某鐵礦高大硐室施工方法的選擇研究

王寶文 楊 闖 李成斌

(河鋼礦業(yè)灤縣常峪鐵礦有限公司，河北 灤縣 063700)

0 引言

高大硐室是指井下水泵房、中央變電所、翻車機(jī)房、卷?yè)P(yáng)機(jī)房、粗破碎硐室等斷面較大、長(zhǎng)度較小的地下構(gòu)筑物。這類硐室在整個(gè)開拓系統(tǒng)中所占的比重不大,但大多處于影響礦山投產(chǎn)的關(guān)鍵部位。高大硐室掘進(jìn)的基本手段和方法與平巷大致相同，但施工比較復(fù)雜。因?yàn)樗臄嗝娲?、長(zhǎng)度短，一般都是由礦山現(xiàn)有設(shè)備先在硐室斷面內(nèi)掘進(jìn)若干條小斷面巷道，然后挑頂、擴(kuò)幫或臥底，將斷面擴(kuò)大到所需的尺寸。硐室的穩(wěn)定性是確定施工方案的主要因素。硐室穩(wěn)定性既要考慮硐室的斷面形狀和尺寸、支護(hù)方式、施工技術(shù)水平等主觀因素，又要考慮硐室所處巖體地質(zhì)構(gòu)造、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等客觀因素。所以，在選擇施工方案時(shí)應(yīng)合理考慮這些因素。

1 全斷面開挖法

1.1 直壁式工作面

這種施工方法與普通的巷道掘進(jìn)方法相同，只在一個(gè)垂直的工作面上進(jìn)行掘進(jìn)。由于斷面比較大，可適當(dāng)加大炮眼深度，進(jìn)行深孔爆破。使用小型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆上部炮眼,應(yīng)采用蹬渣作業(yè)。裝藥連線采用梯子裝填上部炮眼。由于斷面大、炮眼多,所需雷管段數(shù)也相應(yīng)增多。在目前現(xiàn)有設(shè)備施工條件下，該施工方法只適宜在高度小于5 m的硐室中使用。

1.2 階梯工作面

1.2.1 正臺(tái)階工作面開挖

這種方法是上部工作面掘進(jìn)超前下部工作面掘進(jìn)。一般可將工作面分成兩層,上下工作面相距3～5 m,如圖1所示。臺(tái)階過多或超前太大,將會(huì)增大上部臺(tái)階工人扒渣的工作量,并會(huì)互相干擾,影響正常作業(yè)。下部臺(tái)階的開挖既可打水平眼,也可在上部臺(tái)階打垂直眼,應(yīng)當(dāng)注意炮眼深度,以保證底板的標(biāo)高。

圖1 正臺(tái)階工作面開挖示意圖

拱部錨桿可隨上分層開掘后及時(shí)安設(shè),噴射混凝土可視具體情況,分段式一次按照先拱后墻的順序完成。當(dāng)采用整體混凝土襯砌時(shí),支護(hù)工作面可以落后于下分層進(jìn)行，當(dāng)圍巖條件差時(shí),可以采用先拱后墻的支護(hù)方法,上分層隨掘隨砌拱,拱搭在巖石臺(tái)階上,下分層隨掘隨砌墻。如果硐室長(zhǎng)度不大,也可以先在上分層采用短段掘砌法砌好拱部,然后再刷掘下分層,同時(shí)砌墻接拱。

1.2.2 倒臺(tái)階工作面開挖

采用這種方法時(shí),下部工作面超前于上部工作面,如圖2所示。施工時(shí)先開挖下分層,上分層的鑿巖、裝藥、連線工作借助于臨時(shí)臺(tái)架。為了減少搭設(shè)臺(tái)架的麻煩,一般都采用先拉底后挑頂?shù)姆绞竭M(jìn)行。

圖2 倒臺(tái)階工作面開挖示意圖

采用噴錨支護(hù)時(shí),下分層支護(hù)工作可以與上分層的開挖同時(shí)進(jìn)行,在采用整體式襯砌時(shí),下分層高度一般為墻高,隨著下分層的掘進(jìn),先砌墻、挑頂,以后再砌拱。采用倒臺(tái)階法施工時(shí),爆破條件好,不用人力扒渣,相互干擾少,施工效率高。

直壁式工作面全斷面開挖硐室的方法比較簡(jiǎn)單,便于管理,開挖空間大,軌道管線可以一次鋪成,有利于提高機(jī)械化程度和工效,通風(fēng)條件好。但這種方法受地質(zhì)條件限制和硐室高度限制較大,適用于圍巖比較穩(wěn)定、整體性較好,高度不大于5 m的硐室。而先拱后墻的正臺(tái)階工作面施工的適用范圍比較廣泛,在圍巖條件較差的情況下也能安全施工。

2 導(dǎo)坑開挖法

2.1 下導(dǎo)坑開挖法

下導(dǎo)坑開挖法適用于中等穩(wěn)定的巖層中開挖5～7 m高的硐室,如水泵房、變電所和卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室等。施工時(shí)先在下部掘進(jìn)導(dǎo)坑,然后利用導(dǎo)坑擴(kuò)幫、挑頂,將斷面刷大到設(shè)計(jì)的規(guī)格尺寸。

