楊德源 周天貴

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

1 工程概況及背景

大紅山鐵礦機(jī)車修理硐室位于5 m 中段運(yùn)輸平巷東北側(cè)，西鄰采區(qū)斜坡道，東面是通往膠帶斜井輔助斜坡道、避災(zāi)硐室、5 m 臨時(shí)泵房及輔助豎井進(jìn)風(fēng)平巷，硐室上下無其他工程。

機(jī)車修理硐室屬井下重要硐室，為后期生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行井下維修保養(yǎng)場(chǎng)所，埋深700 m，處于高應(yīng)力環(huán)境中，硐室掘進(jìn)尺寸：高11.2 m，寬10 m，長度51 m，設(shè)計(jì)為雙層鋼筋C25 混凝土永久支護(hù)，支護(hù)厚度0.4 m（具體參數(shù)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(zhì)熔巖、石榴綠泥片巖、角閃變鈉質(zhì)熔巖夾薄層不純白云石大理巖，圍巖堅(jiān)硬，中等穩(wěn)固～穩(wěn)固，節(jié)理裂隙偶見發(fā)育，圍巖整體性一般。為確保在高應(yīng)力環(huán)境下硐室施工安全、質(zhì)量，滿足施工進(jìn)度計(jì)劃要求，須編制詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)方案，方案必須滿足在安全上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行、質(zhì)量上有保障。

圖1 機(jī)車修理硐室斷面圖（硐室長51 m）

圖2 機(jī)車修理硐室平面圖

2 硐室工程特點(diǎn)

2.1 硐室基本特點(diǎn)

（1）機(jī)車修理硐室的長度長，進(jìn)出口通道狹窄，通風(fēng)要求高。

（2）機(jī)車修理硐室埋深大（垂直地面埋深700 m），緊鄰二道河主要運(yùn)輸通道、進(jìn)風(fēng)通道，且與其他硐室（清洗硐室）相連（見圖2），圍巖受力情況復(fù)雜，還伴隨輕微巖爆現(xiàn)象，硐室掘進(jìn)、支護(hù)難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

（3）機(jī)車修理硐室斷面大（見圖1）、掘進(jìn)高度高，機(jī)械適用性較低。

（4）機(jī)車修理硐室圍巖堅(jiān)硬穩(wěn)固性中等，節(jié)理裂隙偶見發(fā)育。

2.2 硐室應(yīng)力分布特點(diǎn)

應(yīng)力分析：在施加面力的情況下，巷道兩幫角會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生破壞。巷道單幫高應(yīng)力分布深度在7～8 m 左右，該范圍Mises 應(yīng)力為15～30 MPa，當(dāng)該應(yīng)力值達(dá)到巖體抗壓或抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生破壞，巷道周邊圍巖最大主應(yīng)力為40 MPa 左右。采用FLAC 三維模擬計(jì)算結(jié)果，巷道兩幫塑性區(qū)（破壞區(qū)）深度達(dá)4.5 m，不利于巷道自穩(wěn)（見圖3）。

圖3 機(jī)車修理硐室應(yīng)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(dǎo)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?qū)鲜胰骈_挖，前后可分臺(tái)階，該方法對(duì)硐室?guī)r石條件、應(yīng)力分布及地質(zhì)環(huán)境要求較高。優(yōu)點(diǎn)在于施工方法簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)在于對(duì)地質(zhì)條件要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)高，頂部支護(hù)難度大等。

3.2 導(dǎo)硐法

導(dǎo)硐法是在硐室任何位置先施工小巷道，再進(jìn)行擴(kuò)刷、擴(kuò)大至硐室尺寸的方法。優(yōu)點(diǎn)在于靈活性大、可以根據(jù)地質(zhì)條件、硐室斷面大小和支護(hù)形式變換導(dǎo)坑的布置方式和開挖順序；缺點(diǎn)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(lián)絡(luò)道拉開底槽，使用鑿巖機(jī)分層上掘，中間采用楔形掏槽，巖碴通過下部放出。優(yōu)點(diǎn)在于出渣、施工方便快捷；缺點(diǎn)在于受地質(zhì)條件限制較大，同時(shí)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(jù)上述三類施工方法，結(jié)合破碎硐室的實(shí)際情況進(jìn)行以下分析：

全斷面法不適用：由于硐室開挖高度達(dá)到11.2 m，搭設(shè)工作平臺(tái)施工安全性不高，開挖斷面積接近110 m2，全斷面開挖可能會(huì)造成應(yīng)力嚴(yán)重失衡，另若使用臺(tái)階法施工無法實(shí)現(xiàn)全過程機(jī)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(jié)合硐室自身特點(diǎn)（硐室掘進(jìn)尺寸：高11.2 m，寬10 m，長度51 m），考慮當(dāng)前礦山施工機(jī)械化要求，為確保機(jī)車修理硐室安全施工，最大限度地發(fā)揮設(shè)備及人員的作業(yè)效率，需在上下導(dǎo)硐施工法的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，總體施工依然堅(jiān)持“先拱后墻”的順序，利用聯(lián)道從硐室東鎖扣開始起坡，施工斜坡導(dǎo)硐，碴石回填下部巷道做為作業(yè)平臺(tái)，后擴(kuò)刷東部頂板，再擴(kuò)刷西部頂板，最后擴(kuò)刷邊幫并依次降低直至到底部。具體實(shí)施過程詳見如下：

