金屬礦山復(fù)雜硐室施工方法

＊李文光

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦 山東 261400）

1.引言

三山島金礦西嶺礦區(qū)位于山東省萊州市境內(nèi)，是我國機(jī)械化程度高、生產(chǎn)規(guī)模較大的黃金礦山。西嶺礦區(qū)位于三山島礦區(qū)以東2km處，礦體賦存標(biāo)高在-500m～-2600m之間，隨著淺部黃金資源的開采結(jié)束，井拓工程開始逐級向深部發(fā)展[1-2]。其中，西山礦區(qū)-600m深度以下井拓工程以盲豎井+斜坡道聯(lián)合的方式，為保證產(chǎn)量和人員上下的需求，需要在-537m水平建立大斷面提升機(jī)硐室。深部大斷面硐室建設(shè)一直是礦山建設(shè)的難點(diǎn)，施工工期緊，而且?guī)r性、巖體完整性、高水壓等賦存地質(zhì)條件對其影響很大[3-7]。隨著礦山建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，大斷面硐室施工經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，但由于建設(shè)環(huán)境的差異性和多變性，往往沒有一種統(tǒng)一的方法，還需根據(jù)其實(shí)際工程條件具體問題針對性解決[8-10]。

三山島盲豎井建設(shè)工程中，為保證提升機(jī)硐室能夠快速投入使用，縮短建井周期，施工過程中建立了三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法，在實(shí)際工程中開展了工程應(yīng)用，獲得了良好的效果，為類似大斷面硐室施工積累了工程經(jīng)驗(yàn)。

2.工程及地質(zhì)概況

三山島金礦盲豎井位于礦體下盤-600m中段，井筒斷面φ5.5m，井口標(biāo)高-600m，井底標(biāo)高-1240m，深度640m。采用JKM4×6多繩摩擦提升機(jī)，箕斗罐籠互為平衡提升方式，箕斗規(guī)格為19m3底卸式箕斗，罐籠規(guī)格為3600mm×1270mm雙層罐籠，采用玻璃鋼剛性罐道。該井設(shè)計(jì)提升能力為礦石2000t/d，廢石400t/d，并預(yù)留一定的提升能力，卷揚(yáng)機(jī)硐室位于-537m水平，箕斗卸礦硐室-575m水平，-600m標(biāo)高設(shè)振動放礦機(jī)硐室，-1200m標(biāo)高設(shè)裝礦系統(tǒng)，-1240m標(biāo)高設(shè)井底粉礦回收。下設(shè)-690m、-780m、-870m、-960m、-1050m、-1140m共6個中段，盲混合井一期工程不建設(shè)箕斗裝礦系統(tǒng)和溜破系統(tǒng)，作為罐籠平衡錘提升系統(tǒng)使用。二期工程建設(shè)箕斗裝礦系統(tǒng)和溜破系統(tǒng)，作為箕斗罐籠互為平衡提升系統(tǒng)使用。

三山島金礦盲豎井提升機(jī)硐室，位于井下-537m水平。硐室長18.7m，寬14.1m，高15.65m，掘進(jìn)斷面209.19m3，屬于特大提升機(jī)硐室。盲豎井永久提升機(jī)硐室位于礦體下盤的中深部，巖層的厚度較大，鉆孔揭露厚度大于1700m，巖性以二長花崗巖、絹英巖化花崗巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖為主。在主干斷裂附近，巖石受構(gòu)造作用的影響，構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，裂隙頻率一般低于4條/m，RQD值一般大于75%；在遠(yuǎn)離主斷裂的底板，巖石完整，裂隙不發(fā)育，RQD值一般大于90%。巖石的硬度較大，巖石質(zhì)量為好的和極好的。巖石硬度系數(shù)為f=10～12，該區(qū)域內(nèi)發(fā)育相互交錯的小節(jié)理裂隙，造成巖石破碎。水文地質(zhì)條件簡單，有少量裂隙滲透水，局部有滴水現(xiàn)象。

3.三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法

(1)深部硐室施工現(xiàn)狀

各種硐室的形狀、規(guī)格和結(jié)構(gòu)差別很大，所穿過的巖石性質(zhì)也不相同，所以施工方法也較多。目前施工方法可以分為以下三類：全斷面一次掘進(jìn)法，臺階工作面施工法和導(dǎo)硐施工法[11-12]。

全斷面一次掘進(jìn)法常用于圍巖比較穩(wěn)定、斷面不是特別大的硐室。它和普通巷道施工法基本相同。在常規(guī)設(shè)備條件下，全斷面一次掘進(jìn)硐室的高度，以不超過5m為宜，因此此法并不適合特大提升機(jī)硐室的施工。

