柔性加固技术在房柱采矿法中的应用研究

吕达海，高洪鹏，张 轮

(1. 云南文山斗南锰业股份有限公司，云南 文山 663101；2. 云南省鹤庆锰业有限责任公司，云南 鹤庆 671500)



采矿

柔性加固技术在房柱采矿法中的应用研究

吕达海1，高洪鹏2，张 轮1

(1. 云南文山斗南锰业股份有限公司，云南 文山 663101；2. 云南省鹤庆锰业有限责任公司，云南 鹤庆 671500)

介绍了斗南锰矿将柔性加固技术应用于房柱采矿法，通过柔性加固技术加强顶板管理、提高了采矿安全性及采矿回采率，对同类矿山实现安全、高效开采有借鉴意义。

柔性加固；房柱采矿法；斗南锰矿

0 前 言

斗南锰矿为地下开采的大型锰矿，下属两个矿区，根据矿体的赋存条件和产状，采矿方法以房柱法开采为主，浅孔留矿法为辅。矿体顶板围岩多为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩和碎屑状灰岩、含锰灰岩等，f系数在6～7之间。上述岩体破碎、松软，围岩抗压和抗拉强度都较低。另外由于采矿爆破对周围围岩产生大量微裂隙，进一步降低了爆破后岩石的物理性能。这就是顶板围岩在采场空区较大时容易垮塌的基本原因，采场顶板的垮落对矿山生产安全造成了严重的影响。

经过近十年统计，造成该矿安全事故主要是矿体的伪顶板和直接顶板。伪顶板厚度为0.2～0.5 m厚的泥质粉砂岩，随采脱落；直接顶板为2 m左右的粉砂质泥砂，空区暴露后大部分地方在很短时间内会随之垮落。

为了减少顶板跨落对采场正常生产的影响，确保矿山的安全生产，云南斗南锰业有限责任公司与中钢集团马鞍山矿山研究院联合开展斗南锰矿采场顶板柔性加固技术研究工作。在项目研究期间项目组对矿山的地质情况、矿岩物理力学性质及工程地质条件进行了详细认真的研究，针对矿区特有的地质条件因地制宜，提出了适宜的采场顶板柔性加固方法，对该矿的安全生产有重要意义。

1 矿区采矿简述

斗南锰矿采用的房柱法主要参数为：阶段高度25～30 m，矿块划分一般以断层为界，矿块一般长度按40～60 m来划分。矿房沿倾斜方向布置，根据矿山实际，矿房宽5～8 m，房间留有房间柱2 m×2 m，间距3～8 m，矿块间留2 m连续矿柱，顶柱厚2 m，可视顶板情况适当回采。采、切工程布置是从中段平巷向矿体掘进人行通风联络道上山，反穿α=20(°)～25(°)，每隔20～30 m出矿梭槽上山，见矿后进行拉底连通，在拉底内向上掘进切割上山至矿块顶柱边界。每两两上山之间间隔8 m左右布置一条联络道，3～5条切割上山向上中段平巷掘进人行通风联络通道，构成回风系统与安全出口。

2 采场顶板柔性加固理论分析

缓倾斜薄矿体的开采，在国内外一直是难题。矿体倾角缓，采下矿石无法自溜，需采用机械运搬或人工扒运，采场出矿强度低；同时矿体和顶板整体性差带来的地压管理难度大与生产要求的经济合理性是一对矛盾，采场顶板管理仍困扰着矿山安全生产[1]。根据对国内缓倾斜矿体的采矿方法统计，包括有色和贵重金属开采在内，采用空场法占85%，其余主要采用分层充填法和电耙留矿法。在国外，空场法占61%，其余主要为充填法。

