高海拔大断面巷道施工关键技术探讨与思考*——以西藏驱龙铜矿为例

陈 磊，沙仙武，黄智强

(1.西藏巨龙铜业有限公司，西藏 拉萨 850200；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京100083)

0 引言

高海拔矿产资源开发利用是保障国家能源供给的重要途径之一。我国青藏高原具有矿产资源丰富、矿产种类齐全、大型和特大型战略性矿床集中分布等资源优势。但同时，高海拔区域也存在海拔高、氧气稀薄、温度低和干旱等显著地理特点。铜矿是国家重要战略性矿产之一，多宝山铜矿、普朗铜矿、玉龙铜矿、驱龙铜矿和甲玛铜矿等一批大型、特大型国内铜矿的建设，为我国铜矿资源供给提供了重要保障。西藏墨竹工卡是我国高原地区铜矿资源的重要富集地带，驱龙铜矿和甲玛铜矿等典型高海拔大型铜矿均位于此。

本文以西藏巨龙铜业有限公司(简称“巨龙铜业”)驱龙铜矿为研究对象，该矿平均开采海拔超过5 200 m。受地形地貌等因素限制，巨龙铜业的选厂建在海拔3 700 m处，露天矿采出矿石经长距离皮带运输进入储矿仓再开展浮选工作。考虑到高海拔区域生态环境的特点，地表植被一旦被破坏极难恢复，因此巨龙铜业在确定皮带运输方案时进行了综合考虑，一方面要保护地表植被，另一方面要尽量缩短皮带长度进而降低运营成本。皮带运输巷道作为矿石运输通道，其施工质量和稳定性对于矿石运输具有重要意义。国内外学者就大断面巷道掘进施工开展了大量研究，并取得了丰硕成果[1-7]。高亚伟[8]采用桁架锚索技术对大断面巷道进行了加固，巷道变形得到了有效控制；马新世等[9]结合理论分析和数值模拟手段，利用注浆技术对深部大断面巷道进行了加固；李清海[10]通过构建大断面巷道初期支护承载力模型，从理论层面揭示了其初期支护阶段的变形规律；刘学生等[11]采用数值模拟手段揭示了超大断面洞室群锚固围岩的失稳机制。一些学者在巷道分级支护、考虑爆破振动、不同侧压系数、卸压支护及纤维混凝土喷浆支护等方面也开展了卓有成效的研究[12-16]。此外，亦有诸多学者就巷道支护方式确定和参数优化进行了探索[17-20]。

目前关于高海拔寒旱区环境下的大断面巷道施工技术的报道相对较少，基于此，本文以驱龙矿段皮带运输巷道为工程背景，对其施工影响因素和关键技术进行了详细阐述，以期为我国高海拔巷(隧)道的高效、低成本施工提供参考。

1 大断面皮带运输巷道施工关键技术

综合考虑地层分布特点、大断面施工环节、破碎带抽冒、施工组织等，系统分析驱龙段大断面皮带运输巷道施工的主要影响因素和关键技术。

1.1 地层分布特点和岩体稳定性分级

掌握地层分布特点是开展巷(隧)道工程精准施工的基础，图1为驱龙段皮带运输巷道地表对应的地层分布情况。

图1 地表地层分布现场图Fig.1 Field map of surface stratigraphic distribution

由图1可以看出：地表第四系表土层很薄，在300 mm左右；地表无大型乔木和灌木，以低矮型草地植被为主；如遇雨雪天气，地表水很容易汇集到山谷，若地表有裂隙易导致大量汇水进入裂隙内。表土第四系下以角砾状全强风化凝灰岩和中强风化凝灰岩为主，揭露后极易风化，无大型石块，遇水泥化现象严重。因此，该类型地层是影响皮带运输巷道顺利施工的重要影响因素之一。

基于此，巨龙铜业开展了钻孔岩芯RQD分级、岩土体宏观力学和微观组分测试。通过岩石力学试验获得了岩土体密度、点载荷强度、弹性模量、泊松比、单轴/三轴压缩强度、抗拉强度、内聚力和内摩擦角等参数。此外，提出了一种基于数字图像处理的RQD智能分级方法，通过岩芯拍照和数字图像处理技术快速获取了皮带运输巷道围岩质量指标(DRQ)值(见图2)。由图2可知：巷道稳定性沿轴向方向表现出明显的差异，尤其是穿越破碎带区域时的稳定性极差，在施工过程中应重点关注；随着钻孔深度的增大，地层岩体DRQ值随深度呈指数函数分布，钻孔深度超过100 m后，DRQ值基本稳定在74%～80%。

图2 地层岩体DRQ值与钻孔深度的关系曲线Fig.2 The curve of relation between stratum rock DRQ and drilling depth

1.2 皮带运输巷道破碎带破坏变形机理

经现场调研，皮带运输巷道在穿越破碎带时发生了贯穿地表的抽冒现象，即掘进至破碎带后发生了集中向上的变形，地表形成明显的塌陷，对地表公路安全形成了潜在威胁。图3为破碎带巷道突泥和地表塌陷现场图。

图3 皮带运输巷道突泥与地表塌陷现场图Fig.3 Site map of mud burst and ground subsidence in belt conveyor roadway

