长安金矿地下开采巷道分级支护研究*

许敏捷，周宗红，周晓军，刘 清

(1.云南黄金集团 金平长安矿业有限公司，云南 红河 661508；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

回采巷道是无底柱分段崩落法凿岩、爆破、出矿的基本回采单元，回采巷道(进路)的质量和稳定性是降低矿石开采损失贫化、生产成本和保证安全生产的前提。金平长安矿业有限公司长安矿段(简称“长安金矿”)的矿体下盘为断层，矿岩稳固性较差，巷道掘进支护不合理，常出现垮落、片帮等问题，严重影响了矿山安全生产，故研究巷道合理的支护工艺参数十分必要。

目前，已有一些学者对地下巷道分级支护进行了研究，取得了丰硕的成果。陈国良等[1]通过分析甲玛矿区破碎软弱岩体巷道的失稳模式，针对4个级别的岩体分别选择相应的支护方式，采用数值模拟方式优选了Ⅱ-Ⅳ级岩体巷道支护参数。文兴[2]分析了阿舍勒铜矿深部巷道支护的主要影响因素，提出了基于围岩条件、巷道断面尺寸、巷道功能和服务年限、软弱结构面产状等因素的巷道支护分级方法，确定了对应的支护形式和参数。张晋军等[3]针对谦比希铜矿的复杂开采条件，根据断面尺寸、暴露面积、围岩性质、水文情况、工程地质条件等将巷道划分为5个类别，将锚杆、锚索、钢筋网、湿喷混凝土多种支护方法进行优化组合，形成了5个不同支护强度等级的方案。孟中华等[4]在高峰矿-200 m中段和-185 m中段开展了现有支护技术手段和支护效果调查，进行了深井碎裂岩体新型螺纹钢锚杆支护现场试验。张永达等[5]针对夜场坪钼矿矿岩软弱破碎、稳定性差异较大的情况，全面分析影响支护分级的主导因素，运用多指标综合分类法对巷道进行了支护分级，并制订了相应的支护方案。郭海涛等[6]针对弓长岭某矿山现有支护方式与岩体变形不相适的问题，分析了各种支护形式的优劣，确定了合理的巷道断面尺寸。

长安矿段地质条件和开采技术条件极其复杂，现有支护工艺难以满足该矿地下开采巷道支护的要求。本文根据该矿工程地质和水文地质条件，对巷道失稳模式和支护现状进行了现场调查，在岩体支护分级的基础上，综合考虑矿岩特性、巷道功能、断面尺寸、服务年限、结构面和破坏模式等因素，提出了以喷锚网支护为主、金属支架为辅的分级支护方案，设计了相应的支护形式和支护参数，并在矿山进行了试验，取得了较好的效果。

1 工程背景

1.1 矿山概况

长安金矿区位于金平县城270°方向，平距约10 km，隶属金平县铜厂乡铜厂村委会管辖。该矿于2017年由露天开采转为地下开采，设计规模600 t/d，设计利用储量146.77万t，平均品位3.23 g/t。采用竖井开拓，划分为1 500、1 450 m等中段。1 500 m中段设计储量22.36万t，平均品位3.11 g/t，金属量660.44 kg。

矿体呈薄、中厚、厚-缓倾斜、倾斜、急倾斜产出，矿岩稳固性属于一般-差。设计采用无底柱分段崩落法、浅孔留矿采矿法。由于矿体产状复杂多变，矿岩稳固性差，巷道垮冒严重。

