采作業的影響，盡量做到經濟合理，對于一些服務年限較長的巷道，搭建起臨時支護的同時，還要進行永久支護，這就要求工藝上的簡約，工人們施工的時候更容易掌握技巧。

在進行巷道施工的時候，支架的重要性不言而喻。要保證支架承受圍巖的壓力，有良好的技術經濟指標，這樣才有助于生產的正常進行；受采動的影響，支架要具備工作左立以及可伸縮性；在支設過后，支架的承載能力要快速達到應有水準，同時有良好的工作特性，當支架達到極限的承載能了時，變形也是隨之發生的，為了避免突然遭到破壞，要先保證工人的人身安全以及設備的使用安全；支架需要盡量的減少空間占道，受阻力的系數也是越小越好；支架構件有一定的抗壓性，這樣才能適應在井下拉升、彎曲以及壓縮、剪切等復雜的受力狀態；支架材料的機械性能和物理化學性能一定要保持穩定，既要能防腐、防銹還要無害；支架的制造工藝最好以簡單為主、零件互換的性能好，便于組裝、拆卸以及保管和運輸；最重要的是支架的各項費用要盡可能的低。

在進行巷道施工的時候也需要具備一定的原則，包括巷道的類型和用途、服務的年限、巷道圍巖的物理性質、巷道的深度、斷面情況、布置額方式、施工的方式、材料的選擇和加工以及經濟技術的合理性。

3.2 成巷施工的方案選擇

第一是關于巷道掘進方案的選擇。根據介質的特征以及運輸平巷對穩定性的要求，結合國內外先進的掘進技術和發展，針對該公司的移動松散介質，金礦采用掘進技術包括盾構法、頂管法、凍結法、預先注漿法、預先襯砌法、插板法、超前插桿法以及管棚法。盾構法的施工效率非常高，但相對成本也會提升，不僅適用于軟巖，而且硬巖也適用，埋深的深度要大于等于6cm，且大于盾構直徑的大長隧道，直徑不小于4.2cm 的圓形斷面，因此不適用于礦山運輸平巷的中小巷道。頂管法適用于軟土和松散巖體，并且適用于中小巷道，從經濟層面來看，適合深埋，而且巷道斷面多是矩形，施工的效率得到了提升，造價還低，不過前期準備的時間比較長，因此可以在考慮的范圍之內。凍結法適用于淤泥和流沙地帶，這種方法施工效率不高且成本較高，因此不適用。預先注漿法適用于軟土和含水層，該金礦是以堅硬巖石為主，對于大范圍需要支護的地層得不到很好的效果。預先襯砌法的施工效率低且造價高，更適用于土礫等圍巖強度低的地層。插板法的施工效率不高，造價也比較低，適用于圍巖破碎但底板穩定的施工環境中，因此該方法也不適用。超前插桿法適用于巷道局部需要穿過松軟礦體的地質，且冒落散體的塊度較小，容易施工，但是長插桿的施工難度比較大，也不適合金礦開采。管棚法適合軟巖施工，穿過破碎帶、松散帶和軟層等圍巖，同時適合淺埋和深埋，在進行管棚注漿的時候，最重要的是加固圈構建，但是由于介質內有很多塊石組成的棚架，使得介質內空洞大且多，這些洞與斷裂帶相連，注漿的時候在壓力的作用下會導致一定的空洞泄洪，不能在管棚附近均勻的擴散，因此注漿加固圈無法形成，因此可以使用間歇式注漿法，待原注入漿液初凝后再次加注，反復幾次，則使得泄漿通道變小并堵塞，以此達到均勻的目的，因此管棚法可以考慮。在巷道的掘進中，工人對技術的掌握程度是巷道質量和工程進度的保障，工人最易掌握的就是插桿法和插板法，其次是頂管法和管棚法，凍結法需要工人有較高的施工能力，綜合考慮最終可以選擇安全性最好的管棚法、施工效率最高的頂管法以及工人掌握程度最好的超前插桿法。

第二是關于臨時支護方案的選擇。目前我國臨時支護的方法主要有木棚支護、石材支護、噴錨支護、金屬支架支護、前探支護以及鋼纖維噴射支護。木棚支護適用于地壓小、服務年限小于兩年的小斷面采取巷道，由于其特點與大多數的巷道圍巖變形規律不相符，且我國森林資源不足，應該盡量不用或少用該方法。結合臨時支護需要和掘進方案相結合，要考慮管棚法、頂管法和超前管棚法的配備程度來選擇臨時支護的方案。頂管法不需要臨時支護，超前插桿法則是要提前開挖施工，插桿作為超前支護的同時也要承擔一定的臨時支護作用，而管棚法中本身就是臨時支護。

