某铁矿高大硐室施工方法的选择研究

王宝文 杨 闯 李成斌

(河钢矿业滦县常峪铁矿有限公司，河北 滦县 063700)

0 引言

高大硐室是指井下水泵房、中央变电所、翻车机房、卷扬机房、粗破碎硐室等断面较大、长度较小的地下构筑物。这类硐室在整个开拓系统中所占的比重不大,但大多处于影响矿山投产的关键部位。高大硐室掘进的基本手段和方法与平巷大致相同，但施工比较复杂。因为它的断面大、长度短，一般都是由矿山现有设备先在硐室断面内掘进若干条小断面巷道，然后挑顶、扩帮或卧底，将断面扩大到所需的尺寸。硐室的稳定性是确定施工方案的主要因素。硐室稳定性既要考虑硐室的断面形状和尺寸、支护方式、施工技术水平等主观因素，又要考虑硐室所处岩体地质构造、岩石物理力学性质、水文地质条件等客观因素。所以，在选择施工方案时应合理考虑这些因素。

1 全断面开挖法

1.1 直壁式工作面

这种施工方法与普通的巷道掘进方法相同，只在一个垂直的工作面上进行掘进。由于断面比较大，可适当加大炮眼深度，进行深孔爆破。使用小型风动凿岩机钻上部炮眼,应采用蹬渣作业。装药连线采用梯子装填上部炮眼。由于断面大、炮眼多,所需雷管段数也相应增多。在目前现有设备施工条件下，该施工方法只适宜在高度小于5 m的硐室中使用。

1.2 阶梯工作面

1.2.1 正台阶工作面开挖

这种方法是上部工作面掘进超前下部工作面掘进。一般可将工作面分成两层,上下工作面相距3～5 m,如图1所示。台阶过多或超前太大,将会增大上部台阶工人扒渣的工作量,并会互相干扰,影响正常作业。下部台阶的开挖既可打水平眼,也可在上部台阶打垂直眼,应当注意炮眼深度,以保证底板的标高。

图1 正台阶工作面开挖示意图

拱部锚杆可随上分层开掘后及时安设,喷射混凝土可视具体情况,分段式一次按照先拱后墙的顺序完成。当采用整体混凝土衬砌时,支护工作面可以落后于下分层进行，当围岩条件差时,可以采用先拱后墙的支护方法,上分层随掘随砌拱,拱搭在岩石台阶上,下分层随掘随砌墙。如果硐室长度不大,也可以先在上分层采用短段掘砌法砌好拱部,然后再刷掘下分层,同时砌墙接拱。

1.2.2 倒台阶工作面开挖

采用这种方法时,下部工作面超前于上部工作面,如图2所示。施工时先开挖下分层,上分层的凿岩、装药、连线工作借助于临时台架。为了减少搭设台架的麻烦,一般都采用先拉底后挑顶的方式进行。

图2 倒台阶工作面开挖示意图

采用喷锚支护时,下分层支护工作可以与上分层的开挖同时进行,在采用整体式衬砌时,下分层高度一般为墙高,随着下分层的掘进,先砌墙、挑顶,以后再砌拱。采用倒台阶法施工时,爆破条件好,不用人力扒渣,相互干扰少,施工效率高。

直壁式工作面全断面开挖硐室的方法比较简单,便于管理,开挖空间大,轨道管线可以一次铺成,有利于提高机械化程度和工效,通风条件好。但这种方法受地质条件限制和硐室高度限制较大,适用于围岩比较稳定、整体性较好,高度不大于5 m的硐室。而先拱后墙的正台阶工作面施工的适用范围比较广泛,在围岩条件较差的情况下也能安全施工。

2 导坑开挖法

2.1 下导坑开挖法

下导坑开挖法适用于中等稳定的岩层中开挖5～7 m高的硐室,如水泵房、变电所和卷扬机硐室等。施工时先在下部掘进导坑,然后利用导坑扩帮、挑顶,将断面刷大到设计的规格尺寸。

