高應力破碎大斷面硐室掘進與聯(lián)合支護技術研究與實踐*

王慶剛 王立杰 尹愛民 楊金光 耿 帥

（河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司）

隨著開采深度加大，巖體力學復雜，對硐室開挖與支護技術提出更高的要求，尤其是在高地應力、圍巖破碎情況下，維護工程穩(wěn)定性更加困難。因此，研究解決高應力破碎大斷面硐室的開挖及支護難題，對保障井下安全高效生產(chǎn)具有重要意義。本研究結(jié)合中關鐵礦工程實際，圍繞上述問題，開展高效掘進和支護技術研究。

1 工程概況

中關鐵礦礦體為緩傾斜極厚礦體，礦體厚度變化較大，最大為174.74 m，平均為35.57 m，主要礦體賦存在巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，屬于典型的接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。根據(jù)工程揭露判斷，礦巖變化較大，大部分礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，軟弱夾層較多且多為泥質(zhì)灰?guī)r，同時夾有碳質(zhì)片巖形成多個弱面，致使礦巖較為破碎，整體穩(wěn)固性差。局部出露蝕變閃長巖，硬度較小，遇水泥化不穩(wěn)定。經(jīng)考察周邊類似礦山，中關鐵礦礦巖最為破碎，且夾雜黃泥巖、綠泥巖。這些巖層遇水后，具有明顯的軟化和泥化現(xiàn)象，嚴重影響了硐室的穩(wěn)定性，增加了支護難度［1］。

中關鐵礦主要采礦方法為階段空場側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法，段高60 m。為提高生產(chǎn)能力，其大直徑深孔鑿巖硐室設計斷面尺寸較大，一般長50 m，寬18 m，高3.6 m。隨著開采礦房的不斷增多，大斷面破碎硐室開挖及支護是一個隨時間、空間不斷變化的動態(tài)施工過程［2］，硐室圍巖應力呈現(xiàn)出非線性特點，應力集中明顯，圍巖破壞范圍較大，若硐室圍巖破碎，支護難度將急劇增大［3］。以13#S4 試驗礦房鑿巖硐室為例，該鑿巖硐室布置在石炭系宰格組白云巖地層中，圍巖存在1 組共軛斷層和多組節(jié)理裂隙，十分破碎，完整性差。根據(jù)工程巖體分級標準，圍巖屬于III～IV 級，自穩(wěn)能力相對較差。硐室設計屬于超大斷面硐室。根據(jù)工程揭露，13#穿脈地壓顯現(xiàn)明顯，已出現(xiàn)嚴重的變形破壞，需要采取支護修復及加固措施才能保證穿脈巷的穩(wěn)定?？梢?，該大斷面鑿巖硐室開挖與支護施工難度較大，冒頂、片幫危險性高。傳統(tǒng)的開挖及被動支護技術不能滿足要求，必須采取有效的施工工藝與加強支護方式。

2 掘進與支護方案

鑿巖硐室長50 m，寬18 m，高4 m，由于斷面較大，且距穿脈巷較遠，采用硐室聯(lián)絡道、鑿巖硐室導硐，并布置條形礦柱施工方案。硐室開挖順序：鑿巖硐室聯(lián)絡道→鑿巖硐室導硐→條形礦柱→硐室開挖→錨網(wǎng)噴+長錨索聯(lián)合支護。為加強硐室穩(wěn)定性，在硐室內(nèi)均勻布置寬3 m、長4～6 m的條形礦柱，也可采用支模澆筑混凝土加固礦柱，間柱將硐室分為南北2個硐室。鑒于該區(qū)域圍巖破碎、地壓大，且隨著采礦規(guī)模的增大，后期還會增加新的礦房空區(qū)，為充分利用圍巖的自承載能力，硐室支護采用“先讓后抗、讓抗結(jié)合、多次支護”的新技術［3］，支護形式為錨網(wǎng)噴+長錨索聯(lián)合支護。

3 鑿巖硐室開挖與臨時支護

3.1 鑿巖硐室開挖

先施工鑿巖硐室聯(lián)絡道及鑿巖硐室導硐至礦房邊界，探明鑿巖硐室部位礦巖穩(wěn)定性，根據(jù)探明的礦巖情況確定鑿巖硐室掘支方式。從-170 m 水平南風井聯(lián)巷施工下向坡度為14.4%的斜坡道至礦體頂部，再在礦房側(cè)幫施工平巷至礦房邊界作為鑿巖硐室導硐，最后導硐擴刷為鑿巖硐室，使鑿巖硐室底板與礦體頂部位于同一水平。鑿巖硐室聯(lián)絡道布置圖如圖1所示，鑿巖硐室導硐布置如圖2所示。