1.2 巷道失稳情况

对1 524～1 450 m分段沿脉、穿脉及切割平巷的失稳模式和支护现状进行了调查分析，根据岩性和岩体结构的不同，将该矿巷道的破坏模式划分为以下3种类型：

a.断层控制的松散体冒落。松散体的冒落多发生在断层破碎带附近，以F6断层矿岩接触带尤为严重。

b.节理岩体中的岩块滑塌。在岩质坚硬、节理发育的岩体中，滑塌体由地质不连续面与开挖临空面共同切割岩体而成。顶板三角形冒落发生在2组以上节理交叉发育的地段，岩体被节理面切割成形状和大小不同的岩块，受自重、岩体风化和地下水等多重因素的影响而下滑失稳。

c.结构面控制的片帮。该矿岩体节理较为发育，围岩在重力和地下水等共同作用下，易发生沿节理面的片帮失稳。

巷道围岩破坏的现场情况如图1所示。

图1 巷道围岩破坏情况

1.3 支护现状

除了部分稳固性较好区域(Ⅱ级岩体)无需支护外，矿山现有巷道支护形式主要有锚喷支护(喷射混凝土、锚网、喷锚网)、金属支架支护、混凝土支护、混合式支护等。现场巷道支护情况见图2。

图2 现场巷道支护情况

1.4 巷道破坏原因分析

1.4.1 节理裂隙

主要矿体赋存于F6断层破碎带东盘蚀变带的砂砾岩、钙质砂岩、砂泥岩、蚀变的辉绿岩中。矿岩较坚硬，但节理裂隙发育，上盘围岩和矿体中含3～6条/m，下盘围岩中含10条/m。出现大面积巷道垮冒的地区，一般为断层及节理裂隙发育地段。

1.4.2 支护

支护率低，大部分Ⅲ、Ⅳ级巷道未支护；喷射混凝土厚度小，大多为10～20 mm；支护不及时，某些巷道掘进后较为稳定，但是数月后在风化和地下水的共同作用下，岩体强度降低，巷道顶板出现垮塌。

1.4.3 地下水

地下开采涌水量为3 949 m3/d，含水量大。

1.5 改进方法

经调查分析可知，影响巷道稳定性的因素主要有岩体强度、地下水、地应力环境、巷道服务年限、巷道功能、节理产状等。采取的改进方法如下：

a.控制断面形状与尺寸。北部巷道断面尺寸为2.8 m×2.8 m，南部为2.6 m×2.6 m。

b.采取锚喷支护为主、钢支架为辅的分级支护。可根据影响巷道稳定性的主要因素划分不同的支护等级，选择相应的支护形式和支护参数，提高支护的针对性，以有效控制支护成本。

2 岩体质量评价与分级

现场取样并进行室内岩体力学实验，结果显示：上盘围岩单轴抗压强度为101.6 MPa，结构面间距为0.181 4 m；矿体单轴抗压强度为97.9 MPa，结构面间距为0.282 4 m；北部下盘围岩单轴抗压强度为98.9 MPa，结构面间距为0.10 m。

采用岩体地质力学分级(CSIR)法和Q系统岩体质量分级法等对岩体质量进行评价，得到上盘围岩、矿体和下盘围岩的RMR指数分别为47～65、42和42；矿石的Q值为7.5，属于一般岩体；上盘围岩的Q值为15，属于好岩体；下盘围岩的Q值为6.5，属于一般岩体。

结合现场工程地质调查、室内力学实验结果、矿山支护情况调查、矿岩质量评价的结果，对该矿巷道围岩进行分级(见表1)。

表1 长安金矿巷道围岩分级

根据表1的围岩分级判据，可将该矿矿体上盘围岩分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级；矿体为Ⅲ、Ⅳ级；2#-3#勘探线以北下盘围岩为Ⅲ、Ⅳ级；F6等断层破碎带分为Ⅴ级。

3 支护形式和支护参数的确定

3.1 支护形式的确定

该矿矿体下盘为F6断层破碎带，采准工程一般布置在上盘，上盘围岩和矿体主要为Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级岩体，因此首选喷锚网支护，局部破碎带选用金属支架+混凝土支护。

综合考虑矿山现有的支护操作技术和成本、效果、难易程度等因素，Ⅱ级岩体不支护；Ⅲ级围岩巷道采用锚网支护或喷射混凝土支护；Ⅳ级围岩巷道采用喷锚网联合支护，局部采用金属支架支护。