对于缓薄矿体，一般采用房柱法进行开采[2]。房柱采矿法是开采水平和缓倾斜薄矿体最有效、应用最广泛的一种采矿方法。房柱采矿法采场结构和回采工艺简单，采准切割工作量小，生产能力高，通风条件好，采矿成本低，但是矿柱所占比重较大，而且矿柱回收难度较大，造成矿石损失率较大。因此，应加强地压管理研究，合理确定矿柱尺寸，提高矿石回收率。

用房柱法开采缓倾斜薄矿体时，前提是用科学的手段保证采场的安全，即有效控制采场顶板的冒落，目的是要提高回收率。针对这一情况，确定合理采场参数尤为重要。

房柱法在划分回采单元的基础上，将矿房和矿柱规则交替布置。先回采矿房，留下规则的连续条带矿柱或不连续矿柱来支撑采空区顶板。这些矿柱一般不予回收，仅当矿石贵重或品位较高时，为提高回采单元的综合技术指标，才可考虑在后阶段进行部分或全部回收，回收矿柱同时要结合采空区处理一起进行。

利用房柱法开采水平或缓倾斜矿体时，主要靠矿房间的矿柱支撑顶板及上覆岩层，保证开采的安全，矿房之间一般留间断矿柱而不留连续矿柱。

利用房柱法开采水平或缓倾斜矿床时，对回采空间稳定性起限制作用的构件常常是顶板，这是因为矿石被采出后，采空区顶板会在其上覆岩层及自重力的作用下，产生向下的移动和弯曲，同时，在顶板中的某些部位会存在拉应力，当其内部拉应力超过顶板的抗拉强度时，顶板会出现断裂、破碎、冒落。此外，在采场顶板中，尤其是靠近矿柱的部位，存在较大的应力集中。为保证在回采期间顶板具有良好的稳定性，应合理确定顶板的尺寸，使顶板中不出现拉应力，或使出现的拉应力低于构成顶板岩石的抗拉强度，同时，亦使顶板与矿柱衔接处压应力、剪应力，相应低于其抗压、抗剪强度。

斗南锰矿采用房柱法开采缓倾斜矿体，经过多方论证确定了合理的矿柱尺寸、矿柱间距与矿房跨度，采场顶板仍有可能冒落，必须对顶板进行加固，即采取柔性加固措施。

3 采场顶板柔性加固技术方案

3.1采场顶板柔性加固基本原理

一般认为：当含有节理、裂隙的岩体处于复杂应力状态下，这些节理、裂隙端部会产生大的拉应力集中。当这些裂隙端部某一个拉应力超过岩体抗拉强度值时，裂隙便开始扩张，导致岩体发生破坏。

对于岩体的维护原则是：提高围岩强度(加固)和改善围岩的应力状态(位置、断面尺寸和减少爆破对围岩的损伤)。依照该原则，对该矿围岩的维护提出以下措施。

3.1.1 改善围岩应力

由于采矿工作的特殊性，改变采场的位置是不现实的，因此，减少爆破对围岩的损伤，是改善围岩应力状态的有效手段[3]。通过生产实践和科学试验证明，以下几种爆破方式是行之有效的措施：采用光面爆破或预裂爆破，减少爆破裂隙；采用缓冲爆破，形成减震带；较少炸药量，采用微差爆破。

为此，对两个采区的生产爆破进行了13次爆破震动监测，完成了试验炮10次，通过对两个采区的生产爆破的现场试验结果的计算分析，并结合两个采区的计算机仿真模拟，得出两个采区采场生产爆破参数，爆破单位体积矿石的炸药消耗量减少30%～50%，爆破块度适中，爆堆集中，减少了爆破对顶板﹑矿柱的破坏，同时采取的孔底空气间隔爆破技术，明显地减少了对顶板的爆生裂隙。

