地下高应力环境大硐室施工工艺的研究及应用

2023-02-02杨德源周天贵

昆钢科技 2023年4期

杨德源周天贵

（玉溪大红山矿业有限公司）

1 工程概况及背景

大红山铁矿机车修理硐室位于5 m 中段运输平巷东北侧，西邻采区斜坡道，东面是通往胶带斜井辅助斜坡道、避灾硐室、5 m 临时泵房及辅助竖井进风平巷，硐室上下无其他工程。

机车修理硐室属井下重要硐室，为后期生产设备进行井下维修保养场所，埋深700 m，处于高应力环境中，硐室掘进尺寸：高11.2 m，宽10 m，长度51 m，设计为双层钢筋C25 混凝土永久支护，支护厚度0.4 m（具体参数详见图1、图2），边掘边支，硐室位于早元古界大红山群红山组（Ptdh）地层中，主要揭露集块岩、火山角砾岩、变钠质熔岩、石榴绿泥片岩、角闪变钠质熔岩夹薄层不纯白云石大理岩，围岩坚硬，中等稳固～稳固，节理裂隙偶见发育，围岩整体性一般。为确保在高应力环境下硐室施工安全、质量，满足施工进度计划要求，须编制详细的施工组织设计方案，方案必须满足在安全上可靠、经济上合理、技术上可行、质量上有保障。

图1 机车修理硐室断面图（硐室长51 m）

图2 机车修理硐室平面图

2 硐室工程特点

2.1 硐室基本特点

（1）机车修理硐室的长度长，进出口通道狭窄，通风要求高。

（2）机车修理硐室埋深大（垂直地面埋深700 m），紧邻二道河主要运输通道、进风通道，且与其他硐室（清洗硐室）相连（见图2），围岩受力情况复杂，还伴随轻微岩爆现象，硐室掘进、支护难度较大，安全风险高。

（3）机车修理硐室断面大（见图1）、掘进高度高，机械适用性较低。

（4）机车修理硐室围岩坚硬稳固性中等，节理裂隙偶见发育。

2.2 硐室应力分布特点

应力分析：在施加面力的情况下，巷道两帮角会出现明显的应力集中现象，容易发生破坏。巷道单帮高应力分布深度在7～8 m 左右，该范围Mises 应力为15～30 MPa，当该应力值达到岩体抗压或抗拉强度时，就会发生破坏，巷道周边围岩最大主应力为40 MPa 左右。采用FLAC 三维模拟计算结果，巷道两帮塑性区（破坏区）深度达4.5 m，不利于巷道自稳（见图3）。

图3 机车修理硐室应力分析图

3 硐室施工方法分析

大断面硐室开挖常见方法分全断面法、导硐法和留矿法三类。

3.1 全断面开挖法

全断面开挖法是沿硐室长度方向对硐室全面开挖，前后可分台阶，该方法对硐室岩石条件、应力分布及地质环境要求较高。优点在于施工方法简单、成本低；缺点在于对地质条件要求高、安全风险高，顶部支护难度大等。

3.2 导硐法

导硐法是在硐室任何位置先施工小巷道，再进行扩刷、扩大至硐室尺寸的方法。优点在于灵活性大、可以根据地质条件、硐室断面大小和支护形式变换导坑的布置方式和开挖顺序；缺点在于施工效率低，施工组织难度大，成本高等[1]。

3.3 留矿法

留矿法施工的前提是下部已形成矿仓或漏斗，通过联络道拉开底槽，使用凿岩机分层上掘，中间采用楔形掏槽，岩碴通过下部放出。优点在于出渣、施工方便快捷；缺点在于受地质条件限制较大，同时要求底部最好有漏斗装矿条件[2]。

3.4 施工方法分析研究及选择

根据上述三类施工方法，结合破碎硐室的实际情况进行以下分析：

全断面法不适用：由于硐室开挖高度达到11.2 m，搭设工作平台施工安全性不高，开挖断面积接近110 m2，全断面开挖可能会造成应力严重失衡，另若使用台阶法施工无法实现全过程机械撬毛。

留矿法不具备条件：硐室下部未形成矿仓及放矿漏斗。

通过上述分析，结合硐室自身特点（硐室掘进尺寸：高11.2 m，宽10 m，长度51 m），考虑当前矿山施工机械化要求，为确保机车修理硐室安全施工，最大限度地发挥设备及人员的作业效率，需在上下导硐施工法的基础上进行适当优化，总体施工依然坚持“先拱后墙”的顺序，利用联道从硐室东锁扣开始起坡，施工斜坡导硐，碴石回填下部巷道做为作业平台，后扩刷东部顶板，再扩刷西部顶板，最后扩刷边帮并依次降低直至到底部。具体实施过程详见如下：

