地下高應力環境大硐室施工工藝的研究及應用

楊德源 周天貴

（玉溪大紅山礦業有限公司）

1 工程概況及背景

大紅山鐵礦機車修理硐室位于5 m 中段運輸平巷東北側，西鄰采區斜坡道，東面是通往膠帶斜井輔助斜坡道、避災硐室、5 m 臨時泵房及輔助豎井進風平巷，硐室上下無其他工程。

機車修理硐室屬井下重要硐室，為后期生產設備進行井下維修保養場所，埋深700 m，處于高應力環境中，硐室掘進尺寸：高11.2 m，寬10 m，長度51 m，設計為雙層鋼筋C25 混凝土永久支護，支護厚度0.4 m（具體參數詳見圖1、圖2），邊掘邊支，硐室位于早元古界大紅山群紅山組（Ptdh）地層中，主要揭露集塊巖、火山角礫巖、變鈉質熔巖、石榴綠泥片巖、角閃變鈉質熔巖夾薄層不純白云石大理巖，圍巖堅硬，中等穩固～穩固，節理裂隙偶見發育，圍巖整體性一般。為確保在高應力環境下硐室施工安全、質量，滿足施工進度計劃要求，須編制詳細的施工組織設計方案，方案必須滿足在安全上可靠、經濟上合理、技術上可行、質量上有保障。

圖1 機車修理硐室斷面圖（硐室長51 m）

圖2 機車修理硐室平面圖

2 硐室工程特點

2.1 硐室基本特點

（1）機車修理硐室的長度長，進出口通道狹窄，通風要求高。

（2）機車修理硐室埋深大（垂直地面埋深700 m），緊鄰二道河主要運輸通道、進風通道，且與其他硐室（清洗硐室）相連（見圖2），圍巖受力情況復雜，還伴隨輕微巖爆現象，硐室掘進、支護難度較大，安全風險高。

（3）機車修理硐室斷面大（見圖1）、掘進高度高，機械適用性較低。

（4）機車修理硐室圍巖堅硬穩固性中等，節理裂隙偶見發育。

2.2 硐室應力分布特點

應力分析：在施加面力的情況下，巷道兩幫角會出現明顯的應力集中現象，容易發生破壞。巷道單幫高應力分布深度在7～8 m 左右，該范圍Mises 應力為15～30 MPa，當該應力值達到巖體抗壓或抗拉強度時，就會發生破壞，巷道周邊圍巖最大主應力為40 MPa 左右。采用FLAC 三維模擬計算結果，巷道兩幫塑性區（破壞區）深度達4.5 m，不利于巷道自穩（見圖3）。

圖3 機車修理硐室應力分析圖

3 硐室施工方法分析

大斷面硐室開挖常見方法分全斷面法、導硐法和留礦法三類。

3.1 全斷面開挖法

全斷面開挖法是沿硐室長度方向對硐室全面開挖，前后可分臺階，該方法對硐室巖石條件、應力分布及地質環境要求較高。優點在于施工方法簡單、成本低；缺點在于對地質條件要求高、安全風險高，頂部支護難度大等。

3.2 導硐法

導硐法是在硐室任何位置先施工小巷道，再進行擴刷、擴大至硐室尺寸的方法。優點在于靈活性大、可以根據地質條件、硐室斷面大小和支護形式變換導坑的布置方式和開挖順序；缺點在于施工效率低，施工組織難度大，成本高等[1]。

3.3 留礦法

留礦法施工的前提是下部已形成礦倉或漏斗，通過聯絡道拉開底槽，使用鑿巖機分層上掘，中間采用楔形掏槽，巖碴通過下部放出。優點在于出渣、施工方便快捷；缺點在于受地質條件限制較大，同時要求底部最好有漏斗裝礦條件[2]。

3.4 施工方法分析研究及選擇

根據上述三類施工方法，結合破碎硐室的實際情況進行以下分析：

全斷面法不適用：由于硐室開挖高度達到11.2 m，搭設工作平臺施工安全性不高，開挖斷面積接近110 m2，全斷面開挖可能會造成應力嚴重失衡，另若使用臺階法施工無法實現全過程機械撬毛。

留礦法不具備條件：硐室下部未形成礦倉及放礦漏斗。

通過上述分析，結合硐室自身特點（硐室掘進尺寸：高11.2 m，寬10 m，長度51 m），考慮當前礦山施工機械化要求，為確保機車修理硐室安全施工，最大限度地發揮設備及人員的作業效率，需在上下導硐施工法的基礎上進行適當優化，總體施工依然堅持“先拱后墻”的順序，利用聯道從硐室東鎖扣開始起坡，施工斜坡導硐，碴石回填下部巷道做為作業平臺，后擴刷東部頂板，再擴刷西部頂板，最后擴刷邊幫并依次降低直至到底部。具體實施過程詳見如下：

4 “中央斜坡導硐法”施工應用

4.1 施工總體部署

機車修理硐室分為上、下兩部分先后進行擴刷和臨時支護，從硐室東端沿硐室軸線方向施工導硐至硐室西端設計位置（頂板）。導硐施工自東鎖口位置時開始變坡，坡度13 %，施工過程中用碴石回填下部的巷道。導硐施工完成后，開始由硐室中間分東西兩個方向擴刷，擴刷至設計頂板及時進行錨噴支護（如遇巖石破碎采用錨網噴聯合支護）；在臨時支護保護下開始硐室上部區域兩幫擴刷。硐室擴刷至相對標高+4.1 m 時停止出碴，進行上半部的永久支護施工。永久支護到位后進行硐室下半部自西向東依次擴刷。

