锡矿山锑矿围岩分级及锚喷支护实践研究

杨小平

（锡矿山闪星锑业有限责任公司，湖南 冷水江417502）

锡矿山锑矿田包括老矿山、童家院、飞水岩及物华等四个工业矿床[1]，矿床呈缓倾斜似层状产出，上盘不稳固，矿体与下盘稳固，采用上盘竖井开拓，应用空场采矿法回采，嗣后一次充填处理采空区。以往巷道采用料石或混凝土支护，采场顶板留0.8～1.2m的矿石护顶。为了节省巷道支护费用，加快掘进速度，提高采场开采回采率，依据国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086－2001），根据矿床围岩的岩体结构、岩性以及开挖体的大小、几何形态、开挖方式进行了锚喷围岩分级方法研究，并对不同工程的锚喷支护类型和设计参数进行探索。以满足既能保证生产安全，又能避免工程支护能力过剩，符合技术先进，经济合理、安全适用的要求。

1 地质条件与岩体力学性质

锡矿山锑矿位于新华夏构造体系雪峰山隆起带的东南侧，处于沉降和隆起分异构造运动较激烈的地带，褶皱和断裂十分发育。区域褶皱为一两端倾没的复式背斜，西翼被西部大断裂切割而遭到破坏，东翼则组成几个次一级斜列的两端倾没的短轴背斜。断裂主要为纵贯全区的西部主干大断裂和其入字型分枝断裂，走向北北东，倾向北西，倾角60～40°，属张扭性断裂，其次为走向北北西和北东东两组扭性断裂，以及走向近于东西的张性断裂，一般长数十米至百余米[2]。

锡矿山锑矿田处于多种构造体系复合部位，并经多次不同方向，不同性质的应力作用，使构造变得非常复杂。矿床产于西部入字型断裂下盘几个次一级两端倾没的短轴背斜中。矿床大小及分布范围受背斜形态和大小所控制。主要矿体均赋存在厚110m钙质页岩之下的佘田桥组中段石灰岩的硅化灰岩中，产状为缓倾斜。由于此段灰岩夹有多层黑色页岩起到次屏盖层的作用，矿体也具有多层性，其形态、产状和规模也有差异[1，3]。

岩体分为灰岩、页岩和矿岩三种类型，灰岩稳固，普氏系数为10～16，容重26.8kN／m3、抗压强度110.26MPa、抗 拉 强 度 5.55MPa、弹 性 模 量E55.50GPa、泊松比0.161；页岩不稳固，普氏系数为3～4，容重26.2kN／m3、抗压强度27.33MPa、抗拉强度3.27MPa、弹性模量 E5.50GPa、泊松比0.209；矿岩很稳固，普氏系数为10～20，容重26.7kN／m3、抗 压 强 度 161.73MPa、抗 拉 强 度15.21MPa、弹性模量E47.94GPa、泊松比0.115。

2 锚喷围岩分级方法

2.1 锚喷围岩分级依据

我国金属矿山锚喷围岩级别的划分根据岩石坚硬性、岩石完整性、结构面特性、地下水和地应力状况、毛硐稳定状态等因素综合确定，为开挖体围岩锚喷支护设计选择提供参数和依据。锡矿山锑矿锚喷围岩分级依据国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086－2001）中锚喷围岩分级内容划分。

2.2 锚喷围岩分级方法

由于锡矿山锑矿赋存矿体的岩体结构、岩性的复杂性，围岩级别的划分不能简单处理，而要根据不同岩体结构、岩性及水文地质条件区别对待。锡矿山锑矿锚喷围岩根据不同岩体结构、岩性，参照国家标准划分为五级。

1）Ⅰ级围岩。厚层状结构灰岩，整体状及层间结合良好，硅化或局部硅化，f＝10～20，构造影响较微，偶有小断层。结构面不发育，仅有两到三组，平均间距大于0.8m，以原生和构造节理为主，多数闭合，无泥质充填，不贯通。毛硐跨度5～10m时，长期稳定，无碎块掉落。

2）Ⅱ级围岩。中厚层或厚层结构灰岩，块状结构和层间结合较好，无硅化，f＝8～20，构造影响较重，有少量断层。结构面较发育，一般为三组，平均间距0.4～0.8m，以原生和构造节理为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱结构面。毛硐跨度5～10m时，围岩能较长时间（数月至数年）维护稳定，仅出现局部小块掉落。

3）Ⅲ级围岩。厚层状结构页岩，整体状及层间结合良好，f＝3～6，构造影响轻微，偶有小断层。结构面不发育，仅有两到三组，平均间距大于0.8m。毛硐跨度5～10m时，围岩能维持一个月以上的稳定，主要出现局部掉块、塌落。

4）Ⅳ级围岩。薄层和软硬岩互层结构炭质页岩，层间结合不良，f＝2～4，构造影响严重，结构面发育，一般为三组以上，平均间距0.2～0.4m，以构造、风化节理为主。毛硐跨度5m时，围岩能维持数日到一个月的稳定，主要失稳形式为冒落或片帮。

5）Ⅴ级围岩。散体状结构，主要是F75、F3、F219等大断裂的层间破碎带以及厚层灰岩中的泥质充填溶洞。构造影响很严重，多数为破矿带、全强风化带、破碎带交汇部位。构造及风化节理密集，节理面及其组合杂乱，形成大量碎块体，块体层多数为泥质充填，甚至呈石夹土状或土夹石状。毛硐跨度5m时，围岩稳定时间很短，约数小时至数日，甚至一出露即塌落。

