梧桐沟铁矿复杂地质地段巷道支护工程实践.pdf

梧桐沟铁矿复杂地质地段巷道支护工程实践 ① 黄成林１，２， 陈清运３， 唐洪湘２ （１．新疆昌茂矿业股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 ８３００００； ２．新疆中矿智汇矿业科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 ８３００００； ３．武汉工程大学 资源与土木工 程学院，湖北 武汉 ４３００７４） 摘 要 为解决梧桐沟铁矿在复杂工程地质条件下的巷道支护问题，开展了详细工程地质调查研究，根据岩体地质力学分类法 （ＲＭＲ）将矿区围岩分为 ４ 类，并指出影响该矿围岩稳定性的主要因素是岩体质量指标、非连续面条件和地下水。 针对该矿围岩类 型，分别提出了 ４ 种支护方案。 现场实施结果表明，巷道能保持稳定，坑内涌水量减少近 ２０％，改善了井下作业环境条件，取得了较 好的效果。 关键词 围岩； 绿泥石石英片岩； 地下水； 破碎带； ＲＭＲ 分类； 巷道支护 中图分类号 ＴＤ３５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０３．００４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０３－００１４－０３ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｒｏａｄｗａｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｕｔｏｎｇｇｏｕ Ｉｒｏｎ Ｏｒｅ Ｍｉｎｅ ＨＵＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ⁃ｌｉｎ１，２， ＣＨＥＮ Ｑｉｎｇ⁃ｙｕｎ３， ＴＡＮＧ Ｈｏｎｇ⁃ｘｉａｎｇ２ （１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｃｈａｎｇｍａｏ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｕｒｕｍｑｉ ８３００００， Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｚｈｏｎｇｋｕａｎｇ Ｚｈｉｈｕｉ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｕｒｕｍｑｉ ８３００００， Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｗｕｔｏｎｇｇｏｕ Ｉｒｏｎ Ｏｒｅ Ｍｉｎｅ， ａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｉｔｓ ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｏｂｌｅｍ． Ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ４ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｒａｔｉｎｇ （ＲＭＲ） ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ， ｎｏｎ⁃ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ． Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ， ４ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ． Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｃｈ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｎ ｓｉｔｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｒｏａｄｗａｙ， ｗｉｔｈ ｇｒｏｕｎｄ⁃ｗａｔｅｒ ｉｎｆｌｏｗ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｎｅａｒｌｙ ２０％． Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ； ｓｈｌｏｒｉｔｅ ｑｕａｒｔｚ ｓｃｈｉｓｔ； ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ； ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ； ＲＭＲ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｐｐｏｒｔ 矿山巷道支护方法，从早期的棚式支架支护，发展 到锚喷网支护［１－２］。 