4.2 硐室開挖具體步驟

4.2.1 斜坡導硐施工

從硐室東端底板開始沿硐室中軸線掘進至西端，導硐尺寸寬5.2 m*高4.1 m*27 m，與原有巷道的頂板位置貫通，導硐斜坡段坡度13 %，出碴由機車修理硐室聯道鏟運至裝碴點裝車運出。

導硐與原有巷道的頂板位置貫通后，導硐的掘進尺寸沒有變化，坡度隨原巷道的頂板做調整，坡度5 %施工至西端。

4.2.2 +6.9 m 以上西段擴刷

+6.9 m 以上西段擴刷（具體施工見圖4）

圖4 機車修理硐室掘支圖（西段）

4.2.2.1 第I 次刷頂

從硐室中點位置開始挑頂，采用3 m 釬桿斜向挑頂兩次后改為由東向西掘進，厚度2.8 m，擴刷寬度為5.2 m，每炮進尺3 m，頂板采用光面爆破的要求控制打眼、裝藥，保證頂板成型，邊掘邊支。

4.2.2.2 第Ⅱ次刷幫

第一次刷頂結束后由硐室中部開始刷幫，刷兩茬炮至硐室邊幫，創造向西刷幫的作業空間，后向西刷至西端，擴刷厚度2.3 m，底部控制相對標高+6.9 m，每炮進尺3 m。

4.2.2.3 碴石清理

硐室西部上段（標高6.9 m 以上部分）碴石清理由西向東沿機車修理硐室聯道運出，西部已經全部擴刷并完成錨網噴支護，清運多余碴石，平整壓實形成斜坡道，作為硐室東段頂幫擴刷臨時斜坡道。

4.2.3 +6.9 m 以上東段擴刷

+6.9 m 以上東段擴刷（具體施工見圖5）

圖5 機車修理硐室掘支圖（東段）

4.2.3.1 第I 次刷頂

從硐室中點位置開始向東刷頂，完成相對標高+8.1 m以下頂板擴刷寬度為5.2 m，每炮進尺3 m，采用光面爆破施工方法，控制頂板成型，邊掘邊支。

4.2.3.2 第Ⅱ次刷頂

第一次刷頂結束后，由硐室中點位置開始第二次刷頂，刷頂至設計輪廓（相對標高+11.1 m），寬度為5.2 m，進尺3 m，采用光面爆破的要求打眼，控制頂板成型。

4.2.3.3 第Ⅲ次刷幫（標高6.9 m～11.2 m 即設計拱部位置）

第二次刷頂結束后由硐室中部開始刷幫，擴刷厚度2.3 m，本次刷幫嚴格采用光面爆破的要求打眼，控制邊幫成型。

4.2.4 邊幫擴刷（標高4.1 m—6.9 m）

待導硐上部東段擴刷和支護結束后，此時硐室標高6.9 m 以上的所有擴刷和支護已經全部結束。下一步進行標高4.1 m—6.9 m 硐室邊幫擴刷，首先由硐室中部刷一茬炮至硐室邊幫，創造向西刷幫的作業空間，由硐室中間位置向西擴刷至西端，然后由中部先向東側擴刷至東端，擴刷厚度2.3 m，每炮進尺3 m，邊掘邊支。

4.2.5 硐室下半部分（標高±0.000 至+4.1 m）

擴刷待相對標高+4.1 m ～+11.1 m 永久支護完成后再進行。擴刷前清運多余碴石，自西向東擴刷，硐室內的旁硐及檢修槽同時開挖，邊掘邊支。

5 實施效果

（1）“中央斜坡導硐法”施工在保障安全施工方面有著最為明顯的優勢，全過程實現機械撬毛，采用先對拱部進行錨網噴支護，大大降低了“冒頂片幫”的風險，作業過程中實現了“0”事故；

（2）“中央斜坡導硐法”在成本控制上也取得不錯效果，采用“短掘短支”能最有效的保護巖石不被破壞，降低硐室塌方，減少混凝土回填成本，該硐室嚴格控制塌方量＜100 m3；

（3）“中央斜坡導硐法”對于保證大硐室質量也有顯著效果，從前期的測量放線、到后期的立柱定位，都保證每一茬炮的技術跟進，在整個硐室的掘進過程中，僅存在小部分巖石塌方造成的硐室超挖，硐室擴刷質量良好。

6 結論

（1）“中央斜坡導硐法”施工適用于應力破壞區深度4 m 以上的情況，斜坡導硐、逐步擴刷能有效防止應力集中發生的巖爆等地壓事故；

（2）先拱后墻、小斷面變大斷面能有效保證全過程的機械撬毛，真正實現機械化換人，采用斜坡式導硐，實現了全過程的機械化，提高了施工安全性和效率，減輕了工人的勞動強度；

（3）“中央斜坡導硐法”的斜坡需要硐室滿足一定的長度（一般大于35 m），若硐室過短，斜坡坡度較大，無法實現機械施工且人員上下安全風險高。