高海拔大斷面巷道施工關(guān)鍵技術(shù)探討與思考*
——以西藏驅(qū)龍銅礦為例

陳 磊，沙仙武，黃智強(qiáng)

(1.西藏巨龍銅業(yè)有限公司，西藏 拉薩 850200；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

高海拔礦產(chǎn)資源開發(fā)利用是保障國家能源供給的重要途徑之一。我國青藏高原具有礦產(chǎn)資源豐富、礦產(chǎn)種類齊全、大型和特大型戰(zhàn)略性礦床集中分布等資源優(yōu)勢。但同時(shí)，高海拔區(qū)域也存在海拔高、氧氣稀薄、溫度低和干旱等顯著地理特點(diǎn)。銅礦是國家重要戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一，多寶山銅礦、普朗銅礦、玉龍銅礦、驅(qū)龍銅礦和甲瑪銅礦等一批大型、特大型國內(nèi)銅礦的建設(shè)，為我國銅礦資源供給提供了重要保障。西藏墨竹工卡是我國高原地區(qū)銅礦資源的重要富集地帶，驅(qū)龍銅礦和甲瑪銅礦等典型高海拔大型銅礦均位于此。

本文以西藏巨龍銅業(yè)有限公司(簡稱“巨龍銅業(yè)”)驅(qū)龍銅礦為研究對象，該礦平均開采海拔超過5 200 m。受地形地貌等因素限制，巨龍銅業(yè)的選廠建在海拔3 700 m處，露天礦采出礦石經(jīng)長距離皮帶運(yùn)輸進(jìn)入儲礦倉再開展浮選工作?？紤]到高海拔區(qū)域生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，地表植被一旦被破壞極難恢復(fù)，因此巨龍銅業(yè)在確定皮帶運(yùn)輸方案時(shí)進(jìn)行了綜合考慮，一方面要保護(hù)地表植被，另一方面要盡量縮短皮帶長度進(jìn)而降低運(yùn)營成本。皮帶運(yùn)輸巷道作為礦石運(yùn)輸通道，其施工質(zhì)量和穩(wěn)定性對于礦石運(yùn)輸具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者就大斷面巷道掘進(jìn)施工開展了大量研究，并取得了豐碩成果[1-7]。高亞偉[8]采用桁架錨索技術(shù)對大斷面巷道進(jìn)行了加固，巷道變形得到了有效控制；馬新世等[9]結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬手段，利用注漿技術(shù)對深部大斷面巷道進(jìn)行了加固；李清海[10]通過構(gòu)建大斷面巷道初期支護(hù)承載力模型，從理論層面揭示了其初期支護(hù)階段的變形規(guī)律；劉學(xué)生等[11]采用數(shù)值模擬手段揭示了超大斷面洞室群錨固圍巖的失穩(wěn)機(jī)制。一些學(xué)者在巷道分級支護(hù)、考慮爆破振動、不同側(cè)壓系數(shù)、卸壓支護(hù)及纖維混凝土噴漿支護(hù)等方面也開展了卓有成效的研究[12-16]。此外，亦有諸多學(xué)者就巷道支護(hù)方式確定和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了探索[17-20]。

目前關(guān)于高海拔寒旱區(qū)環(huán)境下的大斷面巷道施工技術(shù)的報(bào)道相對較少，基于此，本文以驅(qū)龍礦段皮帶運(yùn)輸巷道為工程背景，對其施工影響因素和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以期為我國高海拔巷(隧)道的高效、低成本施工提供參考。

1 大斷面皮帶運(yùn)輸巷道施工關(guān)鍵技術(shù)

綜合考慮地層分布特點(diǎn)、大斷面施工環(huán)節(jié)、破碎帶抽冒、施工組織等，系統(tǒng)分析驅(qū)龍段大斷面皮帶運(yùn)輸巷道施工的主要影響因素和關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 地層分布特點(diǎn)和巖體穩(wěn)定性分級

掌握地層分布特點(diǎn)是開展巷(隧)道工程精準(zhǔn)施工的基礎(chǔ)，圖1為驅(qū)龍段皮帶運(yùn)輸巷道地表對應(yīng)的地層分布情況。

圖1 地表地層分布現(xiàn)場圖Fig.1 Field map of surface stratigraphic distribution

由圖1可以看出：地表第四系表土層很薄，在300 mm左右；地表無大型喬木和灌木，以低矮型草地植被為主；如遇雨雪天氣，地表水很容易匯集到山谷，若地表有裂隙易導(dǎo)致大量匯水進(jìn)入裂隙內(nèi)。表土第四系下以角礫狀全強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和中強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r為主，揭露后極易風(fēng)化，無大型石塊，遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，該類型地層是影響皮帶運(yùn)輸巷道順利施工的重要影響因素之一。