4 “中央斜坡導(dǎo)硐法”施工應(yīng)用

4.1 施工總體部署

機(jī)車修理硐室分為上、下兩部分先后進(jìn)行擴(kuò)刷和臨時(shí)支護(hù)，從硐室東端沿硐室軸線方向施工導(dǎo)硐至硐室西端設(shè)計(jì)位置（頂板）。導(dǎo)硐施工自東鎖口位置時(shí)開始變坡，坡度13 %，施工過程中用碴石回填下部的巷道。導(dǎo)硐施工完成后，開始由硐室中間分東西兩個(gè)方向擴(kuò)刷，擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)頂板及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)（如遇巖石破碎采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)）；在臨時(shí)支護(hù)保護(hù)下開始硐室上部區(qū)域兩幫擴(kuò)刷。硐室擴(kuò)刷至相對(duì)標(biāo)高+4.1 m 時(shí)停止出碴，進(jìn)行上半部的永久支護(hù)施工。永久支護(hù)到位后進(jìn)行硐室下半部自西向東依次擴(kuò)刷。

4.2 硐室開挖具體步驟

4.2.1 斜坡導(dǎo)硐施工

從硐室東端底板開始沿硐室中軸線掘進(jìn)至西端，導(dǎo)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(dǎo)硐斜坡段坡度13 %，出碴由機(jī)車修理硐室聯(lián)道鏟運(yùn)至裝碴點(diǎn)裝車運(yùn)出。

導(dǎo)硐與原有巷道的頂板位置貫通后，導(dǎo)硐的掘進(jìn)尺寸沒有變化，坡度隨原巷道的頂板做調(diào)整，坡度5 %施工至西端。

4.2.2 +6.9 m 以上西段擴(kuò)刷

+6.9 m 以上西段擴(kuò)刷（具體施工見圖4）

圖4 機(jī)車修理硐室掘支圖（西段）

4.2.2.1 第I 次刷頂

從硐室中點(diǎn)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(jìn)，厚度2.8 m，擴(kuò)刷寬度為5.2 m，每炮進(jìn)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(jié)束后由硐室中部開始刷幫，刷兩茬炮至硐室邊幫，創(chuàng)造向西刷幫的作業(yè)空間，后向西刷至西端，擴(kuò)刷厚度2.3 m，底部控制相對(duì)標(biāo)高+6.9 m，每炮進(jìn)尺3 m。

4.2.2.3 碴石清理

硐室西部上段（標(biāo)高6.9 m 以上部分）碴石清理由西向東沿機(jī)車修理硐室聯(lián)道運(yùn)出，西部已經(jīng)全部擴(kuò)刷并完成錨網(wǎng)噴支護(hù)，清運(yùn)多余碴石，平整壓實(shí)形成斜坡道，作為硐室東段頂幫擴(kuò)刷臨時(shí)斜坡道。

4.2.3 +6.9 m 以上東段擴(kuò)刷

+6.9 m 以上東段擴(kuò)刷（具體施工見圖5）

圖5 機(jī)車修理硐室掘支圖（東段）

4.2.3.1 第I 次刷頂

從硐室中點(diǎn)位置開始向東刷頂，完成相對(duì)標(biāo)高+8.1 m以下頂板擴(kuò)刷寬度為5.2 m，每炮進(jìn)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(jié)束后，由硐室中點(diǎn)位置開始第二次刷頂，刷頂至設(shè)計(jì)輪廓（相對(duì)標(biāo)高+11.1 m），寬度為5.2 m，進(jìn)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(biāo)高6.9 m～11.2 m 即設(shè)計(jì)拱部位置）

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

4.2.4 邊幫擴(kuò)刷（標(biāo)高4.1 m—6.9 m）

待導(dǎo)硐上部東段擴(kuò)刷和支護(hù)結(jié)束后，此時(shí)硐室標(biāo)高6.9 m 以上的所有擴(kuò)刷和支護(hù)已經(jīng)全部結(jié)束。下一步進(jìn)行標(biāo)高4.1 m—6.9 m 硐室邊幫擴(kuò)刷，首先由硐室中部刷一茬炮至硐室邊幫，創(chuàng)造向西刷幫的作業(yè)空間，由硐室中間位置向西擴(kuò)刷至西端，然后由中部先向東側(cè)擴(kuò)刷至東端，擴(kuò)刷厚度2.3 m，每炮進(jìn)尺3 m，邊掘邊支。

4.2.5 硐室下半部分（標(biāo)高±0.000 至+4.1 m）

擴(kuò)刷待相對(duì)標(biāo)高+4.1 m ～+11.1 m 永久支護(hù)完成后再進(jìn)行。擴(kuò)刷前清運(yùn)多余碴石，自西向東擴(kuò)刷，硐室內(nèi)的旁硐及檢修槽同時(shí)開挖，邊掘邊支。

5 實(shí)施效果

（1）“中央斜坡導(dǎo)硐法”施工在保障安全施工方面有著最為明顯的優(yōu)勢(shì)，全過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械撬毛，采用先對(duì)拱部進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，大大降低了“冒頂片幫”的風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)了“0”事故；

（2）“中央斜坡導(dǎo)硐法”在成本控制上也取得不錯(cuò)效果，采用“短掘短支”能最有效的保護(hù)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(yán)格控制塌方量＜100 m3；

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

6 結(jié)論

（1）“中央斜坡導(dǎo)硐法”施工適用于應(yīng)力破壞區(qū)深度4 m 以上的情況，斜坡導(dǎo)硐、逐步擴(kuò)刷能有效防止應(yīng)力集中發(fā)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(jī)械撬毛，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械化換人，采用斜坡式導(dǎo)硐，實(shí)現(xiàn)了全過程的機(jī)械化，提高了施工安全性和效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（3）“中央斜坡導(dǎo)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(shí)現(xiàn)機(jī)械施工且人員上下安全風(fēng)險(xiǎn)高。