高应力破碎大断面硐室掘进与联合支护技术研究与实践*

王庆刚 王立杰 尹爱民 杨金光 耿 帅

（河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司）

随着开采深度加大，岩体力学复杂，对硐室开挖与支护技术提出更高的要求，尤其是在高地应力、围岩破碎情况下，维护工程稳定性更加困难。因此，研究解决高应力破碎大断面硐室的开挖及支护难题，对保障井下安全高效生产具有重要意义。本研究结合中关铁矿工程实际，围绕上述问题，开展高效掘进和支护技术研究。

1 工程概况

中关铁矿矿体为缓倾斜极厚矿体，矿体厚度变化较大，最大为174.74 m，平均为35.57 m，主要矿体赋存在岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，属于典型的接触交代矽卡岩型磁铁矿床。根据工程揭露判断，矿岩变化较大，大部分矿岩节理裂隙发育，软弱夹层较多且多为泥质灰岩，同时夹有碳质片岩形成多个弱面，致使矿岩较为破碎，整体稳固性差。局部出露蚀变闪长岩，硬度较小，遇水泥化不稳定。经考察周边类似矿山，中关铁矿矿岩最为破碎，且夹杂黄泥岩、绿泥岩。这些岩层遇水后，具有明显的软化和泥化现象，严重影响了硐室的稳定性，增加了支护难度［1］。

中关铁矿主要采矿方法为阶段空场侧向崩矿嗣后充填采矿法，段高60 m。为提高生产能力，其大直径深孔凿岩硐室设计断面尺寸较大，一般长50 m，宽18 m，高3.6 m。随着开采矿房的不断增多，大断面破碎硐室开挖及支护是一个随时间、空间不断变化的动态施工过程［2］，硐室围岩应力呈现出非线性特点，应力集中明显，围岩破坏范围较大，若硐室围岩破碎，支护难度将急剧增大［3］。以13#S4 试验矿房凿岩硐室为例，该凿岩硐室布置在石炭系宰格组白云岩地层中，围岩存在1 组共轭断层和多组节理裂隙，十分破碎，完整性差。根据工程岩体分级标准，围岩属于III～IV 级，自稳能力相对较差。硐室设计属于超大断面硐室。根据工程揭露，13#穿脉地压显现明显，已出现严重的变形破坏，需要采取支护修复及加固措施才能保证穿脉巷的稳定。可见，该大断面凿岩硐室开挖与支护施工难度较大，冒顶、片帮危险性高。传统的开挖及被动支护技术不能满足要求，必须采取有效的施工工艺与加强支护方式。

2 掘进与支护方案

凿岩硐室长50 m，宽18 m，高4 m，由于断面较大，且距穿脉巷较远，采用硐室联络道、凿岩硐室导硐，并布置条形矿柱施工方案。硐室开挖顺序：凿岩硐室联络道→凿岩硐室导硐→条形矿柱→硐室开挖→锚网喷+长锚索联合支护。为加强硐室稳定性，在硐室内均匀布置宽3 m、长4～6 m的条形矿柱，也可采用支模浇筑混凝土加固矿柱，间柱将硐室分为南北2个硐室。鉴于该区域围岩破碎、地压大，且随着采矿规模的增大，后期还会增加新的矿房空区，为充分利用围岩的自承载能力，硐室支护采用“先让后抗、让抗结合、多次支护”的新技术［3］，支护形式为锚网喷+长锚索联合支护。

3 凿岩硐室开挖与临时支护

3.1 凿岩硐室开挖

先施工凿岩硐室联络道及凿岩硐室导硐至矿房边界，探明凿岩硐室部位矿岩稳定性，根据探明的矿岩情况确定凿岩硐室掘支方式。从-170 m 水平南风井联巷施工下向坡度为14.4%的斜坡道至矿体顶部，再在矿房侧帮施工平巷至矿房边界作为凿岩硐室导硐，最后导硐扩刷为凿岩硐室，使凿岩硐室底板与矿体顶部位于同一水平。凿岩硐室联络道布置图如图1所示，凿岩硐室导硐布置如图2所示。