3.2 鑿巖硐室聯(lián)絡道及鑿巖硐室導硐臨時支護

鑿巖硐室聯(lián)絡道及鑿巖硐室導硐采用素噴混凝土支護，混凝土標號為C20，支護厚度為100 mm；若礦巖較破碎則進行錨網(wǎng)噴支護，錨網(wǎng)噴支護金屬網(wǎng)規(guī)格為100 mm×100 mm，采用φ6 mm 鋼筋及φ20 mm 樹脂錨桿，長度為2.4 m，間排距為0.8 m×0.8 m，混凝土標號為C20，支護厚度為100 mm。

3.3 鑿巖硐室開挖

鑿巖硐室導硐布置在鑿巖硐室南側(cè)，貫通整個鑿巖硐室，從靠近下盤處開始擴刷成2條規(guī)格為7.5 m×50 m×3.6 m（寬×長×高）的硐室。南北2 個鑿巖硐室同時后退擴刷并同步實施錨網(wǎng)噴支護，擴刷至間柱時嚴格采用光面爆破，炮眼間距為500 mm，采用分段不耦合裝藥，導爆索起爆，以減小對間柱的破壞。

4 鑿巖硐室聯(lián)合支護

根據(jù)鑿巖硐室暴露面積大、圍巖結(jié)構(gòu)破碎等特點，結(jié)合同類礦山施工實際情況以及當前支護理論研究，采用“錨網(wǎng)噴+長錨索”聯(lián)合支護對大直徑深孔礦房鑿巖硐室進行預控頂。

因硐室暴露面積較大，普通的錨網(wǎng)噴達不到理想的支護效果，采用錨網(wǎng)噴+長錨索預控頂技術。在具體的施工過程中，根據(jù)礦巖條件調(diào)整支護參數(shù)或采取聯(lián)合加強支護等措施，確保硐室頂板安全，為采礦生產(chǎn)創(chuàng)造條件。錨網(wǎng)噴支護參數(shù)：金屬網(wǎng)網(wǎng)格100 mm×100 mm，采用φ6 mm 鋼筋和φ20 mm 樹脂錨桿，間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿長度為2.4 m。混凝土標號為C20，支護厚度為100 mm。

長錨索預加固頂板機理：充分利用錨索的延展性、抗拉強度大等優(yōu)點，提供直接平衡力，限制圍巖的變形，加強巖體的結(jié)構(gòu)，提高巖體自身承載力，改善調(diào)整圍巖的應力狀態(tài)，從而提高巖體的穩(wěn)定性，同時各錨索通過圍巖巖體聯(lián)系于一體，產(chǎn)生群錨加固整體效應［4］。

錨索長度根據(jù)松動圈支護理論確定。錨索長度取松動圈的深度和錨入穩(wěn)固巖體的深度之和［5］，錨索錨入松動圈外穩(wěn)固巖體的深度取2 m。按照前期巷道、鑿巖硐室導硐施工時頂板冒落最大高度達12 m，取錨索長度15 m，參照其他礦山經(jīng)驗，錨索網(wǎng)度尺寸一般為3～4 m，錨索孔采用菱形布置，局部破碎地段適當加密。最終確定錨索排距為4 m，長度為15 m，傾斜角度為60°和80°，水泥砂漿全長錨固，硐室掘進過程中即進行錨網(wǎng)噴支護，硐室形成后采用TGZ-90型鉆機進行穿孔并安裝長錨索（圖3）。

5 鑿巖硐室圍巖變形監(jiān)測

為了掌握硐室圍巖變形情況及爆破震動對采場的影響，施工過程中圍繞13#S4 礦房布置了4 個油馕鉆孔應力計和4 個包體應力計，對原巖應力、采場動應力和爆破震動進行測定及監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，采用“錨網(wǎng)噴+長錨索”聯(lián)合支護期間，圍巖初始變形速率較大，隨時間推移，逐步放緩并趨于穩(wěn)定，另外硐室施工完成后經(jīng)過6個月的觀察，未出現(xiàn)漿皮開裂和可視變形情況，表明聯(lián)合支護取得了較好的效果。圖4為采用的鉆孔應力計，圖5為聯(lián)合支護現(xiàn)場。

6 結(jié)論

實踐表明，對于破碎圍巖大斷面鑿巖硐室，采用“硐室聯(lián)絡道、硐室導硐+擴刷、布置條形礦柱”的開挖技術，并采用“錨網(wǎng)噴+長錨索”聯(lián)合支護形式，可充分利用圍巖自承載能力，明顯提高支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，確保硐室長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。該研究及實踐結(jié)果為類似礦巖破碎地質(zhì)條件下的大斷面鑿巖硐室施工提供指導和借鑒。