基于此，巨龍銅業(yè)開展了鉆孔巖芯RQD分級、巖土體宏觀力學(xué)和微觀組分測試。通過巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得了巖土體密度、點(diǎn)載荷強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、單軸/三軸壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。此外，提出了一種基于數(shù)字圖像處理的RQD智能分級方法，通過巖芯拍照和數(shù)字圖像處理技術(shù)快速獲取了皮帶運(yùn)輸巷道圍巖質(zhì)量指標(biāo)(DRQ)值(見圖2)。由圖2可知：巷道穩(wěn)定性沿軸向方向表現(xiàn)出明顯的差異，尤其是穿越破碎帶區(qū)域時(shí)的穩(wěn)定性極差，在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；隨著鉆孔深度的增大，地層巖體DRQ值隨深度呈指數(shù)函數(shù)分布，鉆孔深度超過100 m后，DRQ值基本穩(wěn)定在74%～80%。

圖2 地層巖體DRQ值與鉆孔深度的關(guān)系曲線Fig.2 The curve of relation between stratum rock DRQ and drilling depth

1.2 皮帶運(yùn)輸巷道破碎帶破壞變形機(jī)理

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，皮帶運(yùn)輸巷道在穿越破碎帶時(shí)發(fā)生了貫穿地表的抽冒現(xiàn)象，即掘進(jìn)至破碎帶后發(fā)生了集中向上的變形，地表形成明顯的塌陷，對地表公路安全形成了潛在威脅。圖3為破碎帶巷道突泥和地表塌陷現(xiàn)場圖。

圖3 皮帶運(yùn)輸巷道突泥與地表塌陷現(xiàn)場圖Fig.3 Site map of mud burst and ground subsidence in belt conveyor roadway

為探明高海拔皮帶運(yùn)輸巷道破碎帶破壞變形機(jī)理，利用數(shù)值模擬手段對分步施工掘進(jìn)過程中上覆圍巖變形特性進(jìn)行研究。圖4為皮帶運(yùn)輸巷道穿越破碎帶時(shí)上覆巖層變形數(shù)值模擬結(jié)果。由圖4可知，在開挖進(jìn)程分別為662.5～665 m和667.5～670 m時(shí)(穿越破碎帶區(qū)域)，由于卸壓作用，破碎帶的位移、應(yīng)力和塑性變形明顯增大，且向地表方向快速擴(kuò)展，最大變形區(qū)域尺寸為皮帶運(yùn)輸巷道高度的5倍以上，現(xiàn)場施工需要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制訂相應(yīng)的控制措施。

(a)開挖進(jìn)程662.5～665 m

(b)開挖進(jìn)程667.5～670 m圖4 皮帶運(yùn)輸巷道穿越破碎帶時(shí)上覆巖層變形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of overlying strata deformation when belt conveyor roadway crosses the fracture zone

1.3 穿越破碎帶防塌孔裝置

綜上可知，皮帶運(yùn)輸巷道在穿越破碎帶掘進(jìn)施工時(shí)，極易出現(xiàn)鉆機(jī)卡鉆、鉆孔偏孔、裝藥困難等問題。為實(shí)現(xiàn)快速穿越破碎帶的目標(biāo)，發(fā)明了一種巖-泥共存型巷道快速成孔裝置，可解決在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的鉆孔塌孔、卡鉆、效率低和成本高等問題。圖5為破碎巖體與黃泥巷道掘進(jìn)快速成孔裝置，圖6為破碎巖體運(yùn)輸巷道掘進(jìn)快速成孔裝置施工流程?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，采用該裝置后成孔率大大提高，顯著提高了掘進(jìn)效率。

圖5 破碎巖體與黃泥巷道掘進(jìn)快速成孔裝置Fig.5 Rapid holing device for roadway excavation with broken rock mass and yellow mud

圖6 破碎巖體運(yùn)輸巷道掘進(jìn)快速成孔裝置施工流程Fig.6 Construction procedure for rapid holing device for roadway excavation with broken rock mass transportation

