金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室

摘要

本发明公开了金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室，具体涉及矿井施工领域，其包括掘进方法、支护方法和掘进钢架支护，所述掘进钢架支护包括巷道轮廓，所述巷道轮廓的顶部设有纵向槽钢，所述纵向槽钢的上侧设有厚木板，所述厚木板与纵向槽钢之间设有锚网，所述纵向槽钢的下方连接有顶部工字钢。本发明通过采用短掘短支小循环掘进爆破方法可以缩小打眼深度，防止炮孔过深，降低卡钎和炮孔壁垮塌的发生概率，灵活方便，掘进和支护的循环长度可随施工、安全的情况进行调整，一般控制在1.0m，可控制每次掘进爆破的炸药量，减少对金属棚架的破坏，若掘进工作面为石渣粉或空洞，可以采用人工清找形成掏槽。

说明书

技术领域

本发明涉及矿井施工领域，尤其涉及金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室。

背景技术

嗣后胶结充填是一种常用的处理采空区方法，在国内井下矿山中广泛运用。在生产实际中因采矿工程需要，常常在胶结充填体内布置施工井巷工程。胶结充填体不同于一般普通岩石，其物理性质和力学性质和一般普通岩石相差颇大。被充填的空区内残留的矿石、矿粉、废石、积水等异物，致使胶结充填时在充填体中存在包裹体、夹杂物、空洞等，形成一种类似胶结充填的混合体，此情况在胶结充填体和采空区底板中尤为严重。

胶结充填混合体强度比不上胶结充填体，更比不上普通原岩，胶结充填混合体内的凿岩、爆破和支护不同于一般普通岩石。在一般充填体内掘进时都应尽早喷射薄层混凝土，以封闭巷道围岩，防止吸水、潮解或风化，然后打入锚杆或金属网、复喷、架设可缩金属支架等，及时构成有足够柔性及可缩性的支护。而在充填混合体因为存在包裹体、夹杂物、空洞等直接影响到施工效率和安全，必须采用不同于上述支护方法。

例如龙门山铜矿是一座井下开采的中小型矿山。龙门山铜矿为隐伏矽卡岩型铜铁矿床，矿体顶底板围岩主要为矽卡岩化闪长岩、石榴石矽卡岩、闪长岩，局部有少量高岭土化闪长岩和碳酸盐化闪长岩。一般矿石硬度f=10-12，围岩硬度f＝12-14。

使用的采矿方法是垂直中深孔凿岩分段空场嗣后充填法，阶段高度30-50m。采场垂直于走向布置，V型堑沟或电耙道漏斗出矿。在采场的端部布置人行天井，作为采场人员通行和通风的通道。采场长约40-80m，宽约12-15m，高为30-70m，一般采场空区体积约3-4万m

龙门山铜矿－545m中段E-4S采场是采矿的主要地点，该采场共有矿量10万吨。采用分段空场法采矿，底部出矿巷道位于－545m中段，采场下方设计布置3条出矿硐室，硐室必须穿过前期胶结充填体。为防止出矿过程中二次爆破的地震波和冲击波破坏，3条出矿巷道在采场出矿期间必须具备很高的稳固性，因此对该3条出矿硐室支护要求更高。

龙门山铜矿采用未分级的全尾砂作为充填骨料，使用铜冠建安公司生产的矿山充填专用胶凝材料作为充填胶结剂。生产过程采用间歇式胶结充填，白班充填生产，夜班停止充填的模式。

在生产过程中胶结充填使用全尾砂不分级，全尾砂中值粒径d50=0.0426mm，d10=0.003mm，d60=0.0684mm，不均匀系数Cu=22.8。大于0.074mm的尾砂占36.8%，小于0.018mm的尾砂占36.0%，全尾砂细粒级含量过高。全尾砂充填的主要工艺参数如下：

全尾砂充填的主要工艺参数

因－545m中段E-4S采场相邻采场均完成了采矿和充填，根据生产需要，E-4S采场－545m中段出矿硐室需从相邻E-3S采场充填体内通过，设计巷道长度33.5m。