3.1.2 提高围岩强度

提高围岩强度的主要手段就是对岩体进行加固。锚杆的间距和长度有如下一些经验数据：

锚杆间距不大于不稳定岩块宽度的1.5倍(“宽度”是节理的平均间距)，且不大于锚杆长度的50%。

锚杆长度不小于不稳定岩块宽度的3倍，且不小于锚杆间距的两倍；随之开挖跨度的增加，锚杆的长度应是跨度的1/2～1/5。

3.2采场顶板柔性加固技术条件

1) 矿体自然条件

矿体倾角为15(°)～50(°)不等，矿石平均厚度0.8～3 m，采高根据矿体厚度的变化而变化。矿体的伪顶板为0.2～0.5 m厚的泥质粉砂岩，随采脱落，直接顶板为2 m左右的粉砂质泥砂，空区暴露后大部分地方在很短时间内会随之垮落。

2) 地压条件

矿石与围岩的硬度相差甚大，矿体直接顶板都是硬度不大的泥质粉砂岩或粉砂质泥砂，且伪顶在切割上山过程中随采随落。在回采过程中由于空区的逐步增大，断层裂隙较发育，顶板受断层裂隙的影响，空区直接顶在断层裂隙的弱面随之垮落。

3.3采场顶板柔性加固技术方案

3.3.1 支护或加固方案

根据该矿的矿岩稳固程度和开采技术水平，可供选择采用的支护方案有5种。

1) 木立柱支护

在顶板比较稳固，采场顶板允许暴露面积加大的局部矿段采用单一木支护。另外，采场顶板受断层、裂隙发育影响，比较破碎，而矿房回采空间不能采用锚杆加固的矿块采用木顶柱和矿柱联合支护。

2) 木立柱加锚杆加固

木立柱加锚杆支护是斗南锰矿现在加固采场顶板的常规手段，设计采用矿山现有的管缝式锚杆。通过前期对矿山节理裂隙的调查，得出矿体及围岩中的节理间距为0.3～0.5 m，根据锚杆长度和间距的要求：锚杆的网度为0.7 m×0.7 m；长度不小于2.0 m。

木立柱在矿体开采中的作用是举足轻重的，木立柱直径要求不小于10 cm，支护密度视顶板稳定情况决定。

3) 木立柱加锚杆加金属网支护

对于顶板围岩较破碎的地段，可采用木立柱加锚杆加金属网加固，锚杆网度和木立柱支护密度同方案(1)，并采用8号铁丝在各锚杆之间缠绕、连接，形成不大于20 cm×20 cm的网格，可有效的防止片石冒落伤人。现用锚杆为管缝式，长度1.2、1.5、1.8 m 3种。锚杆、木顶柱支护密度1.0～1.5 m。

4) 砂浆锚杆加固

设计的砂浆锚杆网度与长度同方案(1)。砂浆锚杆的优点在于锚杆注浆后的水泥可以渗透到岩层之间，形成胶结面，增加岩层的自身稳定性。缺点是工艺复杂，安装效率低，需要一定的养护期。

5) 减小矿房尺寸、留矿石点柱

该矿有部分矿段属于中厚矿体，矿体厚度达5 m左右，给支护带来一定的难度(特别是木立柱支护)。对于该段矿体，可分层开采，并采用减小矿房跨度(如跨度5～6 m)，同时预留矿石点柱(φ：2～3 m)代替木立柱支护。

3.3.2 锚杆作用

根据锚杆的作用原理，结合现场的试验环境，锚杆在现场环境的主要作用是：组合作用、悬吊作用、减小跨度的作用。

长期以来，斗南锰矿采场顶板支护主要有以下3种：在顶板比较稳固，采场顶板允许暴露面积加大的局部矿段采用单一木支护；采场顶板受断层、裂隙发育影响，比较破碎，而矿房回采空间不能采用锚杆支护的矿块采用木顶柱和矿柱联合支护；顶板受断层、裂隙发育影响，回采空间高度满足锚杆支护矿块采用木顶柱、锚杆、矿柱三者联合支护