4 “中央斜坡导硐法”施工应用

4.1 施工总体部署

机车修理硐室分为上、下两部分先后进行扩刷和临时支护，从硐室东端沿硐室轴线方向施工导硐至硐室西端设计位置（顶板）。导硐施工自东锁口位置时开始变坡，坡度13 %，施工过程中用碴石回填下部的巷道。导硐施工完成后，开始由硐室中间分东西两个方向扩刷，扩刷至设计顶板及时进行锚喷支护（如遇岩石破碎采用锚网喷联合支护）；在临时支护保护下开始硐室上部区域两帮扩刷。硐室扩刷至相对标高+4.1 m 时停止出碴，进行上半部的永久支护施工。永久支护到位后进行硐室下半部自西向东依次扩刷。

4.2 硐室开挖具体步骤

4.2.1 斜坡导硐施工

从硐室东端底板开始沿硐室中轴线掘进至西端，导硐尺寸宽5.2 m*高4.1 m*27 m，与原有巷道的顶板位置贯通，导硐斜坡段坡度13 %，出碴由机车修理硐室联道铲运至装碴点装车运出。

导硐与原有巷道的顶板位置贯通后，导硐的掘进尺寸没有变化，坡度随原巷道的顶板做调整，坡度5 %施工至西端。

4.2.2 +6.9 m 以上西段扩刷

+6.9 m 以上西段扩刷（具体施工见图4）

图4 机车修理硐室掘支图（西段）

4.2.2.1 第I 次刷顶

从硐室中点位置开始挑顶，采用3 m 钎杆斜向挑顶两次后改为由东向西掘进，厚度2.8 m，扩刷宽度为5.2 m，每炮进尺3 m，顶板采用光面爆破的要求控制打眼、装药，保证顶板成型，边掘边支。

4.2.2.2 第Ⅱ次刷帮

第一次刷顶结束后由硐室中部开始刷帮，刷两茬炮至硐室边帮，创造向西刷帮的作业空间，后向西刷至西端，扩刷厚度2.3 m，底部控制相对标高+6.9 m，每炮进尺3 m。

4.2.2.3 碴石清理

硐室西部上段（标高6.9 m 以上部分）碴石清理由西向东沿机车修理硐室联道运出，西部已经全部扩刷并完成锚网喷支护，清运多余碴石，平整压实形成斜坡道，作为硐室东段顶帮扩刷临时斜坡道。

4.2.3 +6.9 m 以上东段扩刷

+6.9 m 以上东段扩刷（具体施工见图5）

图5 机车修理硐室掘支图（东段）

4.2.3.1 第I 次刷顶

从硐室中点位置开始向东刷顶，完成相对标高+8.1 m以下顶板扩刷宽度为5.2 m，每炮进尺3 m，采用光面爆破施工方法，控制顶板成型，边掘边支。

4.2.3.2 第Ⅱ次刷顶

第一次刷顶结束后，由硐室中点位置开始第二次刷顶，刷顶至设计轮廓（相对标高+11.1 m），宽度为5.2 m，进尺3 m，采用光面爆破的要求打眼，控制顶板成型。

4.2.3.3 第Ⅲ次刷帮（标高6.9 m～11.2 m 即设计拱部位置）

第二次刷顶结束后由硐室中部开始刷帮，扩刷厚度2.3 m，本次刷帮严格采用光面爆破的要求打眼，控制边帮成型。

4.2.4 边帮扩刷（标高4.1 m—6.9 m）

待导硐上部东段扩刷和支护结束后，此时硐室标高6.9 m 以上的所有扩刷和支护已经全部结束。下一步进行标高4.1 m—6.9 m 硐室边帮扩刷，首先由硐室中部刷一茬炮至硐室边帮，创造向西刷帮的作业空间，由硐室中间位置向西扩刷至西端，然后由中部先向东侧扩刷至东端，扩刷厚度2.3 m，每炮进尺3 m，边掘边支。

4.2.5 硐室下半部分（标高±0.000 至+4.1 m）

扩刷待相对标高+4.1 m ～+11.1 m 永久支护完成后再进行。扩刷前清运多余碴石，自西向东扩刷，硐室内的旁硐及检修槽同时开挖，边掘边支。