E-3S采场采空区嗣后进行胶结充填时，充入采场内的胶结砂浆和采场内残留矿石、跨落废石、矿粉混合而形成胶结充填混合体。因为原采场采用堑沟式平底结构出矿，装岩机在采场底部出矿时无法进入采空区，完成出矿后采场内还留下残余矿堆和矿粉，残余矿堆和矿粉堆积在采场下盘底板上，高度不等，约在3-5m。另外采场出矿后到充填前的时间内，采场围岩还有废石垮落，也堆落在采场底板上。采场胶结充填时胶结砂浆沿矿堆缝间隙或空洞流入、并充填凝固。同时胶结砂浆流不进或少量流入松散的矿粉和矿块之中，在胶结充填采场底板共同形成了一种矿石+废石+矿粉+胶结体的混合体。该混合体不同于原岩，也不同于胶结充填体，胶结体和孤石相嵌夹杂，时而松散时而坚硬，碎中有硬、硬中夹粉、缝隙中有浆也有空洞，施工时遇水膨胀、打眼卡杆，属于软弱破碎介质，具有强度低、稳固性差、易水解等特点。

采场充填混合体现场施工时，打眼时炮孔无法成孔，装药时炮孔内壁毛糙、垮塌严重、装药困难，部分炮孔中裂隙多空洞大，爆破效果不佳，掘进台班效率低下。巷道断面无法控制成型，超挖欠挖现象严重，施工质量无法控制。施工过程中，巷道顶板和帮板冒顶频繁、掉碴掉块，顶板无法清找，严重威胁施工人员的安全。

胶结充填混合体强度比不上胶结充填体，更比不上普通原岩，因掘进后围岩应力发生改变，支护后出现沉降和变形，造成支护结构变形破坏。同时，作为出矿硐室二次爆破频繁，一般刚性支护无法修复。

因此，在充填混合体中选择合适的施工支护方案是满足充填混合体独有特征、达到施工安全高效的关键。

发明内容

本发明的目的是为了确保施工质量、施工安全，针对充填混合体独特岩石性质，解决充填混合体掘进过程中顶帮板暴露后的安全和后期出矿硐室支护稳定性，经实地考察学习讨论反复比较后，在采场出矿硐室3条巷道穿过的充填混合体内，采用金属棚与砼砌联合法掘进、支护巷道施工方案。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室，包括：

掘进方法，所述掘进方法包括以下步骤：

S1、先进行施工前准备、测量定向、检查清找顶帮板；

S2、掘进前对工作面的顶帮板进行支护；

S3、在被充填料浆胶结到的充填体内打眼时，钎杆应多旋转少推进，保持炮孔平直；

S4、采用斜形掏槽眼，增大周边眼到巷道轮廓线的边帮距离，爆后巷道欠挖部分采用人工清找；

支护方法，所述支护方法包括以下步骤：

A1、选择金属棚与砼砌结合支护方案，每两次掘进和一次金属棚支护为一个掘支循环，每两个掘支循环为一个浇注循环；

A2、金属棚的棚顶和棚腿采用工16工字钢，棚顶架设在棚腿上，两者采用螺栓联接，棚腿固定在岩帮的锚杆上；

A3、金属棚的棚顶上安装顶梁，顶梁上安装3根平行巷道掘进方向的槽钢，所述槽钢的型号为［14型，所述槽钢上铺设厚木板和锚网，并用三角木、扒钉等固定；

A4、金属棚架之间水平联结是2根槽钢连接，顶梁是3根槽钢平行巷道掘进方向，立柱与顶梁用角钢焊接斜撑，所述角钢采用L8型角钢，增加金属棚牢固强度；

A5、金属棚安装至巷道迎头不足1架时，顶梁上的3根所述槽钢必须水平挑出，延伸至掘进工作面，挑出来的槽钢可以直接扎入梁窝中，或者使用木料将从顶板上挑出来的槽钢竖向顶起；