3.2 锚杆支护参数计算

该矿岩体较坚硬，故选用管缝式锚杆，锚杆支护参数的计算过程如下。

1)锚杆长度L(大于2倍岩石节理间距)

锚杆长度确定为1.8 m。

2)锚杆间距S(小于3倍岩石节理间距)

S≤0.5 L，取0.8～0.9 m。

根据现场巷道失稳和支护效果的调研情况，参考类似矿山经验[7-10]及计算结果，具体分级支护划分标准和支护工艺参数叙述如下。

3.2.1 矿体

单学科服务产品在加工力度上普遍要高于全学科资源服务产品，一般会从期刊、图书、工具书、专利中抽取出图片、表格数据、化合物/材料名称/药品、化学反应/工程方程式等，以支持对用户更为准确的服务。

矿体一般为Ⅲ级，中等稳定，服务年限<5 a，工程跨度<4 m(穿脉、分段联络运输平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用锚网支护或厚50 mm喷射混凝土支护。南区靠近F6断层上盘矿岩接触带等区域的矿体为Ⅳ级，稳定性较差，服务年限<5 a，工程跨度<4 m(采准巷道、探采结合用穿脉等)，采用喷锚网(锚喷)支护，厚100 mm喷射混凝土与长1.8 m、间距0.8～0.9 m的锚杆(喷锚网)联合支护。局部采用混凝土支护，厚200～250 mm，必要时采用钢支架、混凝土支护。

3.2.2 上盘围岩

上盘围岩一般为Ⅱ级，稳固性和整体性较好，服务年限<5 a，工程跨度<4 m，不支护(分段联络巷道、沿脉、穿脉等)。部分为Ⅲ级，中等稳定，服务年限<5 a，工程跨度<4 m(阶段开拓巷道、分段联络运输平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用锚网或厚50 mm喷射混凝土支护；服务年限>5 a，工程跨度<4 m(斜坡道等)，采用厚100 mm喷射混凝土与长1.8 m、间距0.8～0.9 m的锚杆(喷锚网)联合支护。局部为Ⅳ级，稳定性较差，工程跨度<4 m(采准巷道、矿岩接触带等)，采用厚100 mm喷射混凝土与长1.8 m、间距0.8～0.9 m的锚杆(喷锚网)联合支护(见图3)，必要时采用钢支架、混凝土支护。

图3 巷道喷锚网联合支护

3.2.3 下盘围岩

下盘围岩主要为Ⅳ级，稳定性较差，工程跨度<4 m(采准巷道、探采结合用穿脉等)，采用厚100 mm喷射混凝土与长1.8 m、间距0.8～1.0 m的锚杆(喷锚网)联合支护；工程跨度4～8 m，采用厚150 mm喷射混凝土与长2.0 m、间距0.8～1.0 m的锚杆加钢筋网联合支护。部分为Ⅲ级，中等稳定，服务年限<5 a，工程跨度<4 m(分段联络运输平巷、回采巷道、切割平巷等)，采用锚网或厚50 mm喷射混凝土支护。

3.2.4 F6断层破碎带

Ⅴ级，不稳定，服务年限<5 a，采用厚150 mm喷射混凝土与长1.8 m、间距0.8～1.0 m的锚杆加钢筋网联合支护，必要时采用钢支架、混凝土支护。

根据相关设计规范、长安金矿巷道支护实践和类似矿山工程经验[11-14]，参照巷道支护分级结果，结合矿山生产实际，提出了巷道分级支护的形式和参数(见表2)。

表2 巷道支护类型及参数

4 结论

a.在地质调查和室内力学实验的基础上，结合现场巷道失稳模式和支护现状调查结果，认为影响长安金矿巷道稳定性的主要因素为节理裂隙、支护和地下水。

b.根据矿岩特性、巷道功能、断面尺寸形状、服务年限、结构面和破坏模式等，将长安金矿巷道围岩划分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。

c.根据矿床地质条件和开采技术经济条件，提出了以喷锚网为主、金属支架为辅的支护方案，根据巷道支护等级设计了相应的支护形式和支护参数。