3 锚喷支护类型和设计参数的选择

锚喷支护设计是锚喷支护工程施工作业的依据。锡矿山锑矿锚喷支护的设计，一般采用工程类比法，对井巷和采场分别进行设计。

3.1 井巷支护设计

锡矿山锑矿矿床开拓方式是上盘竖井开拓，主井设置箕斗，提升矿石和废石，副井设置罐笼，上下材料和人员、中段高段30～50m不等。竖井大部分穿过厚层页岩，采用混凝土支护，中段石门、车场、中段主干风巷、中段间斜井、沿脉、穿脉、运输平巷，以及各种硐室则根据围岩的岩体结构、岩性及开挖体的大小和几何形态区别对待。

1）对于中段石门、主干风巷、中段间斜井、沿脉、穿脉、运输平巷，毛硐跨度不大于5m，Ⅰ级围岩不支护；Ⅱ级围岩喷射50mm厚的混凝土；Ⅲ级围岩设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，见图1。锚杆安装网度1m×1m，并喷射50mm厚的混凝土；Ⅳ级围岩设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，锚杆安装网度1m×1m，并喷射80～100mm厚的混凝土；Ⅴ级围岩一般采用料石或混凝土仰拱，厚度不小于300mm。

图1 快硬水泥卷锚杆

2）对于中段车场以及各种硐室，毛硐跨度一般在5～10m间，Ⅰ级围岩喷射50mm厚的混凝土；Ⅱ级围岩设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，安装网度1m×1m，并喷射50mm厚的混凝土；Ⅲ级围岩设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，安装网度1m×1m，并喷射80～100mm厚的混凝土；Ⅳ级围岩设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，安装网度1m×1m，并喷射100～150mm厚钢筋混凝土；Ⅴ级围岩采用料石或混凝土仰拱，厚度不少于300mm。

3.2 采场支护设计

锡矿山锑矿目前采用的采矿方法有胶结充填法（亦称人工壁柱房柱法）、普通房柱法、杆柱砂浆充填法、杆柱房柱法。中厚以上矿体视品位高低和地表需要保护程度分别采用胶结充填法和普通房柱法开采，薄矿体亦视品位高低和地表需要保护程度采用杆柱房柱法开采和杆柱砂浆充填法[3]，杆柱房柱法采矿示意图见图2，杆柱砂浆充填采矿法见图3。

图2 杆柱房柱采矿方法示意图

图3 锚杆护顶砂浆充填采矿法

两种采矿方法的矿块垂直走向布置，长为60m左右，矿房跨度6～15m。其采矿方法的显著特征是采用空场法回采，嗣后用胶结充填料或块石与分级尾矿充填处理采空区。

胶结充填法矿块沿走向划分为矿壁和矿房，矿壁跨度为8m，矿房跨度为8～10m，用空场法先回采矿壁，嗣后用胶结充填料充填，待充填体达到一定的抗压强度后，再回采矿房，采空区用块石或分级尾矿充填。回采过程中，当采场顶板不稳固时，留0.8～1.2m的矿石护顶层。如局部不慎破坏了矿石护顶，暴露的炭质页岩（Ⅳ级围岩）设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，网度1m×1m，喷射100～150mm厚钢筋网混凝土。F75、F3、F219等大断裂层（Ⅴ级围岩）如局部暴露，则设置2.5m长的快硬水泥卷锚杆，网度1m×0.8m，喷射150～200mm厚钢筋混凝土保护。普通房柱法采场支护与胶结充填法相同。

杆柱砂浆充填法矿块沿走向划分为矿壁和矿房，跨度均为6m，因矿体厚度薄，采场顶板不留矿石护顶，直接采到页岩层，顶板保护设置2.0m长的快硬水泥卷锚杆，网度1m×1m。杆柱房柱法采场支护与杆柱砂浆充填法相同。

3.3 支护参数

喷射混凝土的设计强度不低于C15，1天龄期的抗压强度不低于5MPa，体积密度取2200kg／m3。喷射混凝土与围岩的粘结强度：Ⅰ、Ⅱ级围岩不低于0.8MPa，Ⅲ级以上围岩不低于0.5MPa[4]。钢筋网材料采用Ⅰ级钢筋，直径为4～12mm，钢筋间距为150～300mm，钢筋保护层厚度不小于20mm。井巷喷射混凝土支护应覆盖顶板和两帮，采场喷射混凝土支护仅限于顶板，与顶板连接处的墙体支护高度不超过0.5m。

4 结 论

为确保锚杆喷射混凝土支护工程的设计施工既能保证生产安全，又能避免工程支护能力过剩，以符合技术先进，经济合理、安全适用的要求，根据开挖体围岩的岩体结构、岩性与开挖体的大小与几何形态对围岩进行锚喷分级研究，对不同级别围岩以及工程需要保护程度设计选择了不同的锚喷支护类型和参数。采用锚杆喷射混凝土支护巷道较料石支护节省40%的费用，同时加速了掘进进度；采场采用锚杆喷射混凝土支护替代矿石护顶层，可提高开采回采率5%以上，取得了较好的安全技术和经济效果。

[1]唐湘华.锡矿山锑矿保安矿柱安全开采技术研究与应用[J].湖南有色金属，2015，31（1）：5－7.

[2]杨小平，祝禄发，于水.重要建（构）筑物下保安矿柱开采试验研究[J].采矿技术，2012，12（5）：7－8.

[3]翟文斌.探采结合在锡矿山锑矿开采中的实践[J].湖南有色金属，2015，31（2）：5－10.

[4]赵程伟.塔山矿主平峒喷射混凝土支护施工[J].山西水利科技，2004（3）：47－48.