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、翻車機房、卷揚機房、粗破碎硐室等斷面較大、長度較小的地下構(gòu)筑物。這類硐室在整個開拓系統(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。因為它的斷面大、長度短，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、擴幫或臥底，將斷面擴大到所需的尺寸。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)動鑿巖機鉆上部炮眼,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。臺階過多或超前太大,將會增大上部臺階工人扒渣的工作量,并會互相干擾,影響正常作業(yè)。下部臺階的開挖既可打水平眼,也可在上部臺階打垂直眼,應(yīng)當(dāng)注意炮眼深度,以保證底板的標(biāo)高。

圖1 正臺階工作面開挖示意圖

拱部錨桿可隨上分層開掘后及時安設(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,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,可以采用先拱后墻的支護(hù)方法,上分層隨掘隨砌拱,拱搭在巖石臺階上,下分層隨掘隨砌墻。如果硐室長度不大,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,同時砌墻接拱。

1.2.2 倒臺階工作面開挖

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

圖2 倒臺階工作面開挖示意圖

采用噴錨支護(hù)時,下分層支護(hù)工作可以與上分層的開挖同時進(jìn)行,在采用整體式襯砌時,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。采用倒臺階法施工時,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、變電所和卷揚機硐室等。施工時先在下部掘進(jìn)導(dǎo)坑,然后利用導(dǎo)坑擴幫、挑頂,將斷面刷大到設(shè)計的規(guī)格尺寸。

當(dāng)硐室跨度較小時,將下導(dǎo)坑布置在硐室中央,硐室跨度較大時,可在硐室兩邊各布置一個導(dǎo)坑。確定導(dǎo)坑斷面尺寸時,應(yīng)根據(jù)巖石的松散系數(shù)進(jìn)行計算,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,即可開始挑頂擴幫?？梢韵忍繇敽髷U幫,如圖3所示,也可先擴幫后挑頂,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-擴幫；5-墻部光面層

1-下導(dǎo)坑；2-擴幫；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,可采用兩側(cè)下導(dǎo)坑開挖法,如圖5所示。挑頂時由兩側(cè)向中央發(fā)展,拱部爆破時可將大部分巖渣直接落到兩側(cè)下導(dǎo)坑中,有利于機械化裝巖。

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安設(shè)拱部錨桿。巖石條件差時,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,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、大型卷揚機硐室、大跨度高墻硐室等。這種方法的實質(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

首先沿硐室底板和東西側(cè)墻掘進(jìn)一號,二號導(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,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,使臨時支護(hù)緊跟工作面。上導(dǎo)坑可以每掘進(jìn)5～6 m就擴刷拱部并及時砌拱。邊墻施工時,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,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揚機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-下部儲礦倉；7-主井；8-副井

采用留礦法施工破碎硐室時，為解決行人、運輸、通風(fēng)等問題，應(yīng)先掘出裝載硐室、下部儲礦倉和井筒與硐室的聯(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，掏槽以楔形長條狀布置在每層的中間。爆破后的巖碴,經(jīng)下部貯礦倉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。當(dāng)硐室上掘到設(shè)計高度，符合設(shè)計規(guī)格后，用碴堆作工作臺進(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)點是：工藝簡單，輔助工程量小，作業(yè)面寬敞，可布置多臺鑿巖機同時作業(yè)，工效高。我國金屬礦山利用此法施工大型硐室已取得了成功的經(jīng)驗，但該法受到地質(zhì)條件的限制，巖層不穩(wěn)定時不宜使用。同時，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。因此此法應(yīng)用不如導(dǎo)坑法廣泛。

4 結(jié)語

高大硐室施工方法的選擇是一項技術(shù)性和規(guī)范性很強的工作。在實際施工中，應(yīng)及時分析硐室的形狀、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，并參考國內(nèi)外相關(guān)施工經(jīng)驗，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，底部有漏斗裝車條件，比如粗碎硐室的下部貯礦倉時采用留礦法比較有利。對于地質(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。