1.4 皮帶運(yùn)輸巷道支護(hù)方式

在皮帶運(yùn)輸巷道掘進(jìn)過程中，破碎帶一旦揭露，必須及時(shí)支護(hù)?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如果掘進(jìn)面的暴露時(shí)間超過2 d，運(yùn)輸巷道周邊巖土體會發(fā)生鼓肚、垮冒等大變形現(xiàn)象。因此，合理選擇皮帶運(yùn)輸巷道的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)是保障運(yùn)輸巷道快速掘進(jìn)和長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過綜合比較“全斷面超前注漿固結(jié)+鋼拱架+襯砌聯(lián)合支護(hù)”、“超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿+襯砌聯(lián)合支護(hù)”和“超前長管棚+錨-索-網(wǎng)+注漿堵水+鋼架+襯砌聯(lián)合支護(hù)”等方式，為保證皮帶運(yùn)輸巷道的長期穩(wěn)定，并考慮到其上覆巖層的導(dǎo)水通道須做隔水處理，推薦采用“超前長管棚+錨-索-網(wǎng)+注漿堵水+鋼架-襯砌聯(lián)合支護(hù)”方式。

支護(hù)參數(shù)優(yōu)化對于保障皮帶運(yùn)輸巷道穩(wěn)定運(yùn)行和降低作業(yè)成本具有重要意義。在“超前長管棚+錨-索-網(wǎng)+注漿堵水+鋼架-襯砌聯(lián)合支護(hù)”方式下，本文重點(diǎn)對錨索長度(6、8、10、12 m)、錨索排間距(1.0、1.5、2.0、2.5 m)和襯砌厚度(150、200、250、300 mm)等支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及綜合考慮支護(hù)成本，確定支護(hù)參數(shù)為：錨索長度10 m，錨索排間距1.5 m，襯砌厚度200 mm。

1.5 現(xiàn)場應(yīng)用

圖7為皮帶運(yùn)輸巷道現(xiàn)場圖。對皮帶運(yùn)輸巷道進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各個位置的位移幾乎無變化，驗(yàn)證了施工和支護(hù)方式的可靠性。

圖7 皮帶運(yùn)輸巷道現(xiàn)場圖Fig.7 Field map of belt conveyor roadway

2 思考

掌握高海拔寒旱區(qū)環(huán)境下大斷面安全快速掘進(jìn)技術(shù)是保障我國高海拔礦產(chǎn)資源安全運(yùn)輸?shù)闹匾A(chǔ)，本研究雖然取得了一定成果，但仍有許多值得思考的問題：

a.本文開展的RQD分級是在有限鉆孔數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到的部分結(jié)論，為精準(zhǔn)獲取高海拔戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源富集區(qū)域內(nèi)的礦巖穩(wěn)定性分級，可以考慮構(gòu)建不同區(qū)段的鉆孔數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化巖芯智能分級系統(tǒng)，以便更加準(zhǔn)確、高效地獲取數(shù)據(jù)。

b.目前針對高海拔寒旱區(qū)環(huán)境的研究基本是集中在定性表征上，如：海拔高、空氣稀薄、溫度低等，建議結(jié)合氣象局監(jiān)測數(shù)據(jù)，將高海拔環(huán)境表征定量化，以便為后續(xù)研究提供依據(jù)。

c.在高強(qiáng)度開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)，也要重視高原生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作。以綠色礦山、生態(tài)礦山、經(jīng)濟(jì)礦山為開發(fā)宗旨，積極踐行特大型礦山企業(yè)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

3 結(jié)論

a.驅(qū)龍段地層主要包括地表第四系風(fēng)化層、角礫狀全強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和中強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，提出了一種基于數(shù)字圖像處理的RQD智能分級方法，通過巖芯拍照和數(shù)字圖像處理技術(shù)可以快速獲取皮帶運(yùn)輸巷道圍巖的DRQ值。隨著鉆孔深度的增大，地層巖體DRQ值隨深度呈指數(shù)函數(shù)分布，鉆孔深度超過100 m后，DRQ值基本穩(wěn)定在74%～80%。

b.皮帶運(yùn)輸巷道在穿越破碎帶時(shí)的位移、應(yīng)力和塑性變形明顯增大，且變形向地表方向快速擴(kuò)展，其上覆巖層發(fā)生垮冒等大變形的風(fēng)險(xiǎn)增加。

c.針對皮帶運(yùn)輸巷道在穿越破碎帶掘進(jìn)施工時(shí)出現(xiàn)的鉆機(jī)卡鉆、鉆孔偏孔嚴(yán)重、裝藥困難等問題，發(fā)明了一種巖-泥共存型巷道快速成孔裝置，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，成孔率大大提高，并顯著提高了掘進(jìn)效率。

d.采用“超前長管棚+錨-索-網(wǎng)+注漿堵水+鋼架-襯砌聯(lián)合支護(hù)”方式，錨索長度、排間距和襯砌厚度分別為10 m、1.5 m和200 mm，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，皮帶運(yùn)輸巷道穩(wěn)定性良好。