A6、金属棚腿之间安装金属网，在金属棚腿和巷道帮板之间浇注混凝土，将金属网作为配筯，浇注在立墙中，浇注的所述混凝土强度不得小于C20；

A7、每次爆破作业后应检查、修复金属棚架；

掘进钢架支护，所述掘进钢架支护包括巷道轮廓，所述巷道轮廓的顶部设有纵向槽钢，所述纵向槽钢的上侧设有厚木板，所述厚木板与纵向槽钢之间设有锚网，所述纵向槽钢的下方连接有顶部工字钢，所述巷道轮廓的侧边设有多组侧边工字钢，所述侧边工字钢上连接有多个槽钢，所述槽钢内安装多个填充有混凝土，所述混凝土靠近矿硐室一侧上铺设有锚网，所述混凝土内安装有多个固定锚桩，所述锚桩贯穿混凝土和锚网设置，所述侧边工字钢与顶部工字钢之间通过角钢连接，所述纵向槽钢伸出侧边工字钢的一段为挑出槽钢。

本发明进一步设置为：所述步骤S1中掘进净断面为2.8m×2.5m，掘进工作面采用人工打眼、装药，在充填混合体内每次掘进巷道循环长度不超过1.0m。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中在掘进工作面上方拐顶的充填混合体中，人工掏出2~4个梁窝，梁窝深度在20-30mm，利用巷道掘进工作面后方的金属棚，在其棚顶上向工作面方向挑出槽钢，挑出来的槽钢可以直接扎入梁窝中，并且在其上面垫塞厚木板护顶。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中掘进工作面上方拐顶若是石块无法掏出梁窝时，也可以用竖向木料将从顶板上挑出来的槽钢顶起，使工作面上的操作人员在槽钢和护顶木板下作业。

本发明进一步设置为：所述步骤S3中在未被充填料浆胶结到的松散体内打眼时，可以人工掏出浅炮孔，在浅炮孔内填筑泥浆，泥浆采用黄泥、细砂配制。

本发明进一步设置为：所述步骤A1中金属棚支护净断面2.4m×2.2m，金属棚支架间距1m。

本发明的有益效果为：

本发明的掘进方法采用短掘短支小循环掘进爆破方法，其优点：短掘短支的方案可以缩小打眼深度，防止炮孔过深，降低卡钎和炮孔壁垮塌的发生概率，灵活方便，掘进和支护的循环长度可随施工、安全的情况进行调整，一般控制在1.0m，可控制每次掘进爆破的炸药量，减少对金属棚架的破坏，若掘进工作面为石渣粉或空洞，可以采用人工清找形成掏槽，有利于控制巷道轮廓规格，减少混凝土支护工作量；本发明支护方法选择金属棚与砼砌联合支护施工，其优点：金属棚+砼砌支护稳定性好，支护刚度大，金属支护被破坏时可以二次修复，两者联合支护可以取长补短，既满足当期支护稳定性，又保证后期采场出矿作业过程中二次爆破对支护结构的破坏，可以避免喷浆支护工序，金属棚上方的槽钢可以向掘进方面挑出1.0~1.2m，施工人员工作面在其挑出槽钢和木板下，可保障施工安全，且施工速度快，缩短施工工期，支护成本费用低。

附图说明

图1为本发明金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室的掘进、支护流程示意图。

图2为本发明金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室的出矿硐室支护结构示意图。

图3为本发明金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室掘进面支护结构示意图。

图中：1、巷道轮廓；2、纵向槽钢；3、厚木板；4、锚网；5、顶部工字钢；6、侧边工字钢；7、槽钢；8、混凝土；9、固定锚桩；10、角钢。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1-3所示，金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室的掘进方法，其包括以下步骤：

S1、先进行施工前准备、测量定向、检查清找顶帮板，掘进净断面为2.8m×2.5m，掘进工作面采用人工打眼、装药，在充填混合体内每次掘进巷道循环长度不超过1.0m；