当硐室跨度较小时,将下导坑布置在硐室中央,硐室跨度较大时,可在硐室两边各布置一个导坑。确定导坑断面尺寸时,应根据岩石的松散系数进行计算,以保证挑顶后岩渣上部有2 m左右的空间,以便进行拱顶喷锚支护。如果空间留得过大不便于蹬渣作业。

导坑掘进完毕,即可开始挑顶扩帮。可以先挑顶后扩帮,如图3所示,也可先扩帮后挑顶,如图4所示。为了获得平整的轮廓面,拱部和墙部都应预留光面层。

1-下导坑；2-挑顶；3-拱部光面层；4-扩帮；5-墙部光面层

1-下导坑；2-扩帮；3-墙部光面层；4-挑顶；5-拱部光面层

当硐室的跨度较大时,可采用两侧下导坑开挖法,如图5所示。挑顶时由两侧向中央发展,拱部爆破时可将大部分岩渣直接落到两侧下导坑中,有利于机械化装岩。

1-两侧下导坑；2-墙部光面层；3-挑顶；4-拱部光面层；5-中心岩柱

锚喷支护采取先拱后墙的施工顺序。随着拱部开挖可以及时安设拱部锚杆。岩石条件差时,喷射混凝土工作可以分段与拱部开挖交替进行；岩石条件较好时,可待拱部开挖完毕后一次喷完。拱部支护结束后再进行边墙锚喷工作。

采用下导坑开挖法,挖取中心岩柱的工作在拱部与墙体支护后进行。下导坑开挖法施工简单,灵活性大,因而应用较广。

2.2 上下导坑开挖法

上下导坑开挖法是一种与光面爆破和锚喷支护相配合的大硐室开挖方法。它适用于中等稳定和稳定性较差的岩层,围岩暴露时间和暴露面积有限的条件下,开挖诸如地下破碎硐室、大型卷扬机硐室、大跨度高墙硐室等。这种方法的实质是利用上下导坑,先掘砌拱部,然后自上而下分层施工。金山店铁矿地下粗碎硐室在施工中采用了这种开挖方法,该硐室高14.15 m,宽11.8 m,长31.3 m,断面面积为154.91 m2,其硐室开挖顺序及导坑天井如图6所示。

Ⅰ～Ⅲ-开挖顺序；1#～6#-天井编号

首先沿硐室底板和东西侧墙掘进一号,二号导坑,以控制硐室侧墙轮廓线。在底板以上10 m处沿硐室纵向中心线掘进三号导坑,用以拱顶开挖。3条导坑通过6条天井及横巷互相联通。天井横巷可用于行人、通风、供风、供水,溜放废石及上下材料、设备。该破碎硐室开挖分3个水平自上向下分层进行,其中第一分层的拱顶和拱脚的施工顺序分别示于图7和图8。

图7 拱顶施工顺序

图8 拱脚施工顺序

2.3 上导坑开挖法

上导坑开挖法适用于松软破碎围岩中的硐室开挖。施工时,先利用上导坑开挖拱部,浇混凝土拱顶,然后在拱顶的保护下,开挖下部断面并砌墙接拱。施工顺序如图9所示。

1-上导坑；2-拱部扩大；3-浇筑混凝土拱顶；4-开挖边墙；5-浇筑混凝土边墙；6-挖取中心岩柱

为了保证施工安全,可以采用短段掘砌的方法,使临时支护紧跟工作面。上导坑可以每掘进5～6 m就扩刷拱部并及时砌拱。边墙施工时,可采取左右墙交替进行短砌,以减少暴露面积。中心岩柱可用做临时支护和架设模板的基础,待硐室衬砌全部拆模后再挖取。这种施工方法工序复杂,施工速度慢,而且拱顶容易沉降,墙与拱连接处整体性较差,但是上导坑先拱后墙开挖法的施工顺序在松散破碎的围岩中施工能保证作业安全。