當(dāng)硐室跨度較小時(shí),將下導(dǎo)坑布置在硐室中央,硐室跨度較大時(shí),可在硐室兩邊各布置一個(gè)導(dǎo)坑。確定導(dǎo)坑斷面尺寸時(shí),應(yīng)根據(jù)巖石的松散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,以保證挑頂后巖渣上部有2 m左右的空間,以便進(jìn)行拱頂噴錨支護(hù)。如果空間留得過大不便于蹬渣作業(yè)。

導(dǎo)坑掘進(jìn)完畢,即可開始挑頂擴(kuò)幫。可以先挑頂后擴(kuò)幫,如圖3所示,也可先擴(kuò)幫后挑頂,如圖4所示。為了獲得平整的輪廓面,拱部和墻部都應(yīng)預(yù)留光面層。

1-下導(dǎo)坑；2-挑頂；3-拱部光面層；4-擴(kuò)幫；5-墻部光面層

1-下導(dǎo)坑；2-擴(kuò)幫；3-墻部光面層；4-挑頂；5-拱部光面層

當(dāng)硐室的跨度較大時(shí),可采用兩側(cè)下導(dǎo)坑開挖法,如圖5所示。挑頂時(shí)由兩側(cè)向中央發(fā)展,拱部爆破時(shí)可將大部分巖渣直接落到兩側(cè)下導(dǎo)坑中,有利于機(jī)械化裝巖。

1-兩側(cè)下導(dǎo)坑；2-墻部光面層；3-挑頂；4-拱部光面層；5-中心巖柱

錨噴支護(hù)采取先拱后墻的施工順序。隨著拱部開挖可以及時(shí)安設(shè)拱部錨桿。巖石條件差時(shí),噴射混凝土工作可以分段與拱部開挖交替進(jìn)行；巖石條件較好時(shí),可待拱部開挖完畢后一次噴完。拱部支護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行邊墻錨噴工作。

采用下導(dǎo)坑開挖法,挖取中心巖柱的工作在拱部與墻體支護(hù)后進(jìn)行。下導(dǎo)坑開挖法施工簡(jiǎn)單,靈活性大,因而應(yīng)用較廣。

2.2 上下導(dǎo)坑開挖法

上下導(dǎo)坑開挖法是一種與光面爆破和錨噴支護(hù)相配合的大硐室開挖方法。它適用于中等穩(wěn)定和穩(wěn)定性較差的巖層,圍巖暴露時(shí)間和暴露面積有限的條件下,開挖諸如地下破碎硐室、大型卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室、大跨度高墻硐室等。這種方法的實(shí)質(zhì)是利用上下導(dǎo)坑,先掘砌拱部,然后自上而下分層施工。金山店鐵礦地下粗碎硐室在施工中采用了這種開挖方法,該硐室高14.15 m,寬11.8 m,長(zhǎng)31.3 m,斷面面積為154.91 m2,其硐室開挖順序及導(dǎo)坑天井如圖6所示。

Ⅰ～Ⅲ-開挖順序；1#～6#-天井編號(hào)

首先沿硐室底板和東西側(cè)墻掘進(jìn)一號(hào),二號(hào)導(dǎo)坑,以控制硐室側(cè)墻輪廓線。在底板以上10 m處沿硐室縱向中心線掘進(jìn)三號(hào)導(dǎo)坑,用以拱頂開挖。3條導(dǎo)坑通過6條天井及橫巷互相聯(lián)通。天井橫巷可用于行人、通風(fēng)、供風(fēng)、供水,溜放廢石及上下材料、設(shè)備。該破碎硐室開挖分3個(gè)水平自上向下分層進(jìn)行,其中第一分層的拱頂和拱腳的施工順序分別示于圖7和圖8。

圖7 拱頂施工順序

圖8 拱腳施工順序

2.3 上導(dǎo)坑開挖法

上導(dǎo)坑開挖法適用于松軟破碎圍巖中的硐室開挖。施工時(shí),先利用上導(dǎo)坑開挖拱部,澆混凝土拱頂,然后在拱頂?shù)谋Ｗo(hù)下,開挖下部斷面并砌墻接拱。施工順序如圖9所示。

1-上導(dǎo)坑；2-拱部擴(kuò)大；3-澆筑混凝土拱頂；4-開挖邊墻；5-澆筑混凝土邊墻；6-挖取中心巖柱

為了保證施工安全,可以采用短段掘砌的方法,使臨時(shí)支護(hù)緊跟工作面。上導(dǎo)坑可以每掘進(jìn)5～6 m就擴(kuò)刷拱部并及時(shí)砌拱。邊墻施工時(shí),可采取左右墻交替進(jìn)行短砌,以減少暴露面積。中心巖柱可用做臨時(shí)支護(hù)和架設(shè)模板的基礎(chǔ),待硐室襯砌全部拆模后再挖取。這種施工方法工序復(fù)雜,施工速度慢,而且拱頂容易沉降,墻與拱連接處整體性較差,但是上導(dǎo)坑先拱后墻開挖法的施工順序在松散破碎的圍巖中施工能保證作業(yè)安全。

