高應力破碎大斷面硐室掘進與聯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具有重要意義。本研究結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巖的接觸帶及其附近灰巖裂隙中，屬于典型的接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。根據工程揭露判斷，礦巖變化較大，大部分礦巖節理裂隙發育，軟弱夾層較多且多為泥質灰巖，同時夾有碳質片巖形成多個弱面，致使礦巖較為破碎，整體穩固性差。局部出露蝕變閃長巖，硬度較小，遇水泥化不穩定。經考察周邊類似礦山，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象，嚴重影響了硐室的穩定性，增加了支護難度［1］。

中關鐵礦主要采礦方法為階段空場側向崩礦嗣后充填采礦法，段高60 m。為提高生產能力，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施工過程［2］，硐室圍巖應力呈現出非線性特點，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理裂隙，十分破碎，完整性差。根據工程巖體分級標準，圍巖屬于III～IV 級，自穩能力相對較差。硐室設計屬于超大斷面硐室。根據工程揭露，13#穿脈地壓顯現明顯，已出現嚴重的變形破壞，需要采取支護修復及加固措施才能保證穿脈巷的穩定。可見，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：鑿巖硐室聯絡道→鑿巖硐室導硐→條形礦柱→硐室開挖→錨網噴+長錨索聯合支護。為加強硐室穩定性，在硐室內均勻布置寬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。鑒于該區域圍巖破碎、地壓大，且隨著采礦規模的增大，后期還會增加新的礦房空區，為充分利用圍巖的自承載能力，硐室支護采用“先讓后抗、讓抗結合、多次支護”的新技術［3］，支護形式為錨網噴+長錨索聯合支護。

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定性，根據探明的礦巖情況確定鑿巖硐室掘支方式。從-170 m 水平南風井聯巷施工下向坡度為14.4%的斜坡道至礦體頂部，再在礦房側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 鑿巖硐室聯絡道及鑿巖硐室導硐臨時支護

鑿巖硐室聯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噴支護，錨網噴支護金屬網規格為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，貫通整個鑿巖硐室，從靠近下盤處開始擴刷成2條規格為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 鑿巖硐室聯合支護

根據鑿巖硐室暴露面積大、圍巖結構破碎等特點，結合同類礦山施工實際情況以及當前支護理論研究，采用“錨網噴+長錨索”聯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，普通的錨網噴達不到理想的支護效果，采用錨網噴+長錨索預控頂技術。在具體的施工過程中，根據礦巖條件調整支護參數或采取聯合加強支護等措施，確保硐室頂板安全，為采礦生產創造條件。錨網噴支護參數：金屬網網格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、抗拉強度大等優點，提供直接平衡力，限制圍巖的變形，加強巖體的結構，提高巖體自身承載力，改善調整圍巖的應力狀態，從而提高巖體的穩定性，同時各錨索通過圍巖巖體聯系于一體，產生群錨加固整體效應［4］。

錨索長度根據松動圈支護理論確定。錨索長度取松動圈的深度和錨入穩固巖體的深度之和［5］，錨索錨入松動圈外穩固巖體的深度取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，參照其他礦山經驗，錨索網度尺寸一般為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測。監測結果表明，采用“錨網噴+長錨索”聯合支護期間，圍巖初始變形速率較大，隨時間推移，逐步放緩并趨于穩定，另外硐室施工完成后經過6個月的觀察，未出現漿皮開裂和可視變形情況，表明聯合支護取得了較好的效果。圖4為采用的鉆孔應力計，圖5為聯合支護現場。

6 結論

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