大断面硐室的掘进与支护方案

大断面硐室的掘进与支护方案

杜涛

金川集团三矿区

摘要

三矿区东部贫矿资源开发项目是金川公司最后一个大的矿山改扩建工程项目，在矿山的开拓和建设过程中，大断面硐室不可避免的会出现在矿建工程的每一个环节，硐室在施工过程中，由于断面大，长度比较短，其受力状态不易准确分析，施工难度大，往往因为岩石不稳定，容易使断面成型不规则，出现偏帮和冒顶的现象，影响工程的进度和威胁井下工作人员的安全。针对这一情况，根据东部贫矿建设过程中岩石地应力突出，水文地质条件复杂的状况，根据已有矿山建设过程中的工程实践经验，提出采用导硐施工法的基本硐室掘进方法，部分特大断面硐室，可以采用台阶工作面的的方法。支护方面确定采用“锚杆+钢筋焊接网”作为基本支护方式，快速承接预应力锚索和钢筋砼作为加强支护方式，部分区域进行注浆处理。这些方式能够较好的控制大断面硐室的不稳定围岩，工程质量达到优良。

关键词：不稳定围岩大断面硐室掘进和支护

1概述

1.1 井下大断面硐室设计断面

硐室断面形式：三心拱。由于大断面硐室长度小，进出口通道狭窄，服务年限长，工程质量要求高，所以在掘进的过程中，为了使断面的强度能够达到工程质量要求，建议采用三心拱的断面形式，三心拱有三段相内切的圆弧构成，拱作为受力结构的主要特性，将覆在其上的载荷作用所产生的内应力，沿拱上的任意点的切线方向传递至拱和墙角。相对于直墙半圆拱，三心拱的断面利用率高，虽然稳定性不如半圆拱，但是相对来说，实用性更强。

1.2东部贫矿矿建过程中硐室的围岩和地质条件

东部贫矿地质条件复杂，矿区内的岩浆岩主要为超基性岩体，由于受断裂构造控制，岩体膨胀现象明显，并带有一定的分支现象。矿区岩体变质和岩浆侵入作用明显，所以岩体完整性差，稳定性降低，造成矿区断裂、节理纵横交错，层间挤压发育，这些因数致使工程地质条件极为复杂，结构面软弱，残余应力较高，水平应力大于垂直应力，断面变形较严重，需要加固处理。水文地质条件方面，由于金昌地处河西走廊，雨水比较少，水文地质条件相对比较简单，在有些硐室的掘进和支护过程中会出现断面渗水的现象，采取开挖排水沟，架设导流管等基本的处理方式即可。

1.3 硐室掘进方式

在矿建过程中，水泥硐室，沙子硐室，油库等都是大断面的硐室，在这些硐室的开挖过程中，由于断面比较大，围岩不稳定，所以全断面的掘进方式实用性不强，围岩难以维护，施工安全难以保证，所以采用导硐法进行施工。导硐法能够使软弱的岩层得到缓解，能够有效地解决出毛石的情况，这种施工方法的主要特点是借助辅助巷道开挖大断面硐室，这种巷道掘进法不受岩石条件限制，比较通用。在施工的过程中，首先要沿硐室轴线方向掘进1-2条小断面巷道，然后再进行挑顶、扩帮、拉低等工作，将这些工作完成后，在将硐室扩大到设计断面。先行掘进的小断面巷道，会为挑顶、扩帮和拉低的工作提供自由面，而且必要的时候还可以兼作通风、行人和运输用巷道。这种掘进的小断

面巷道能够先行探测到硐室内部的地质条件。不过由于导硐施工的方法要分部进行，所以与全断面法和台阶工作面施工法相比，施工效率比较低。

导硐施工法主要有中央下导硐施工、两侧导硐施工和上下导硐施工的方法。根据东部贫矿井下矿建的围岩条件，水泥硐室，沙子硐室等断面跨度为5m左右，围岩稳定性比较差的硐室，可以考虑用中央下导硐施工方法，导硐从硐室中部沿底板掘进，当导硐掘进到预定位置后，再行开帮、挑顶，并完成永久支护工作。断面跨度不大的硐室，采用锚喷支护，这时可以再导硐施工完成后，先挑顶后开帮，挑顶和开帮后随即进行支护。为了使断面轮廓平整，挑顶和开帮过程中，拱部和墙部需预留光面层。如果砌筑混凝土支护的硐室，采用先开帮后挑顶的顺序进行。这种方法的缺点施工速度慢，效率低。