随着矿山开采深度和强度增加， 围岩条件越来越复杂，巷道出现围岩破碎、变形量大的 特点，成巷愈加困难，于是联合支护技术应运而生。 联 合支护技术使用类型较多，如 Ｕ 型钢支架锚索、Ｕ 型 钢支架喷注、锚网喷索、壁后充填全断面封闭式 Ｕ 型 钢可缩支架等［３］。 有多家矿山采用分步实施联合支 护，掘进工作面帮顶超前支护、扒矸后进行帮顶补强加 固和底板支护，实现了控制围岩稳定的目的［４－１０］。 在复杂工程地质条件下，采矿巷道支护面临的突出 问题是巷道支护成本和矿山经济效益之间的矛盾。 在 保证巷道稳定的前提下，结合矿山巷道服务年限短的特 点，选择一种经济合理的支护方法，是矿山走出困境的 重要思路。 梧桐沟铁矿主要围岩为绿泥石英片，节理裂 隙较发育，地下涌水量较大，构造应力场大。 在此条件 下，结合围岩地质力学分类结果，根据锚杆喷射混凝土 支护技术规范［１１］，提出了巷道支护技术方案，并将其 应用在矿山现场不同施工段，取得了较好的效果。 １ 矿区围岩工程地质调查与研究 １．１ 工程地质 梧桐沟铁矿位于新疆吐鲁番市鄯善县境内。 该矿 氧化带（深度 １２０ ｍ 左右）为褐铁矿，已用露天开采方 式采完，氧化带以下原生矿为菱铁矿，采用地下开采， ①收稿日期 ２０１６－０１－０４ 基金项目 国家自然科学基金（５１３７４０４９）；新疆生产建设兵团重大科技专项（２０１４ＡＢ０３９）；新疆生产建设兵团博士基金（２０１２ＢＢ０１５） 作者简介 黄成林（１９７０－），男，湖北大悟人，博士，高级工程师，主要从事采矿工程技术方面的研究工作。 通讯作者 陈清运（１９６４－），男，湖北武汉人，博士，教授，主要从事矿床开采理论及技术研究工作。 第 ３６ 卷第 ３ 期 ２０１６ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №３ Ｊｕｎｅ ２０１６ 矿山建设规模为 ６０ 万吨／ 年。 矿区内褶皱、断裂破碎带较发育，主要有阿其克库 都克大断裂（Ｆ１）、卡瓦布拉克大断裂（Ｆ２）、乌勇布拉 克大断裂（Ｆ３）等三条大断裂带及次生断裂。 矿区地 下水类型主要为基岩裂隙水，赋存于绿泥石石英片岩、 大理岩及铁矿层中。 受大断裂影响，矿区部分地段裂 隙发育，深度 ５０～３００ ｍ 不等。 在大理岩及铁矿中发 育了一定数量的溶蚀孔洞。 由于裂隙和孔洞的存在， 受大气降水的渗透补给，形成基岩裂隙水。 矿山井下 日涌水量 ８００～１ ０００ ｍ３。 矿区主要围岩为绿泥石石英片岩，其次为分布较少 的大理岩。 绿泥石石英片岩物理力学参数见表 １。 表 １ 绿泥石石英片岩物理力学参数 吸水率 ／ ％ 单轴抗压强度 σｃ／ ＭＰａ 干湿 单轴抗拉强度 σｔ／ ＭＰａ 内聚力 ｃ／ ＭＰａ 内摩擦角 φ／ （） ０．６７９４．１７５．３１５．２７．６５３８．０６ １．２ 地质特征 根据现场钻孔地质调查，矿层底板 ＲＱＤ 值统计结 果在 ４０％～９０％，平均值为 ６１％。 在绿泥石石英片岩 中，由于长期的构造剥蚀作用，层理、片理及断裂等构 造裂隙发育，多有泥质充填，呈闭合状。 优势结构面倾 角 ３０～４０，与矿体走向、倾向基本一致。 １．３ 地下水特征 矿区水文地质调查结果表明，根据含水量不同可 将围岩分为 ４ 类① 含水量很少地段。 该地段由于围 岩基本未受到大断裂等构造的影响，完整性较好，基本 不存在基岩裂隙水，处在干燥状态。 ② 含水量较小地 段。 该地段围岩受到大断裂等构造的影响较小，完整 性较好，存在少量的基岩裂隙水，围岩强度受到裂隙水 的影响。 ③ 大水地段。 该地段围岩受大断裂影响，形 成宽度 ０．５～３ ｍ 的破碎带，掘进时工作面涌水量大于 ５ ｍ３／ ｈ，初始水压较大，开挖后水压逐步减小，涌水长 期存在、不干涸，围岩强度受裂隙水影响较大，部分围 岩软化为松散体。 ④ 大水且破碎地段。 围岩受大断 裂影响严重，形成宽度 ３～１０ ｍ 的破碎带，掘进时工作 面涌水量大于 ２０ ｍ３／ ｈ，初始水压很大，涌水长期存 在、不干涸，破碎带中大部分岩石软化为松散体，正常 方法无法安全开挖。 １．４ 围岩地质力学分类 在围岩工程地质详细调查基础上，根据岩体地质 力学（ＲＭＲ）分类标准进行围岩分类，结果见表 ２。 由 表 ２ 可见，影响矿区围岩质量的主要因素是岩体质量 指标（ＲＱＤ）、非连续面条件、地下水，主要原因是绿泥 石石英片岩的水敏特性突出，对围岩的工程性质影响 较大。 矿区围岩主要分为 ４ 类较好围岩、一般围岩、 较差围岩、很差围岩。 表 ２ 围岩地质力学分类结果 评价指标标准值得分 单轴抗压强度（ＭＰａ）７５．３７７７５ 岩体质量指标 ＲＱＤ（％）４０～８９１７１３８６ 非连续面间距（ｍ）０．３－０．２５－０．１５１０９８６ 非连续面条件泥质充填，封闭２０１８１０８ 地下水干燥⁃少水⁃大水１５１０４０ 节理方向 对工程影响修正 一般 －５ －５ －５ －５ ＲＭＲ 值６４５３３２２０ 分类等级ⅡⅢⅣⅤ ２ 支护方案 根据围岩地质力学分类结果，参考锚杆喷射混 凝土支护技术规范 ［１１］，不同类型围岩的巷道支护方 法分述如下。 ２．