當(dāng)采用全斷面一次掘進(jìn)圍巖維護(hù)困難時，或者由于硐室的高度過大而不便于施工時，可將整個硐室按全高分成幾個分層，施工時形成臺階狀，此即臺階工作面施工法。上分層工作面超前施工的，稱為正臺階工作面施工法，亦稱下行分層施工法；下分層工作面超前施工的，稱為倒臺階工作面施工法，亦稱上行分層施工法。臺階工作面施工法一般用在巖層穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的條件下。由于特大提升機(jī)硐室控頂高度大，采用此方法施工不僅組織復(fù)雜，而且渣石倒運(yùn)強(qiáng)度太大，且局部時段控頂高度大，施工存在較大的安全風(fēng)險。

根據(jù)導(dǎo)硐所在位置的不同，導(dǎo)硐施工法有中央下導(dǎo)硐施工法、頂部導(dǎo)硐施工法、兩側(cè)導(dǎo)硐施工法之分。對50m2以上的硐室多采用兩側(cè)導(dǎo)硐施工。中央下導(dǎo)硐施工法，導(dǎo)硐位于硐室中部靠近底板，導(dǎo)硐斷面可按單軌巷道考慮以滿足機(jī)械裝巖要求。當(dāng)導(dǎo)硐掘到預(yù)定位置后，再進(jìn)行刷幫、挑頂，并完成永久支護(hù)工作；在松軟、不穩(wěn)定巖層中，為了保證硐室施工的安全，在兩側(cè)墻部的位置沿硐室底板開掘兩條小導(dǎo)硐，其斷面不宜過大，一般寬度為1.8～2.0m，高度為2.0m，以利控制頂板。掘一層導(dǎo)硐后隨即砌墻，再掘上一分層的導(dǎo)硐，硐石放在下層導(dǎo)硐里一部分，代替腳手架，再接砌邊墻到拱基線位置。墻部完成后開始挑頂砌拱。拱部完成后再拆除中間所留的巖柱。如果采用兩側(cè)導(dǎo)硐施工法，安全確實(shí)得到了保證，特別是上部硐室的施工，全靠人工出渣，滿足不了機(jī)械化裝巖的需要，施工進(jìn)度又難以保證[13-14]。

(2)三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法

為了適應(yīng)三山島金礦盲豎井提升機(jī)硐室的工程建設(shè)環(huán)境，建立特大提升機(jī)硐室的三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法，其特征在于把整個硐室在垂高方向上分為上、中、下三層施工，然后進(jìn)行施工垂直天井之外的中層掘進(jìn)工作。具體施工步驟為：

第一步：①采用中央導(dǎo)硐法施工下層：施工中央導(dǎo)硐，然后擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)邊界。②施工中層垂直天井：在中層的四個角分別施工一條垂直天井做為上層的溜渣井。③施工上層：先施工垂直拉底巷，并使之與三個角的垂直天井貫通，從其中一條貫通巷開始擴(kuò)幫、壓頂，達(dá)到拱頂設(shè)計(jì)的寬度和高度，并進(jìn)行永久支護(hù)。

第二步：施工垂直天井之外的中層掘進(jìn)工作。優(yōu)選地，上層分兩次施工拱頂：第一次爆破控頂一定高度，第二次進(jìn)行光面爆破，掘進(jìn)完畢后，拱頂進(jìn)行錨桿與噴射砼聯(lián)合支護(hù)；再進(jìn)行鋼筋砼永久支護(hù)。

第三步，首先在本特大提升機(jī)硐室入口天井的下部，用上部留下的毛渣，平整一個高度為2～3m的平臺；然后沿垂直天井向周圍擴(kuò)刷，把提升硐室一角擴(kuò)刷至與上層貫通；之后沿提升硐室掘進(jìn)斷面，依次向前落渣推進(jìn)；出渣；出渣結(jié)束后，采用噴砼進(jìn)行臨時支護(hù)；最后澆筑拱頂下墻體及牛腿柱。

4.工程實(shí)踐

三山島金礦盲豎井提升機(jī)硐室圍巖以堅(jiān)硬的二長花崗巖為主，總體上巖石比較穩(wěn)定，而局部比較破碎，同時硐室斷面大，采用普通硐室施工方法施工難度比較大，難以順利按照工期完成任務(wù)。為了確保硐室的安全快速施工，施工過程中采用下層導(dǎo)硐，中層天井，上部直角拉底，先底頂后中層聯(lián)合掘進(jìn)施工法。