井建过程中会有一些开挖跨度大，墙很高的大断面硐室，如井下破碎硐室，提升机硐室，遇到这些跨度大的硐室，就需要考虑采用上下导硐施工法，从断面的顶部开始导硐施工，延伸至硐室底部。同时如果施工效率得不到保障，也可以使用台阶工作面法，由于硐室高度较大不便于操作，可将硐室分成两层分层施工，形成台阶工作面。如果采用正台阶工作面施工，那么上分层超前距离一般要保持3m，爆破后先进行上分层工作面的出毛工作，然后上下层同时打眼施工，下分层开挖时，炮眼布置呈水平或垂直布置,为了避免两个自由工作面的影响。这种方法断面呈台阶型布置，施工方便，利于顶板维护，下台阶爆破的效率更高，不过上台阶在出毛的时候，扒渣部方便，劳动强度大，要求上下台阶施工配合。倒台阶施工法不必考虑扒渣的问题，爆破条件好，施工效率高，不过挑顶工作比较困难。这两种方法应用都很广泛，不过先拱后墙的正台阶工作面施工法在松软岩层中也能安全施工，综合考虑，在提升机硐室，破碎硐室等大型硐室的施工过程中，采用上下导硐施工法，或者正台阶工作面施工法，确保工程施工安全有效。

1.4硐室施工前的准备工作

硐室在施工前，准备工作是必不可少的，钻眼设备采用YT28气腿式凿岩机；装岩设备选择方面，出碴用JCCY-6柴油铲运机；支护的材料选择方面，喷锚网采用150mm×150mm钢筋焊接网片，钢筋采用φ6.5mm，规格为1250mm×2150mm，

锚杆采用φ18mm×2250mm的滚压直螺纹钢，垫板规格为200mm×200mm×10mm，加强支护方面，U钢拱架采用25＃矿用钢制作，各个拱架间用φ18mm×900mm 螺纹钢拉杆勾连，有些断面由于岩石质量差，断面透水严重，需要锚注支护，锚注锚杆采用ø32mm×6mm的热轧无缝钢管，长度3米，围岩较差的加强支护地段，长锚索一般采用Φ15.24*7300mm的钢绞线。

在材料和采掘设备准备完成的情况下，硐室施工前需要确定硐室的位置，计算硐室断面的尺寸，勾画硐室的断面轮廓线，根据设计图纸，用喷漆点出每个锚杆的眼位。

1.5硐室支护

在硐室的支护过程中，一般情况下采用双层喷锚网+锚注支护。在工程地质条件较差的情况下可以采取加强支护，加强支护分为双层喷锚网+锚注+U钢拱架、双层喷锚网+锚注+长锚索、喷锚网+锚注+U钢拱架+钢筋混凝土支护，加强支护的断面根据选择的支护型式来具体确定，如需要采用喷锚网+锚注+U钢拱架（间距1米）+钢筋混凝土等三种支护型式。一次支护紧跟掌子面，二次支护一般在一次支护后1个月进行，但也要视实际情况（如地压、围岩稳固性等）而定。双层喷锚网支护，锚杆排间距 1 m×1 m，每次喷射混凝土的厚度为100mm，强度等级为C20。喷射混凝土配合比严格按试验参数执行。巷道开挖后，首先撬净工作面浮石，再进行30mm厚素喷支护，然后打注锚杆、挂网，最后再进行70mm厚喷射混凝土。二次支护须在第一次支护30m左右后开始集中施工，在一次喷锚网支护的基础上打注锚杆、挂网，然后喷射混凝土至设计厚度。在施工巷道拱部二次支护时，必须搭建稳固的工作平台。

U钢拱架支护，适用于围岩较差地段的加强支护，一般情况下间距为1m，当围岩特别破碎时，U钢拱架间距可调整为600mm。架设U钢拱架时在巷道底板要开挖200mm深的支护基础。

锚注支护，锚注支护跟随一次喷锚网支护开始，围岩较稳定时，也可在二次支护以后进行，锚注支护与前方掘砌作业平行施工。锚注支护前，要对锚注地段的裂隙部位进行素喷，巷道开裂严重时要进行全断面素喷。锚注支护锚注锚杆间排距2米。锚注锚杆露头长100mm～150mm，以便于伸出眼外的锚杆与注