为探明高海拔皮带运输巷道破碎带破坏变形机理，利用数值模拟手段对分步施工掘进过程中上覆围岩变形特性进行研究。图4为皮带运输巷道穿越破碎带时上覆岩层变形数值模拟结果。由图4可知，在开挖进程分别为662.5～665 m和667.5～670 m时(穿越破碎带区域)，由于卸压作用，破碎带的位移、应力和塑性变形明显增大，且向地表方向快速扩展，最大变形区域尺寸为皮带运输巷道高度的5倍以上，现场施工需要根据数值模拟结果制订相应的控制措施。

(a)开挖进程662.5～665 m

(b)开挖进程667.5～670 m图4 皮带运输巷道穿越破碎带时上覆岩层变形数值模拟结果Fig.4 Numerical simulation results of overlying strata deformation when belt conveyor roadway crosses the fracture zone

1.3 穿越破碎带防塌孔装置

综上可知，皮带运输巷道在穿越破碎带掘进施工时，极易出现钻机卡钻、钻孔偏孔、装药困难等问题。为实现快速穿越破碎带的目标，发明了一种岩-泥共存型巷道快速成孔装置，可解决在掘进过程中出现的钻孔塌孔、卡钻、效率低和成本高等问题。图5为破碎岩体与黄泥巷道掘进快速成孔装置，图6为破碎岩体运输巷道掘进快速成孔装置施工流程。现场应用结果表明，采用该装置后成孔率大大提高，显著提高了掘进效率。

图5 破碎岩体与黄泥巷道掘进快速成孔装置Fig.5 Rapid holing device for roadway excavation with broken rock mass and yellow mud

图6 破碎岩体运输巷道掘进快速成孔装置施工流程Fig.6 Construction procedure for rapid holing device for roadway excavation with broken rock mass transportation

1.4 皮带运输巷道支护方式

在皮带运输巷道掘进过程中，破碎带一旦揭露，必须及时支护。现场调研发现，如果掘进面的暴露时间超过2 d，运输巷道周边岩土体会发生鼓肚、垮冒等大变形现象。因此，合理选择皮带运输巷道的支护方式和支护参数是保障运输巷道快速掘进和长期稳定的关键。通过综合比较“全断面超前注浆固结+钢拱架+衬砌联合支护”、“超前小导管注浆固结+钢筋网+锁脚锚杆+衬砌联合支护”和“超前长管棚+锚-索-网+注浆堵水+钢架+衬砌联合支护”等方式，为保证皮带运输巷道的长期稳定，并考虑到其上覆岩层的导水通道须做隔水处理，推荐采用“超前长管棚+锚-索-网+注浆堵水+钢架-衬砌联合支护”方式。

支护参数优化对于保障皮带运输巷道稳定运行和降低作业成本具有重要意义。在“超前长管棚+锚-索-网+注浆堵水+钢架-衬砌联合支护”方式下，本文重点对锚索长度(6、8、10、12 m)、锚索排间距(1.0、1.5、2.0、2.5 m)和衬砌厚度(150、200、250、300 mm)等支护参数进行优选。根据数值模拟计算结果及综合考虑支护成本，确定支护参数为：锚索长度10 m，锚索排间距1.5 m，衬砌厚度200 mm。

1.5 现场应用

图7为皮带运输巷道现场图。对皮带运输巷道进行了现场监测，发现各个位置的位移几乎无变化，验证了施工和支护方式的可靠性。

图7 皮带运输巷道现场图Fig.7 Field map of belt conveyor roadway

2 思考

掌握高海拔寒旱区环境下大断面安全快速掘进技术是保障我国高海拔矿产资源安全运输的重要基础，本研究虽然取得了一定成果，但仍有许多值得思考的问题：

a.本文开展的RQD分级是在有限钻孔数据基础上得到的部分结论，为精准获取高海拔战略性矿产资源富集区域内的矿岩稳定性分级，可以考虑构建不同区段的钻孔数据库，优化岩芯智能分级系统，以便更加准确、高效地获取数据。

b.目前针对高海拔寒旱区环境的研究基本是集中在定性表征上，如：海拔高、空气稀薄、温度低等，建议结合气象局监测数据，将高海拔环境表征定量化，以便为后续研究提供依据。

c.在高强度开发矿产资源的同时，也要重视高原生态环境修复工作。以绿色矿山、生态矿山、经济矿山为开发宗旨，积极践行特大型矿山企业的责任与担当。

3 结论

a.驱龙段地层主要包括地表第四系风化层、角砾状全强风化凝灰岩和中强风化凝灰岩，提出了一种基于数字图像处理的RQD智能分级方法，通过岩芯拍照和数字图像处理技术可以快速获取皮带运输巷道围岩的DRQ值。随着钻孔深度的增大，地层岩体DRQ值随深度呈指数函数分布，钻孔深度超过100 m后，DRQ值基本稳定在74%～80%。

b.皮带运输巷道在穿越破碎带时的位移、应力和塑性变形明显增大，且变形向地表方向快速扩展，其上覆岩层发生垮冒等大变形的风险增加。

c.针对皮带运输巷道在穿越破碎带掘进施工时出现的钻机卡钻、钻孔偏孔严重、装药困难等问题，发明了一种岩-泥共存型巷道快速成孔装置，现场应用结果表明，成孔率大大提高，并显著提高了掘进效率。

d.采用“超前长管棚+锚-索-网+注浆堵水+钢架-衬砌联合支护”方式，锚索长度、排间距和衬砌厚度分别为10 m、1.5 m和200 mm，现场应用结果表明，皮带运输巷道稳定性良好。