具體施工方法：如圖1和圖2，在硐室垂高15.65m的高度上分為三層分施工：

圖1 三山島金礦盲豎井井拓圖

圖2 特大硐室上部掘進(jìn)平面圖

(1)下層施工

下層4.5m采用中央導(dǎo)硐施工法，先施工3m×3m中央導(dǎo)硐1，然后擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)邊界；中層垂高為6.5m，在硐室的四個角分別施工一條垂直天井2做為上層的溜渣井，垂直天井Φ2.0m。待上層施工完畢后，再進(jìn)行擴(kuò)刷。上層垂高為4.65m，先施工垂直拉底巷3，并使之與三個角的垂直天井2貫通，垂直拉底巷3規(guī)格為2m×2m，從其中一條貫通巷（圖2中互呈直角三角形的兩條巷道之一）開始擴(kuò)幫、壓頂，達(dá)到拱頂設(shè)計(jì)的寬度和高度。

(2)中層施工

分兩次施工拱頂：第一次爆破控頂高度4m，第二次進(jìn)行光面爆破，爆破高度0.65m。掘進(jìn)完畢后，拱頂進(jìn)行錨桿與噴射砼5cm聯(lián)合支護(hù)。再進(jìn)行鋼筋砼永久支護(hù)。硐室鋼筋與拱頂、硐壁上的外露50cm錨桿牢固綁扎，錨桿的參數(shù)Φ18mm、L=3000mm、@1.5m×1.5m。同時已經(jīng)澆筑結(jié)束的起拱線下鋼砼底部采用1.5m間距，用Φ32mm螺紋鋼做為錨桿，與預(yù)留搭接的鋼筋綁扎連接，有效抑制了上層砼澆筑體變形位移。通過一系列舉措，上部吊掛，下部墊托，對鋼砼墻壁起到了很好的支撐作用，確保了中層擴(kuò)刷的安全作業(yè)。

(3)上層施工

最后施工上層剩余6.5m的掘進(jìn)工作，在上部提升機(jī)澆筑層的保護(hù)下進(jìn)行施工，具體做法為：在-537m提升硐室底部靠近配電硐室、大件道的天井（靠近入口天井）下部，用上部留下的毛渣，平整一個高度為2～3m的平臺。沿天井向周圍擴(kuò)刷，把提升機(jī)硐室一角擴(kuò)刷至與上層貫通，這樣上部是鋼筋砼頂板，在澆筑頂板下作業(yè)，有效地防止了控頂過高導(dǎo)致的塌方危險。然后沿提升硐室掘進(jìn)斷面，依次向前落渣推進(jìn)。掘進(jìn)分兩步進(jìn)行，第一步：掘進(jìn)落渣2～4m高，第二步：掘進(jìn)剩余部分。掘進(jìn)時測量人員及時檢查毛斷面尺寸，嚴(yán)格控制超挖現(xiàn)象。達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，檢查拱頂鋼筋砼有無變化，如果沒有變化用鏟運(yùn)機(jī)配合卡車出渣。出渣結(jié)束后，采用噴砼進(jìn)行臨時支護(hù)。最后澆筑拱頂下墻體及牛腿柱。

5.結(jié)論

（1）特大提升機(jī)硐室施工過程中采用了下層導(dǎo)硐、中層天井、上部直角拉底，先底層、再中層、最后頂層的聯(lián)合掘進(jìn)施工法。該工法既減少了底部和上部控頂過高造成的冒頂危險，同時中部又在上部提升機(jī)頂板澆筑層的保護(hù)下進(jìn)行擴(kuò)刷，大大提高了掘進(jìn)的安全系數(shù)，同時又提高了施工效率。

圖3 特大硐室上部拱頂澆筑后的效果圖

圖4 特大硐室整體澆筑后的效果圖

（2）三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法在有效地控制控頂高度的同時，又實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化快速出渣。在中層的四個角施工四條天井，做為上部的溜渣井，與臺階工作面施工法相比較，減少了倒渣量，與導(dǎo)硐施工法相比較，大幅度降低了出渣和平場強(qiáng)度。

（3）采用三層聯(lián)合掘進(jìn)施工方法大大提高了施工效率，通過采取關(guān)鍵施工技術(shù)措施，盲豎井提升機(jī)硐室計(jì)劃工期9個月，實(shí)際只施工7個月就完工，較計(jì)劃工期提前了2個月。