１ Ⅱ类围岩巷道支护 在Ⅱ类围岩中，围岩完整性较好，不存在基岩裂隙 水，选择喷锚支护类型。 选用 Φ１６ ｍｍ 螺纹钢锚杆，鉴 于锚固剂的优良工程特性［１２－１３］，选用锚固剂作为锚杆 粘结剂，锚杆长度 ２ ０００ ｍｍ，每排 ７ 根，间距 ７００～８００ ｍｍ，排间距１０００ ｍｍ，喷射混凝土厚度５０ ｍｍ。 见图１。 2000 5050 2700 2800 20002950900 50 . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . .. .. . . . . . . .. . . .. . . .. . .. . . .. . . . . . .. . . .. .. . . . . . . .. . . .. . . . . .. .. . . . . .. . . . . .. .. .. .. . . . .. . . .. . . .. . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. .. .. . . .. . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. . . .. .. . . .. .. .. . . .. .. . . . . . . .. .. .. . . . . .. .. . . .. . .. . . .. .. .. . . . . .. .. . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 图 １ Ⅱ类围岩巷道支护方案 ２．２ Ⅲ类围岩巷道支护 在Ⅲ类围岩中，围岩受大断裂影响较小，基本完 整，存在少量的基岩裂隙水，开挖后逐渐干涸。 断面形 状为圆弧拱，选择喷锚支护类型。 选用 Φ１６ ｍｍ 螺纹 钢锚杆，锚固剂作为粘结剂，锚杆长度 ２ ０００ ｍｍ，每排 ７ 根，间距７００～８００ ｍｍ，排间距１ ０００ ｍｍ，喷射混凝土 厚度 １００ ｍｍ。 见图 ２。 ２．３ Ⅳ类围岩巷道支护 在Ⅳ类围岩中，围岩受断裂影响较大，形成一定厚 度的破碎带，涌水量较大。 断面形状为圆弧拱，选择喷 ５１第 ３ 期黄成林等 梧桐沟铁矿复杂地质地段巷道支护工程实践 2000 100100 2700 2900 2000 3000 900 100 . .. . . ... .. . . . . . .. .. .. .. ... .. .. . .. . . .. . . .. . . . . . . . . . .. . . ... . . . .. . . . .. .. . .. . . . . .. . . . . . . . . . .. . . .. . . .. .. .. .. . . .. .. . .. .. . . . . . . . .. .. . . .. . . . . . .. . .. .. ... .. . . .. . . .. . . . . .. . ... . .. . . . . . . . .. . . . .. ... .... .. .. .. . . . .. . . . . . . . . . ... ... . .. . .. . . .... .. ... . . . . . . . .. . . . . .. . . .. .. .. . . ... . . . .. .. . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. . .. . . . .. .. . . . . .. . . . . . . . .. . .. . . . . . . .. .. . .. . . . . . . .. . . .. . .. .. ... .. .. .. .. . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . .. . . .. . . . ... ... . . .. .. . . . . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... .. .. . . .. . . . . .. . . .. .. . .. . ... .. . . ... . . .. . . .. . . . ... . . . . .. . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . .. . . . ... ... . . .. .. .. .. . . .. .. .. . . .. . . . . . . . .. .. . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . ... .. .. . . . . . . . ... . . . . . . . . .. .. .. .. . . . .. . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. ... . . .. . . . . . . . . . . .. ... . . .. . . .. . . . . . . . .. ... . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . .. . . .. . .. .. . . . . . . . . . . . . ... ... .. . . . . . . .. . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . 图 ２ Ⅲ类围岩巷道支护方案 锚网支护类型。 选用 Φ１６ ｍｍ 螺纹钢锚杆，锚固剂作 为粘结剂，锚杆长度 ２ ０００ ｍｍ，每排 ７ 根，间距 ７００～ ８００ ｍｍ，排间距 １ ０００ ｍｍ，喷射混凝土厚度 １００ ｍｍ， Φ６ ｍｍ 钢筋网，网度 ２００ ｍｍ ２００ ｍｍ。 如果涌水长 期存在、不干涸，先采用超前预注浆堵水施工，注浆材 料采用纯水泥。 见图 ３。 2000 100100 2700 2900 2000 3000 900 100 图 ３ Ⅳ类围岩巷道支护方案 ２．４ Ⅴ类围岩巷道支护 涌水量很大的Ⅴ类围岩，矿山建设施工中仅遇两 次。 围岩受大断裂影响严重，正常方法无法安全开挖。 采用加密的径向注浆施工，注浆材料采用纯水泥。 此 加密注浆施工既有超前预支护的作用，又有堵水的作 用。 加密注浆工程完成后，采用短掘快支，掘进进尺 １ ｍ 左右，及时完成支护。 采用型钢钢架初期支护、钢 筋混凝土砌筑二次支护的联合支护方法先期采用 Ｕ 型可塑性支架支护，间距 ０．５～１．０ ｍ，底部施工锁脚锚 杆；根据工程施工间距及时进行二次钢筋混凝土砌筑 支护，砌筑厚度大于 ２５０ ｍｍ。 见图 ４。 ３ 应 用 由于矿山地质条件复杂，确定了支护方案后，矿山 加强了地质编录工作，根据矿山地质报告和已施工地 段的实际情况，对未施工地段的地质情况进行了预判， 2000 250250 2700 3200 2000 3150 900 250 图 ４ Ⅴ类围岩巷道支护方案 适时准备支护材料及人员、设备等，加快了施工进度， 降低了施工成本。 自 ２０１２ 年开始应用，到 ２０１４ 年 １１ 月工程完成为止，矿山巷道支护效果较好，未发生支护 破坏的现象，同时矿山涌水量减少近 ２０％。 ４ 结 论 １） 矿区工程地质调查结果表明，影响矿山围岩稳定 性的主要因素是岩体质量指标、非连续面条件和地下水。 ２） 根据岩体地质力学分类法（ＲＭＲ），将矿区围 岩分为 ４ 类，提出了有针对性的 ４ 种支护方案。 现场 实施结果表明，采用该方案，能保证巷道稳定，可以减 少坑道涌水量 ２０％。 参考文献 ［１］ 张钦祥． 保德矿采动巷道围岩分次控制方法及关键支护技术 ［Ｄ］． 北京中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，２０１３． ［２］ 康红普，王金华，林 健． 煤矿巷道支护技术的研究与应用［Ｊ］． 煤炭学报，２０１０（１１）１８０９－１８１４． ［３］ 李爱军． 矿井深部沿空软碎巷道主动支护技术研究［Ｊ］． 煤炭科 学技术，２０１５，Ｓ１５９－６３． ［４］ 叶婷婷，周科平，胡建华，等． 基于随机有限元的隧道锚喷支护可 靠度方案优化设计［Ｊ］． 矿冶工程，２０１５（６）６－１０． ［５］ 冯 伟，朱 江，宋远卓． 极弱胶结地层中大断面硐室开挖及支护 技术研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１５（３）９－１３． ［６］ 李和志，贺建清，赵永清，等． 防止软岩巷道底鼓的水平锚杆支护 参数确定方法［Ｊ］． 矿冶工程，２０１５（５）１０－１３． ［７］ 赵 康，赵 奎． 金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征 ［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（４）６－１０． ［８］ 张志雄． 峨口铁矿南区平峒绿泥岩变形段支护的修复处理［Ｃ］∥ 第十八届川鲁冀晋琼粤辽七省矿业学术交流会论文集． 中国金属 学会，２０１１１１８－１２１． ［９］ 刘泉声，康永水，白运强． 顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩支护方 法探索［Ｊ］． 岩土力学，２０１１（１０）３０９７－３１０４． ［１０］ 王长贵． 绿泥岩地压破坏的巷道处理方案［Ｊ］． 有色金属（矿山 部分），２０１３（４）５７－６０． ［１１］ ＧＢ５００８６－２００１， 锚杆喷射混凝土支护技术规范［Ｓ］． ［１２］ 姜均文，陈清运，杨从兵，等． 锚固剂锚杆工程力学特性及应用研 究［Ｊ］． 金属矿山，２０１２（４）２３－２６． ［１３］ 朱汉明，梅群力，陈清运，等． 锚固剂玻璃钢锚杆支护工程力学特 性与应用［Ｊ］． 武汉工程大学学报，２０１４（４）６５－６９． ６１矿 冶 工 程第 ３６ 卷