有色矿山常用巷道断面受力分析及支护研究

付宗智

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410019）

1 矿山支护设计和管理现状

现在的矿山支护设计流程为，在进行施工图设计时，设计人员根据初步设计的方案，向业主提交主要井巷工程的工勘任务书，业主委托有资质的勘察单位进行工程勘察并提交合格的勘察报告，设计人员根据勘察报告揭露的围岩情况进行支护设计[1]。在实际操作中，主副井、风井、溜破系统等工程都是立体工程，工勘孔布置方便，能够得到详细的勘察报告，设计人员根据报告中的围岩参数，能够进行精确的支护设计。但对于斜井、斜坡道、中段车场、运输平巷等平面跨度较大的工程，很难布置工勘孔进行勘察，在实际设计中，只能根据已有的工勘孔资料，结合矿区详查报告等资料对巷道所在地层进行分析，推断出大概的围岩参数，然后根据推断的围岩情况进行支护设计。

在施工过程中，施工单位根据设计的支护方式编制施工组织设计，进行人员、材料、设备的准备，但施工揭露的围岩状况和设计推断的围岩状况往往差距较大，若不能及时对支护设计进行调整，容易造成冒顶、停工等事故。但设计人员在现场调整周期长，影响施工进度。施工管理人员掌握基本的支护知识，根据设计的原则及时调整支护方式，能加快施工进度，节省工程费用。

2 几种矿山常见巷道断面的使用情况

断面净宽B0=3m，B0=5m和B0=10m是有色矿山中最常见的三种断面形式。3m宽断面为单轨运输巷道、联络道、回风巷道、串车斜井的主要断面形式。5m宽断面主要应用在双轨运输巷道、调车场、无轨斜坡道、水泵硐室、蓄电池电机车充电硐室、配电硐室、避难硐室等井巷工程中。10m宽巷道主要运用在提升机硐室、破碎硐室等工程中[2]。在实际设计中，因矿山的规模、设备的型号有所变化，导致巷道的断面形式各不相同，在本文中列出最常见、有色矿山中使用频率最高的几种断面进行受力分析和支护研究。

3 巷道断面的受力情况分析

因地下矿山的运输巷道，一般埋深都远大于2.5倍的荷载等效高度，在本文中对断面进行受力分析时，都按照深埋隧道计算围岩压力。此时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直均布压力可按下式确定：

其中：qv—垂直均布压力；γ—围岩重度

h—荷载等效高度；S:围岩级别

ω—宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；

B—巷道开挖宽度；i—B每增加1m时的围岩压力增减率；

B＜5m时，取i=0.2；B＞5m时，取i=0.1。

（1）净宽3m断面受力分析（Ⅴ级围岩，γ=25KN/m3）；

图1 净宽3m断面剪力弯矩图

（2）净宽5m断面受力分析（Ⅴ级围岩，γ=25KN/m3）；

垂直压力：qv=γh=25×7.2=180 KN/m2；

水平压力：qh=0.4 qv=0.4×180=72 KN/m2。

图2 净宽5m断面剪力弯矩图

（3）净宽10m断面受力分析（Ⅴ级围岩，γ=25KN/m3）；

垂直压力：qv=γh=25×10.8=270 KN/m2；

水平压力：qh=0.4 qv=0.4×270=108KN/m2。

图3 净宽10m断面剪力弯矩图

4 巷道断面的支护研究

巷道的支护设计是复杂而精细的工作，同样的断面，不同的围岩状况，支护形式不同，同一岩层中，断面尺寸不同，支护形式也不同，同时支护强度受施工方法、临时支护措施等因素的影响[3-7]。按照深埋隧道进行计算，仅考虑围岩的松散压力（地压、巷道顶面重车荷载等特殊情况须专项设计）。

