机械化配套设备在井下大断面硐室施工中的研究与应用

机械化配套设备在井下大断面硐室施工中的研究与应用

张桥梁

（中国华冶科工集团有限公司辽宁矿业分公司，辽宁鞍山 114000）

摘要：为改善安全生产条件，提高生产效率，推进“机械化换人、自动化减人”专项行动工作实施，提高矿山机械化作业水平就显得尤为重要。地下矿山大型硐室既高又大，而进入硐室的巷道为正常巷道，相对低且窄，这些特点及受限地下空间限制了大型设备在大硐室施工中的应用。针对大型硐室及凿岩台车等机械化配套设备特点，综合应用斜坡道开挖技术，分部分层自上而下的硐室施工顺序，采用锚索+锚网喷联合支护形式，解决了大长型硐室施工工艺复杂，工序转换频繁、通风运料困难、安全无法保证、工期长的施工难题。

关键词：大硐室 机械化 凿岩台车 斜坡道

对于井下年产矿石30万t以上并采用深孔或中深孔崩矿的地下矿山，宜设置井下破碎站，破碎硐室是开拓工程施工中最大硐室，施工的快慢将直接影响溜破系统的形成，因此破碎硐室的施工是矿山基建期的重点工程。以往破碎硐室施工因断面大，坡度陡采用人工作业方式，故施工速度慢、效率低、危险性大。随着大型凿岩、运输、支护设备的使用，大断面硐室也逐渐应用开来，本文就本溪思山岭铁矿-1130破碎硐室采用机械化配套施工技术做一介绍，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

  本溪思山岭铁矿-1130m水平破碎硐室长32.3m，净宽11.0m，净高13.5m，掘进断面146.825㎡，净断面139.392㎡，采用锚索+锚网喷支护形式，支护厚度150mm，锚索体由两根公称称直径为15.24mm、强度1860MPa的钢绞线组成，锚索体长8.0m，间排距3m×3m，采用M30水泥砂浆锚固，锚固段长度3.0m；垫板规格为δ=20，S=300mmX300mm。锚杆采用Ø22×3m螺纹钢锚杆，间排距1.2m×1.2m，锚杆杆体采用水泥砂浆全长锚固。

2 大断面硐室施工难点

硐室断面跨度较大、工程量大、如通过垂直导洞施工，通风条件较差，温度相对较高，工序转换频繁，劳动强度较大、工期紧。

受地质及作业面条件限制，在大型硐室施工中掘进和支护难度大、大型设备作业困难。

3 施工方法选择

大型硐室的施工方法，目前常用的多为导硐法有轨方式开挖施工。详见导硐法开挖施工图１和图２。

图1 大硐室导洞法平面示意图           图2 大硐室导洞法施工立面图

导硐法有轨方式施工大型硐室时采取上下导洞、两个溜井，一个溜井负责溜碴，一个溜井负责行人和通风，先拱后墙、自上而下分层开挖的施工方法，周边轮廓采用光面爆破法开挖，边开挖边进行喷砼支护，最后进行永久支护。这种导硐法有轨方式开挖施工，施工安全条件差，施工难度很大、工人操作劳动强度高，通风条件、向上运输设备材料困难，施工效率低下。是否还有一种安全、优质、高效的大硐室施工方法呢？经过多年大型硐室施工实践和论证，采用大型硐室机械化配套施工技术，即根据大型硐室整体布置，采用辅助斜坡道，凿岩机凿岩，铲运机出渣、运材送料 、湿喷机喷浆、锚杆台车进行锚网喷的机械化配套施工方案。该方案施工安全条件好，人工操作劳动强度低，通风条件好，向上运输材料采用铲运机运输，安全方便，效率高。详见斜坡道无轨方式施工图3和图4。

图3 大硐室斜坡道平面布置示意图     图4 大硐室斜坡道立面施工示意图

斜坡道无轨方式施工大型硐室时先进行斜坡道掘进，斜坡道坡度按照作业设备行进最大坡度设计，施工到硐室上部分层后，利用光面爆破技术开挖拱部两侧Ⅰ、Ⅱ及部分墙部，待拱部两侧开挖支护（锚网喷）完成后，进行开挖拱部Ⅲ，边开挖边锚网喷砼临时支护，待拱部施工完成后，再进行墙部分层开挖锚网喷砼临时支护，最后进行永久支护。

