有色礦山常用巷道斷面受力分析及支護研究

付宗智

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019）

1 礦山支護設計和管理現狀

現在的礦山支護設計流程為，在進行施工圖設計時，設計人員根據初步設計的方案，向業主提交主要井巷工程的工勘任務書，業主委托有資質的勘察單位進行工程勘察并提交合格的勘察報告，設計人員根據勘察報告揭露的圍巖情況進行支護設計[1]。在實際操作中，主副井、風井、溜破系統等工程都是立體工程，工勘孔布置方便，能夠得到詳細的勘察報告，設計人員根據報告中的圍巖參數，能夠進行精確的支護設計。但對于斜井、斜坡道、中段車場、運輸平巷等平面跨度較大的工程，很難布置工勘孔進行勘察，在實際設計中，只能根據已有的工勘孔資料，結合礦區詳查報告等資料對巷道所在地層進行分析，推斷出大概的圍巖參數，然后根據推斷的圍巖情況進行支護設計。

在施工過程中，施工單位根據設計的支護方式編制施工組織設計，進行人員、材料、設備的準備，但施工揭露的圍巖狀況和設計推斷的圍巖狀況往往差距較大，若不能及時對支護設計進行調整，容易造成冒頂、停工等事故。但設計人員在現場調整周期長，影響施工進度。施工管理人員掌握基本的支護知識，根據設計的原則及時調整支護方式，能加快施工進度，節省工程費用。

2 幾種礦山常見巷道斷面的使用情況

斷面凈寬B0=3m，B0=5m和B0=10m是有色礦山中最常見的三種斷面形式。3m寬斷面為單軌運輸巷道、聯絡道、回風巷道、串車斜井的主要斷面形式。5m寬斷面主要應用在雙軌運輸巷道、調車場、無軌斜坡道、水泵硐室、蓄電池電機車充電硐室、配電硐室、避難硐室等井巷工程中。10m寬巷道主要運用在提升機硐室、破碎硐室等工程中[2]。在實際設計中，因礦山的規模、設備的型號有所變化，導致巷道的斷面形式各不相同，在本文中列出最常見、有色礦山中使用頻率最高的幾種斷面進行受力分析和支護研究。

3 巷道斷面的受力情況分析

因地下礦山的運輸巷道，一般埋深都遠大于2.5倍的荷載等效高度，在本文中對斷面進行受力分析時，都按照深埋隧道計算圍巖壓力。此時，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直均布壓力可按下式確定：

其中：qv—垂直均布壓力；γ—圍巖重度

h—荷載等效高度；S:圍巖級別

ω—寬度影響系數，ω=1+i(B-5)；

B—巷道開挖寬度；i—B每增加1m時的圍巖壓力增減率；

B＜5m時，取i=0.2；B＞5m時，取i=0.1。

（1）凈寬3m斷面受力分析（Ⅴ級圍巖，γ=25KN/m3）；

圖1 凈寬3m斷面剪力彎矩圖

（2）凈寬5m斷面受力分析（Ⅴ級圍巖，γ=25KN/m3）；

垂直壓力：qv=γh=25×7.2=180 KN/m2；

水平壓力：qh=0.4 qv=0.4×180=72 KN/m2。

圖2 凈寬5m斷面剪力彎矩圖

（3）凈寬10m斷面受力分析（Ⅴ級圍巖，γ=25KN/m3）；

垂直壓力：qv=γh=25×10.8=270 KN/m2；

水平壓力：qh=0.4 qv=0.4×270=108KN/m2。

圖3 凈寬10m斷面剪力彎矩圖

4 巷道斷面的支護研究

巷道的支護設計是復雜而精細的工作，同樣的斷面，不同的圍巖狀況，支護形式不同，同一巖層中，斷面尺寸不同，支護形式也不同，同時支護強度受施工方法、臨時支護措施等因素的影響[3-7]。按照深埋隧道進行計算，僅考慮圍巖的松散壓力（地壓、巷道頂面重車荷載等特殊情況須專項設計）。