3.3.3 柔性加固技术方案及实施效果

根据矿体伪顶板和直接顶板的赋存情况，研究确定以采用顶板柔性加固为主的多种加固方式。

在采场施工中，用锚杆加固顶板，受到回采空间制约因素较多，目前所使用锚杆的规格有1.2、1.5、1.8 m 3种。若矿层顶板较厚，岩层层理比较明显或发育时，锚杆穿越岩层的层数较少，存在着锚固不够或锚固效果差的现象，所以初步判定锚杆长度不够。岩石明显的层理现象可以形象地比喻成“千层底”，做“千层底”时起固定作用的就是穿插在面料上的各条线，锚杆就好比各条线，起到稳固顶板岩石的作用，但是，加固密度不合理，也会对其造成破坏。

因此，选择合理的加固密度是非常重要的，在此采取的措施为：加大锚杆长度。设计直孔深度5 m，斜孔深5.7 m。先在切割上山的中间垂直顶板打5.5～5 m深的孔，在此孔两侧距0.7 m处按60(°)的夹角向两边矿柱方向打5.2～5.7 m深的两个眼；改变锚杆支护网度参数，锚杆间距1 m×1 m，排距1 m×1.2 m。

3.3.4 采场顶板柔性加固施工安全技术措施

生产工艺工序中的加固工序由管缝式锚杆加固改变为注浆锚杆加固，采场加固从相对安全的地方向无加固一方推进，注浆锚杆对顶板起到悬吊作用时，有必要再支护木顶柱起预警作用，同时采用顶板压力监测仪监控顶板的来压情况[4]。操作注浆机待砂浆逐步注满孔底后缓慢退出，注浆时应把注浆管伸到位，使眼底注满；抽出注浆管时应有防止砂浆滑出的措施(采用木楔堵塞)。

砂浆注满孔口时，立即关闭电源，同时打开注浆机排气阀进行卸压，以确保操作安全。

4 结 语

1) 根据伪顶和直接顶的赋存情况(厚度在0.2～2.5 m)，采用多种柔性加固方式，通过木立柱加锚杆加金属网加固把其联成一个整体，提高了顶板的稳定性。

2) 通过锚杆和铁丝进行加固后，顶板联成一个整体后再匹配一定的木材支护，通过伸入老顶的圆钢就能把伪顶和直接顶托住，有效地保障了操作工人的安全。

3) 通过现场试验，采矿回采率由原来的82.03%提高到86.73%，使矿产资源得到更高效的利用。

[1] 王家臣, 杨印朝, 孔德中, 等. 含夹矸厚煤层大采高仰采煤壁破坏机理与注浆加固技术[J]. 采矿与安全工程学报, 2014(6).

[2] 郭金峰. 斗南锰矿缓倾斜薄矿体采矿方法的试验研究[J]. 中国锰业, 1994，12(5):12-16.

[3] 郭金峰. 20年地下锰矿床开采技术的进展与展望[J]. 中国锰业， 2002，20(3):32-36.

[4] 刘春波, 孙光华, 李富平. 我国地下矿山采矿技术发展及趋势[J]. 河北理工大学学报(自然科学版), 2009(2).

AnApplicationofFlexibleReinforcementTechnologyinRoof-pillarMining

LU Dahai1, GAO Hongpeng2, ZHANG Lun1

(1.YunnanWenshanDounanMnIndustryCo.,Ltd.,Yanshan,Yunnan663101,China; 2.YunnanHeqingMn-industryCo.,Ltd.,Heqing,Yunnan671500,China)

This paper introduces the application of flexible reinforcement technology to the pillar mining method in Dounan Manganese Mine. It strengthens the roof management through the flexible reinforcement technology to improve the mining safety and the mining recovery rate, which can be used for reference in the safe and efficient mining of similar mine.

Flexible reinforcement; Room and pillar mining method; Dounan Mn-ore

2016-09-12

吕达海(1975-)，男，云南砚山人，高级工程师，副总经理，研究方向：采矿，电话：0876-3883357，E-mail：ldh3366@126.com.

TD853.32

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.015