3.2 凿岩硐室联络道及凿岩硐室导硐临时支护

凿岩硐室联络道及凿岩硐室导硐采用素喷混凝土支护，混凝土标号为C20，支护厚度为100 mm；若矿岩较破碎则进行锚网喷支护，锚网喷支护金属网规格为100 mm×100 mm，采用φ6 mm 钢筋及φ20 mm 树脂锚杆，长度为2.4 m，间排距为0.8 m×0.8 m，混凝土标号为C20，支护厚度为100 mm。

3.3 凿岩硐室开挖

凿岩硐室导硐布置在凿岩硐室南侧，贯通整个凿岩硐室，从靠近下盘处开始扩刷成2条规格为7.5 m×50 m×3.6 m（宽×长×高）的硐室。南北2 个凿岩硐室同时后退扩刷并同步实施锚网喷支护，扩刷至间柱时严格采用光面爆破，炮眼间距为500 mm，采用分段不耦合装药，导爆索起爆，以减小对间柱的破坏。

4 凿岩硐室联合支护

根据凿岩硐室暴露面积大、围岩结构破碎等特点，结合同类矿山施工实际情况以及当前支护理论研究，采用“锚网喷+长锚索”联合支护对大直径深孔矿房凿岩硐室进行预控顶。

因硐室暴露面积较大，普通的锚网喷达不到理想的支护效果，采用锚网喷+长锚索预控顶技术。在具体的施工过程中，根据矿岩条件调整支护参数或采取联合加强支护等措施，确保硐室顶板安全，为采矿生产创造条件。锚网喷支护参数：金属网网格100 mm×100 mm，采用φ6 mm 钢筋和φ20 mm 树脂锚杆，间排距为0.8 m×0.8 m，锚杆长度为2.4 m。混凝土标号为C20，支护厚度为100 mm。

长锚索预加固顶板机理：充分利用锚索的延展性、抗拉强度大等优点，提供直接平衡力，限制围岩的变形，加强岩体的结构，提高岩体自身承载力，改善调整围岩的应力状态，从而提高岩体的稳定性，同时各锚索通过围岩岩体联系于一体，产生群锚加固整体效应［4］。

锚索长度根据松动圈支护理论确定。锚索长度取松动圈的深度和锚入稳固岩体的深度之和［5］，锚索锚入松动圈外稳固岩体的深度取2 m。按照前期巷道、凿岩硐室导硐施工时顶板冒落最大高度达12 m，取锚索长度15 m，参照其他矿山经验，锚索网度尺寸一般为3～4 m，锚索孔采用菱形布置，局部破碎地段适当加密。最终确定锚索排距为4 m，长度为15 m，倾斜角度为60°和80°，水泥砂浆全长锚固，硐室掘进过程中即进行锚网喷支护，硐室形成后采用TGZ-90型钻机进行穿孔并安装长锚索（图3）。

5 凿岩硐室围岩变形监测

为了掌握硐室围岩变形情况及爆破震动对采场的影响，施工过程中围绕13#S4 矿房布置了4 个油馕钻孔应力计和4 个包体应力计，对原岩应力、采场动应力和爆破震动进行测定及监测。监测结果表明，采用“锚网喷+长锚索”联合支护期间，围岩初始变形速率较大，随时间推移，逐步放缓并趋于稳定，另外硐室施工完成后经过6个月的观察，未出现浆皮开裂和可视变形情况，表明联合支护取得了较好的效果。图4为采用的钻孔应力计，图5为联合支护现场。

6 结论

实践表明，对于破碎围岩大断面凿岩硐室，采用“硐室联络道、硐室导硐+扩刷、布置条形矿柱”的开挖技术，并采用“锚网喷+长锚索”联合支护形式，可充分利用围岩自承载能力，明显提高支护结构的整体性和承载能力，确保硐室长期处于稳定状态。该研究及实践结果为类似矿岩破碎地质条件下的大断面凿岩硐室施工提供指导和借鉴。