4.1 凈寬3m斷面支護設計

凈寬3m斷面，考慮施工方便快捷，建議Ⅰ-Ⅲ級圍巖采用噴射混凝土支護，Ⅳ級、Ⅴ級優先采用鋼拱架支護，也可采用鋼筋混凝土支護。

表1 3m斷面支護參數表

4.2 凈寬5m斷面支護設計

表2 5m斷面支護參數表

凈寬5m斷面，考慮施工方便快捷，建議Ⅰ-Ⅲ級圍巖采用噴射混凝土支護，Ⅳ級、Ⅴ級優先采用鋼拱架支護，也可采用鋼筋混凝土支護。

4.3 凈寬10m斷面支護設計

凈寬10m斷面，因斷面凈跨度比較大，為了滿足硐室內安裝要求，一般都配備有桁車，硐室高度可達到8-10m。建議Ⅰ、Ⅱ級圍巖采用噴射混凝土或噴錨網支護，Ⅲ級圍巖采用U鋼拱架+噴錨網支護，Ⅳ級、Ⅴ級優先采用鋼筋混凝土支護，或采用U鋼拱架+鋼筋混凝土支護。

表3 10m斷面支護參數表

在實際操作中，可以按這幾種斷面為基礎，對實際支護形式進行必要的調整，比如小于3m的，可以參照3m的支護形式進行支護設計，3m～5m的斷面，參照5m的支護形式，5m～10m的斷面，參照10m的支護形式。

5 施工過程中的冒落控制方法

巷道施工中，碰到不良地質時，容易發生片幫、冒頂等事故。一旦發生冒頂，不但存在非常大的安全隱患，后期的處理既影響工期，也需要較高的費用投入。在施工過程中，為控制發生冒頂施工，必須采取必要的超前支護和臨時支護。常用的超前支護方式有工作面預注漿加固，超前導管護頂等；常用的臨時支護措施有噴錨網支護，臨時拱架支護等。對于極軟巖或極破碎巖層中的大斷面施工，也可以采用臺階法、環形開挖預留核心土法、中隔壁法及雙側壁導坑法等。應根據隧道長度、斷面大小、結構形式、工期要求、機械設備、地質條件等，選擇適宜的開挖方案，并應具有較大適應性。

臺階法適用于Ⅲ-Ⅳ級圍巖的中小跨度巷道，V級圍巖的小跨度巷道在采用了有效的預加固措施后亦可采用臺階法開挖。5m寬巷道及圍巖地質條件較好的10m寬巷道可采用二臺階法施工，巷道斷面較高、單層臺階斷面尺寸較大時可采用三臺階法，臺階長度宜為巷道開挖跨度的1倍～1.5倍。環形開挖預留核心土法適用于Ⅳ～Ⅴ級圍巖或一般土質圍巖的中小跨度巷道，每循環開挖長度宜為0.5m～1.0m，核心土面積不應小于整個斷面的50%。中隔壁法(CD法)或交叉中隔壁法(CRD法)適用于圍巖較差、跨度大、淺埋、地表沉降需要控制的場合。雙側壁導坑法適用于淺埋大跨度隧道及地表下沉量要求嚴格而圍巖條件很差的情況。

井巷施工應嚴格按照《金屬非金屬礦山安全規程》《有色金屬礦山井巷工程施工規范》和《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》等國家規范、規程相關要求施工。應采用光面爆破施工，以盡量減少對圍巖的爆破影響，減少超挖、欠挖，提高圍巖自承能力。井巷施工過程中，含水層必須進行超前鉆孔探水，井巷施工必須堅持"有疑必探，先探后掘"的原則。施工中如工作面發現有異狀流水、巷道壁滲水、霧氣、水叫、頂板等情況應立即處理；掘進工作面遇到溶洞、斷層破碎帶、水量大的含水段、采空區等復雜地段，應在超前鉆探施工勘察手段指導下，掌握了掘進工作面前方工程地質和水文地質情況，制定施工技術安全措施，確保施工安全。

6 結論

隨著政府在安全、環保等各方面的管控越來越嚴格規范，礦山基建的投入越來越大，為確保礦山企業的可持續發展，礦山從精細化設計到精細化施工須盡早落實，巷道精細化支護是其中的重要內容。希望本文能幫助施工人員對各種斷面巷道的支護強度有個概念性的認識，方便在現場設計時參照本文的標準斷面，根據不同斷面形式、不同圍巖情況快速確定合理的支護方式。