2.4 側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法

為了克服上述先拱后墻施工方法襯砌整體性較差的缺點(diǎn),采用整體式混凝土襯砌的硐室常選用側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法。采用這種方法,首先進(jìn)行墻部施工。在硐室邊墻位置掘進(jìn)兩側(cè)下導(dǎo)坑,然后沿邊墻逐層向上挑頂直至拱腳,并緊跟工作面進(jìn)行分層立模澆筑邊墻工作。施工示意圖見圖10。邊墻施工結(jié)束后,可按硐室全寬拉底,向上打眼分層挑頂,也可等挖出底槽后,打水平分層壓頂。拱頂襯砌澆筑可視圍巖穩(wěn)定情況一次澆筑或分段交替掘砌。

1-下導(dǎo)坑；2-模板；3-混凝土墻；4-底部漏斗；5-作業(yè)空間；6-順路天井

3 留礦開挖法

這種方法與金屬礦床開采中的留礦法完全相同。把硐室內(nèi)巖石當(dāng)作礦石進(jìn)行開挖,留下的礦房就是硐室。某鉛鋅礦和紅透山銅礦粗破碎硐室以及某鉛鋅礦卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室都是采用這種方法施工的[1],如圖11所示。

1-上向炮眼；2-作業(yè)空間；3-順路天井；4-主井聯(lián)絡(luò)道；5-副井聯(lián)絡(luò)道；6-下部?jī)?chǔ)礦倉(cāng)；7-主井；8-副井

采用留礦法施工破碎硐室時(shí)，為解決行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等問題，應(yīng)先掘出裝載硐室、下部?jī)?chǔ)礦倉(cāng)和井筒與硐室的聯(lián)絡(luò)道。然后從聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入硐室，并以拉底方式沿硐室底板按全寬拉開上掘用的底槽，其高度為1.8～2.0 m。 以后用上向鑿巖機(jī)分層向上開鑿，眼深1.5～1.8 m，炮眼間距為0.8 m×0.6 m 或1.0 m×0.8 m，掏槽以楔形長(zhǎng)條狀布置在每層的中間。爆破后的巖碴,經(jīng)下部貯礦倉(cāng)通過漏斗放出一部分,但仍保持碴面與頂板間距為1.8～2.0 m，以利于繼續(xù)鑿巖、爆破作業(yè)，直至掘至硐室頂板為止。為了避免漏斗的堵塞，應(yīng)控制爆破塊度，大塊應(yīng)及時(shí)處理。順路天井用于上下人員、材料并用于通風(fēng)。

使用留礦法開挖硐室的掘進(jìn)順序是自下而上，但進(jìn)行噴錨支護(hù)的順序則是自上而下先拱后墻，鑿巖和噴砼工作均以碴堆為工作臺(tái)。當(dāng)硐室上掘到設(shè)計(jì)高度，符合設(shè)計(jì)規(guī)格后，用碴堆作工作臺(tái)進(jìn)行拱部的噴錨支護(hù)。在拱頂支護(hù)后，利用分層降低碴堆面的形式，自上而下逐層進(jìn)行邊墻的噴錨支護(hù)。這樣隨著邊墻支護(hù)的完成，硐室中的巖碴也就通過漏斗放完。如果邊墻不需要支護(hù)，硐室中的巖碴便可一次放出，但在放碴過程中需將四周邊墻的松石處理干凈，以保證安全。

留礦法開挖硐室的主要優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，輔助工程量小，作業(yè)面寬敞，可布置多臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)作業(yè)，工效高。我國(guó)金屬礦山利用此法施工大型硐室已取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，但該法受到地質(zhì)條件的限制，巖層不穩(wěn)定時(shí)不宜使用。同時(shí)，要求底部最好有漏斗裝車的條件，比如粗碎硐室的下部貯礦倉(cāng)。因此此法應(yīng)用不如導(dǎo)坑法廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

高大硐室施工方法的選擇是一項(xiàng)技術(shù)性和規(guī)范性很強(qiáng)的工作。在實(shí)際施工中，應(yīng)及時(shí)分析硐室的形狀、規(guī)格和結(jié)構(gòu)差別，所穿過的巖石性質(zhì)，圍巖的穩(wěn)定性，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，確定出科學(xué)合理的施工方法，從而保證施工安全。如硐室圍巖穩(wěn)定、跨度和高度均小于6 m，可采用全斷面開挖法。當(dāng)硐室跨度大、墻體高時(shí)，底部有漏斗裝車條件，比如粗碎硐室的下部貯礦倉(cāng)時(shí)采用留礦法比較有利。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、巖層軟弱或斷面較大的硐室，可以采用導(dǎo)坑開挖法。