2.4 侧壁导坑开挖法

为了克服上述先拱后墙施工方法衬砌整体性较差的缺点,采用整体式混凝土衬砌的硐室常选用侧壁导坑开挖法。采用这种方法,首先进行墙部施工。在硐室边墙位置掘进两侧下导坑,然后沿边墙逐层向上挑顶直至拱脚,并紧跟工作面进行分层立模浇筑边墙工作。施工示意图见图10。边墙施工结束后,可按硐室全宽拉底,向上打眼分层挑顶,也可等挖出底槽后,打水平分层压顶。拱顶衬砌浇筑可视围岩稳定情况一次浇筑或分段交替掘砌。

1-下导坑；2-模板；3-混凝土墙；4-底部漏斗；5-作业空间；6-顺路天井

3 留矿开挖法

这种方法与金属矿床开采中的留矿法完全相同。把硐室内岩石当作矿石进行开挖,留下的矿房就是硐室。某铅锌矿和红透山铜矿粗破碎硐室以及某铅锌矿卷扬机硐室都是采用这种方法施工的[1],如图11所示。

1-上向炮眼；2-作业空间；3-顺路天井；4-主井联络道；5-副井联络道；6-下部储矿仓；7-主井；8-副井

采用留矿法施工破碎硐室时，为解决行人、运输、通风等问题，应先掘出装载硐室、下部储矿仓和井筒与硐室的联络道。然后从联络道进入硐室，并以拉底方式沿硐室底板按全宽拉开上掘用的底槽，其高度为1.8～2.0 m。 以后用上向凿岩机分层向上开凿，眼深1.5～1.8 m，炮眼间距为0.8 m×0.6 m 或1.0 m×0.8 m，掏槽以楔形长条状布置在每层的中间。爆破后的岩碴,经下部贮矿仓通过漏斗放出一部分,但仍保持碴面与顶板间距为1.8～2.0 m，以利于继续凿岩、爆破作业，直至掘至硐室顶板为止。为了避免漏斗的堵塞，应控制爆破块度，大块应及时处理。顺路天井用于上下人员、材料并用于通风。

使用留矿法开挖硐室的掘进顺序是自下而上，但进行喷锚支护的顺序则是自上而下先拱后墙，凿岩和喷砼工作均以碴堆为工作台。当硐室上掘到设计高度，符合设计规格后，用碴堆作工作台进行拱部的喷锚支护。在拱顶支护后，利用分层降低碴堆面的形式，自上而下逐层进行边墙的喷锚支护。这样随着边墙支护的完成，硐室中的岩碴也就通过漏斗放完。如果边墙不需要支护，硐室中的岩碴便可一次放出，但在放碴过程中需将四周边墙的松石处理干净，以保证安全。

留矿法开挖硐室的主要优点是：工艺简单，辅助工程量小，作业面宽敞，可布置多台凿岩机同时作业，工效高。我国金属矿山利用此法施工大型硐室已取得了成功的经验，但该法受到地质条件的限制，岩层不稳定时不宜使用。同时，要求底部最好有漏斗装车的条件，比如粗碎硐室的下部贮矿仓。因此此法应用不如导坑法广泛。

4 结语

高大硐室施工方法的选择是一项技术性和规范性很强的工作。在实际施工中，应及时分析硐室的形状、规格和结构差别，所穿过的岩石性质，围岩的稳定性，并参考国内外相关施工经验，确定出科学合理的施工方法，从而保证施工安全。如硐室围岩稳定、跨度和高度均小于6 m，可采用全断面开挖法。当硐室跨度大、墙体高时，底部有漏斗装车条件，比如粗碎硐室的下部贮矿仓时采用留矿法比较有利。对于地质条件复杂、岩层软弱或断面较大的硐室，可以采用导坑开挖法。