4.1 净宽3m断面支护设计

净宽3m断面，考虑施工方便快捷，建议Ⅰ-Ⅲ级围岩采用喷射混凝土支护，Ⅳ级、Ⅴ级优先采用钢拱架支护，也可采用钢筋混凝土支护。

表1 3m断面支护参数表

4.2 净宽5m断面支护设计

表2 5m断面支护参数表

净宽5m断面，考虑施工方便快捷，建议Ⅰ-Ⅲ级围岩采用喷射混凝土支护，Ⅳ级、Ⅴ级优先采用钢拱架支护，也可采用钢筋混凝土支护。

4.3 净宽10m断面支护设计

净宽10m断面，因断面净跨度比较大，为了满足硐室内安装要求，一般都配备有桁车，硐室高度可达到8-10m。建议Ⅰ、Ⅱ级围岩采用喷射混凝土或喷锚网支护，Ⅲ级围岩采用U钢拱架+喷锚网支护，Ⅳ级、Ⅴ级优先采用钢筋混凝土支护，或采用U钢拱架+钢筋混凝土支护。

表3 10m断面支护参数表

在实际操作中，可以按这几种断面为基础，对实际支护形式进行必要的调整，比如小于3m的，可以参照3m的支护形式进行支护设计，3m～5m的断面，参照5m的支护形式，5m～10m的断面，参照10m的支护形式。

5 施工过程中的冒落控制方法

巷道施工中，碰到不良地质时，容易发生片帮、冒顶等事故。一旦发生冒顶，不但存在非常大的安全隐患，后期的处理既影响工期，也需要较高的费用投入。在施工过程中，为控制发生冒顶施工，必须采取必要的超前支护和临时支护。常用的超前支护方式有工作面预注浆加固，超前导管护顶等；常用的临时支护措施有喷锚网支护，临时拱架支护等。对于极软岩或极破碎岩层中的大断面施工，也可以采用台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法及双侧壁导坑法等。应根据隧道长度、断面大小、结构形式、工期要求、机械设备、地质条件等，选择适宜的开挖方案，并应具有较大适应性。

台阶法适用于Ⅲ-Ⅳ级围岩的中小跨度巷道，V级围岩的小跨度巷道在采用了有效的预加固措施后亦可采用台阶法开挖。5m宽巷道及围岩地质条件较好的10m宽巷道可采用二台阶法施工，巷道断面较高、单层台阶断面尺寸较大时可采用三台阶法，台阶长度宜为巷道开挖跨度的1倍～1.5倍。环形开挖预留核心土法适用于Ⅳ～Ⅴ级围岩或一般土质围岩的中小跨度巷道，每循环开挖长度宜为0.5m～1.0m，核心土面积不应小于整个断面的50%。中隔壁法(CD法)或交叉中隔壁法(CRD法)适用于围岩较差、跨度大、浅埋、地表沉降需要控制的场合。双侧壁导坑法适用于浅埋大跨度隧道及地表下沉量要求严格而围岩条件很差的情况。

井巷施工应严格按照《金属非金属矿山安全规程》《有色金属矿山井巷工程施工规范》和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》等国家规范、规程相关要求施工。应采用光面爆破施工，以尽量减少对围岩的爆破影响，减少超挖、欠挖，提高围岩自承能力。井巷施工过程中，含水层必须进行超前钻孔探水，井巷施工必须坚持"有疑必探，先探后掘"的原则。施工中如工作面发现有异状流水、巷道壁渗水、雾气、水叫、顶板等情况应立即处理；掘进工作面遇到溶洞、断层破碎带、水量大的含水段、采空区等复杂地段，应在超前钻探施工勘察手段指导下，掌握了掘进工作面前方工程地质和水文地质情况，制定施工技术安全措施，确保施工安全。

6 结论

随着政府在安全、环保等各方面的管控越来越严格规范，矿山基建的投入越来越大，为确保矿山企业的可持续发展，矿山从精细化设计到精细化施工须尽早落实，巷道精细化支护是其中的重要内容。希望本文能帮助施工人员对各种断面巷道的支护强度有个概念性的认识，方便在现场设计时参照本文的标准断面，根据不同断面形式、不同围岩情况快速确定合理的支护方式。