4 方案的确定
本溪思山岭铁矿破碎硐室位于-1130m水平，通过-1020m～-1130m斜坡道，进入-1126m水平配电硐室联络道及-1131.9m水平破碎硐室（如图5所示）。-1126m水平配电硐室联络道与破碎硐室高差5.9m。施工设备可通过配电硐室联络道进入硐室施工，且施工硐室时辅助斜坡道到达上分层坡度小，便于凿岩台车等施工设备作业。前期已施工至联络道口，具备凿岩台车进入硐室施工辅助斜坡道条件。

图5 破碎硐室及配电硐室联络道平面位置示意图

5 施工方法

5.1 施工顺序

从配电硐室进行破碎硐室上部施工，依次从上向下分层施工，主要根据施工揭露围岩情况确定，采取三个分层施工，上分层采用双侧导硐施工方法，导硐施工时采取一掘一扩刷（扩刷包括顶部及光爆层施工），然后以配电硐室底板为施工中间分层，中间分层施工同时施工振动放矿硐室上部结构，如围岩破碎采取短掘短支，如岩石相对较好采取三掘一支，下分层从斜坡道与破碎硐室口开始按照斜坡道断面宽度掘进，然后在进行扩刷，上分层采用双侧导硐主要为减少硐室跨度，提高围岩稳定性，采取光面爆破，预留光爆层。

5.2 施工方法

硐室施工采用上行式单侧导洞分层施工方法，首先在变电所与破碎硐室连接处，将变电所底板抬高500mm,按3.6m

×3.6m的断面的以6°坡度向前掘进至破碎硐室另一帮预留500mm的光爆层，停止向前掘进，然后沿着破碎硐室中心线方向以7°的坡度进行上行式单侧导洞，导硐断面规格按3.6m×3.6m，施工至破碎硐室上分层时，进行上分层施工。由于硐室跨度大，为确保安全，减少硐室断面跨度，采取先两侧导硐，中间预留岩柱，在导硐施工时根据围岩情况进行进行扩刷区或光爆层施工，并进行永久支护，永久支护后进行中间岩柱掘进并进行永久支护，中间岩柱掘进时，为考虑锚杆、锚索施工方便，将其底板抬高800mm。在上行式斜坡道入口处切割槽开始从外向里一次施工，掘进施工采用光面爆破，光薄层预留500mm，施工采取三茬炮一支护的形式，具体根据围岩情况决定。

图6 破碎硐室掘砌施工示意图

（1）上分层施工（拱部开挖）

上分层施工由于硐室跨度较大，采用两侧小导洞中间预留岩柱的施工方法，两侧小导硐按照3.6m×3.6m断面掘进，再挑顶及扩刷的施工方法，刷帮、压顶滞后于导硐两茬炮，每刷帮、压顶两茬炮永久支护一次，如围岩破碎采取短掘短支。硐室拱部开挖时应采用光面爆破技术，光面层厚度取500mm，周边孔密集系数取0.8～1.0。大曲率半径的拱部周边孔距取400mm；在拱脚小曲率半径处周边孔距取400mm。

（2）分层开挖墙部

上分层拱部掘支施工完成后进行中间层掘进，中间层先以破碎硐室中线为中心施工断面 6m×2.7m的切割巷，再进行扩刷，中间分层永久支护完成后，再进行下分层施工，下分层开挖从斜坡道与破碎硐室口开始按照斜坡道断面宽度掘进一条切割槽，然后进行两侧扩刷，扩刷墙部采用光面爆破，预留500mm的光爆层。