S2、掘进前对工作面的顶帮板进行支护，掘进工作面上方拐顶的充填混合体中，人工掏出2~4个梁窝，梁窝深度在20-30mm，利用巷道掘进工作面后方的金属棚，在其棚顶上向工作面方向挑出槽钢，挑出来的槽钢7可以直接扎入梁窝中，槽钢7上面垫塞厚木板3护顶，掘进工作面上方拐顶若是石块无法掏出梁窝时，也可以用竖向木料将从顶板上挑出来的槽钢7顶起，使工作面上的操作人员在槽钢7和护顶木板下作业；

S3、在被充填料浆胶结到的充填体内打眼时，钎杆应多旋转少推进，保持炮孔平直，在未被充填料浆胶结到的松散体内打眼时，可以人工掏出浅炮孔，在浅炮孔内填筑泥浆，泥浆采用黄泥、细砂配制；

S4、采用斜形掏槽眼，增大周边眼到巷道轮廓1线的边帮距离，爆后巷道欠挖部分采用人工清找。

本实施例中，采用短掘短支小循环掘进爆破方法，其短掘短支的方案可以缩小打眼深度，防止炮孔过深，降低卡钎和炮孔壁垮塌的发生概率，灵活方便，并且掘进和支护的循环长度可随施工、安全的情况进行调整，一般控制在1.0m，还可以可控制每次掘进爆破的炸药量，减少对金属棚架的破坏，而且若掘进工作面为石渣粉或空洞，可以采用人工清找形成掏槽，有利于控制巷道轮廓1规格，减少混凝土8支护工作量。

实施例2

如图1-3所示，金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室的支护方法，出矿巷道支护不仅要解决掘进期间的安全，还要求在采场出矿期间必须具备很高的稳固性，因充填体本身坚固性不高，支护后有一定的位移和沉降量，所以选择金属棚+砼砌支护方案，利用金属棚应对其位移和沉降量，利用砼砌支护加强充填体稳定性，其包括以下步骤：

A1、选择金属棚与砼砌结合支护方案，每两次掘进和一次金属棚支护为一个掘支循环，每两个掘支循环为一个浇注循环，金属棚支护净断面2.4m×2.2m，金属棚支架间距1m；

A2、金属棚的棚顶和棚腿采用工16（明细规格为：160*88*6.0；理论重量为：20.513）工字钢（截面形状为工字型的型钢），棚顶架设在棚腿上，两者采用螺栓联接，棚腿固定在岩帮的锚杆上；

A3、金属棚的棚顶上安装顶梁，顶梁上安装3根平行巷道掘进方向的槽钢7，槽钢7（槽钢形状为冷弯等边槽钢，槽钢截面为凹槽形的长条钢材，属碳素结构钢，是复杂断面的型钢钢材，其断面形状为凹槽形，在使用中其具有较好的焊接、铆接性能）的型号为［14型（规格：14#a；高度：140；腿宽：58；腰厚：6.0；截面面积：18.516；重量：14.535；或者规格：14#b；高度：140；腿宽：60；腰厚：8.0；截面面积：21.316；重量：16.733；），槽钢7上铺设厚木板3和锚网4，并用三角木、扒钉等固定；

A4、金属棚架之间水平联结是2根槽钢7连接，顶梁是3根槽钢7平行巷道掘进方向，立柱与顶梁用角钢10焊接斜撑，角钢10采用L8型角钢，增加金属棚牢固强度；

A5、、金属棚安装至巷道迎头不足1架时，顶梁上的3根槽钢7必须水平挑出，延伸至掘进工作面，挑出来的槽钢7可以直接扎入梁窝中，或者使用木料将从顶板上挑出来的槽钢7竖向顶起；