第三是關于永久支護方案的選擇。其中常見的形式有噴錨支護、拱碹支護、金屬支架支護以及聯合支護。拱碹支護適用于服務年限長，不受采動影響，圍巖變形量小的巷道，對于大面積的冒落松散介質并不適用，且該方法需要現場的澆筑，對初期支護的強度要求高，而使用管棚法和超前插桿法的掘進施工對臨時支護的安全系數要求較高，因此可以考慮使用鋼筋混凝土作為永久支護。噴錨支護的效果好，能夠提升圍巖的穩定性和強度，對于成層巖體的動強度低，施工速度快，相對于其他方式具有優勢，可以根據需要改變錨桿的長度、直徑等要素，但是支護范圍有限，對于沖擊圍巖和大變形軟巖來說，適用程度較低。金屬支架支護適用于受到動壓影響，圍巖變形量較大且條件好、寬度小的巷道。如果松散體中的圍巖條件變差，則需要使用聯合支護。金屬支架在安裝的時候效率高，與其他支護方式不同的是它可以成為主要承載構件，在臨時支護后可以直接作為永久支護。因此采用超前插桿法或者管棚法作為掘進方案時，可以選擇金屬支架支護或者鋼筋水凝土作為永久支護。

4 成巷施工工藝技術研究

經過一系列的研究和實驗，該公司金礦在對斷裂帶中松散巖體成巷施工時，最終采用的是一次成巷的方式，永久支護只要采用的是三節U 型鋼可伸縮支架，超前支護采用的是頂板插桿法支護，再結合兩幫U 型鋼拱架插桿支護。

具體的步驟如下，在兩幫穩固位置安裝第一處用于移動松散體中巷道頂板超前支護的支撐裝置，緊靠兩邊位置向上插入工字鋼，與支撐裝置焊接固定，在棚梁上部向前探出工字鋼的超前插桿，中間使用木板連接，與棚梁的接觸面焊接固定，向外轉運超前插桿的毛石并進行清運，在穩定的底板上鋪工字鋼架，作為U 型鋼拱架的底座，在鋪設過程中，底部與底座要通過角鋼焊接而成，以U 型鋼拱架為支點，打入鋼管作為兩幫的支護，然后清理頂部的浮石，對塌陷區進行填充，在搭建棚梁時鋪設鋼拱架底座，增強整體支護的強度。在兩架U 型鋼架中間焊接金屬網，分三次進行，在距離巷道頂部超前支護裝置的2.5m 處安裝第二處支撐裝置，以此重復進行，直至穿越松散的巖體。

5 成巷施工效果研究

5.1 提高采礦效率

在經過創新后，新型采礦方式能夠提供備采的進路，將落礦、支護、填充等工序在時間與空間錯開，打破了原來的勞動模式，大大提升了勞動效率，從而保證采礦量的穩定上升。

5.2 安全性的提升

在進行成巷施工后，采用新型的填充材料和工藝，這提升了整個充填的質量，強度和人工頂承載厚度，大大改善了填充接頂的效果，而填充體的整體性增強了，這就為施工創造了相對安全的環境。隨著斜坡道加分段巷的采準布置形式的出現，使得采場的安全出口數量增多，安全性增強。

5.3 勞動強度的降低

利用鏟運機出礦的方式能夠有效的減輕工人的勞動強度，工人在向采場運輸物料的時候，由于斜坡道直接到達采場，改變了原本礦井運輸物料的方式，從而減輕了工人們運輸的強度，提升了施工的工作效率，有利于人工、材料、設備的運輸。

5.4 填充成本的降低

新型填充材料在成本上要遠低于傳統的高水材料，在用量上，由于新技術是進行分次填充的，材料的配比度更加的靈活，膠結材料的用量也減少了，而填充進路規格的增加減少了填充的次數，使得人力成本得到進一步的降低。

5.5 損失貧化率的降低

在施工現場布置兩條溜井可以減少損失貧化率，采場設置專門的泄水天井，進一步解決了廢水排放問題，采場的廢水可以分層經過聯絡巷和分段巷排放至泄水井，從而減少礦石泥化現象的發生以及含水率的降低。

6 結論

針對山東黃金礦業公司中一處斷裂帶的松散巖體成巷研究，進行總結和創新，促進我國礦產開發，發揮其經濟社會效用并推動行業科技的進步。