A6、金属棚腿之间安装金属网，在金属棚腿和巷道帮板之间浇注混凝土8，将金属网作为配筯，浇注在立墙中，浇注的混凝土8强度不得小于C20；

A7、每次爆破作业后应检查、修复金属棚架。

本实施例中，选择金属棚+砼砌支护施工的主要优点如下：1金属棚+砼砌支护稳定性好，支护刚度大，金属支护被破坏时可以二次修复，两者联合支护可以取长补短，既满足当期支护稳定性，又保证后期采场出矿作业过程中二次爆破对支护结构的破坏，2可以避免喷浆支护工序，3金属棚上方的槽钢7可以向掘进方面挑出1.0~1.2m，施工人员工作面在其挑出槽钢和木板下，可保障施工安全，4施工速度快，缩短施工工期，5支护成本费用低。

实施例3

如图2-3所示，本发明金属棚与砼砌联合法井下充填混合体掘进支护出矿硐室的支护方法还包括掘进钢架支护，掘进钢架支护包括巷道轮廓1，巷道轮廓1的顶部设有纵向槽钢72，纵向槽钢72的上侧设有厚木板3，厚木板3与纵向槽钢72之间设有锚网4，纵向槽钢72的下方连接有顶部工字钢5，巷道轮廓1的侧边设有多组侧边工字钢6，侧边工字钢6上连接有多个槽钢7，槽钢7内安装多个填充有混凝土8，混凝土8靠近矿硐室一侧上铺设有锚网4，混凝土8内安装有多个固定锚桩9，锚桩贯穿混凝土8和锚网4设置，侧边工字钢6与顶部工字钢5之间通过角钢10连接，纵向槽钢72伸出侧边工字钢6的一段为挑出槽钢；

本实施例中，通过采用金属棚与砼砌联合的方式对井下填充混合体掘进支护出矿硐室进行支护，不仅利用砼砌在提供稳定支撑功能的前提下减少了成本，并且金属棚与砼砌联合的方式也使得施工更加安全。

本发明中：出矿硐室设计规格为2.4m×2.2m，支护段规格调为2.8m×2.5m，施工人员严格按照测量中线施工，巷道中心线至帮壁距离不得小于设计，超挖不得大于0.2m；底板应保持平整，留有水沟，掘进时应多打眼、控制装药量，保护巷道轮廓1不被破坏，减小支护工作量；现场制作安装金属棚；安装人员进入工作面作业前必须对周围顶帮板进行安全确认，认真进行敲帮问顶，发现浮石及时处理；金属棚安装前，按照测量所给中线确定金属棚底脚及帮壁锚桩位置，该处清除浮渣至原岩硬底；金属棚立柱应垂直巷道中线，与帮壁锚桩进行焊接固定；金属棚支护每两架之间立柱由2根［14槽钢7连接，上部槽钢7距离顶板不大于800mm，下部槽钢7距离底板不大于700mm；顶梁上的3根［14槽钢7平均分布；金属棚安装至巷道迎头不足1架时，顶梁3根槽钢7必须延伸至工作面内的梁窝，在槽钢7上用木板覆盖，保证不掉碴落块；金属棚要用锚网4、木料铺盖金属棚顶部，锚网4搭接处要用扎丝拧紧或进行焊接；顶上锚网4与顶板之间空隙用木板背严背实，不得有浮渣掉落；金属棚与帮壁之间空隙浇筑混凝土8应充填密实，使金属棚与混凝土8形成整体，且混凝土8强度不得小于C20；每两次掘进为一个浇注循环，每次浇注一次性完成所有浇注混凝土8，按规定处理施工缝；现场对混凝土8留取试块检验。

验证：龙门山铜矿－545m中段E-4S采场出矿硐室掘进和支护采用金属棚+砼砌联合法，实际完成掘进33.4m，支护混凝土8130.5 m3。巷道周边轮廓控制在规定范围内，因顶帮板支护良好，保证了施工期间的人员安全；

经过连续三个月沉降位移观测，其金属棚支护最大变形量为：垂直方向－5.0mm，水平方向2mm。后期金属棚+砼砌结构沉降变形趋于稳定。出矿硐室在生产出矿期间虽有破坏，但经修复后满足了出矿要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。