 出渣采用挖掘式装载机配运输车，岩渣采用地下自卸汽车运输至指定位置。

图7 上分层施工示意图

5.3施工步骤

施工流程图如下：

图8 施工流程示意图

（1）测量放样

作业前，由测量人员标定出硐室的中线、腰线及硐室轮廓线，凿岩作业人员严格按照技术交底及测量标定轮廓线实施凿岩作业。

（2）凿岩、爆破

采用凿岩台车凿岩，钎杆采用Φ32mm、L=4.5m六角中空成品钎杆，Φ45mm柱齿钻头。掏槽方式采用直线掏槽，掏槽眼炮孔深度3.7m,周边眼及辅助眼炮孔深度3.5m，周边眼眼间距为500mm，周边眼炮孔布置巷道轮廓线上。布置炮眼时如遇到岩石发生大的变化时，可根据实际情况适当的调整炮眼的布置。

（3）出渣

采用矿用装载机配运输车出渣，出渣作业前，先将照明接至工作面附近，确保工作面光线充足，观察顶、帮围岩情况，采用撬毛台车进行撬帮问顶，对顶帮浮石检撬，确保安全后方可洒水降尘进行出渣作业，出渣过程中必须时时观察，顶、帮围岩情况，如发现围岩破碎、节理、裂隙发育，必须停止出渣，撤出工作面观察情况并报告带班领导现场查看，经检查确认安全后，方可继续作业，如围岩破碎，裂隙、节理发育，必须进行临时支护后方可作业，确保施工安全。

（4）支护

破碎硐室采用锚网喷+长锚索支护，支护厚度150mm,采用锚索+锚网喷支护形式，支护厚度150mm,锚索体由两根公称称直径为15.24mm、强度1860MPa的钢绞线组成，锚索钻机凿孔，间排距3m×3m，采用M30水泥砂浆锚固，锚索长度8m、锚固段长度3.0m，挤压式砂浆泵向锚孔内注入砂浆，其自由段用同等级水泥砂浆填充。锚杆采用Ø22×3m螺纹钢锚杆，锚杆台车凿孔、间排距1.2m×1.2m，锚杆杆体采用水泥砂浆全长锚固。

锚杆施工工艺流程为：测量标定孔位→钻孔→清孔→插入杆体→充填水泥浆→挂网→安装托盘。

喷浆采用湿式喷浆台车配罐式运输车进行喷浆作业，作业过程按操作流程、严格执行湿喷作业岗位指导书。

5.4 施工注意事项

（1）中腰线测量及坡度控制是大型硐室施工过程中最为精确的一道工序，贯穿大型硐室施工的整个过程，坡度的大小决定了施工设备能否正常使用，对大型硐室的成功施工起着决定性的作用。

（2）光面爆破控制。在硐室施工中，需严格控制断面超欠挖，超挖既增加出渣量、同时增加了支护厚度，增大材料损耗，破坏了岩壁整体性，增大危险性，影响观感度。在采用导洞辅助斜坡及拱部开挖过程中，均预留光爆层，光爆层始终落后掘进面两茬炮的距离。光爆层施工时在轮廓线上布置加密的周边孔，炮眼间距确保400-600mm，从而减弱爆破对原岩体的破坏作用，拱顶浮石及时检撬，保证施工安全。

（3）及时进行喷砼支护既保障了作业面的施工安全，同时为机械化配套快速施工创造了条件。施工之前，先用高压水冲洗受喷面，对岩面及时喷砼封闭，能够快速地提供连续的支撑力，改变围岩的受力状态，阻止变形的发展，避免围岩的松散，减少围岩的风化冒落。在岩石破碎或不稳定地段，采取锚喷或锚网喷支护形式，大大降低了潮湿空气及地下水对岩体的侵蚀和由此伴生的潮解、膨胀和矿物变质，有利于保持岩体的固有强度。

5.5 机械化配套设备

本工程重点及难点体现斜坡道坡度的确定，需保证设备爬坡和正常作业，且在硐室长度内需到达上分层施工拱部，该硐室高13.5m,通过配电硐室联络道进入即相当于硐室地板以上5.9m，缩减了硐室高度，便于大型设备的爬坡。另外拱部分段及预留光爆层，既要保证巷道规格、安全，也要保证设备作业空间。

针对该工程特点及设备性能，选择配套设备为： 凿岩台车凿岩、矿用装载机装岩、地下自卸汽车出渣、湿喷机喷浆、锚杆台车进行锚网作业。通过机械化配套设备的使用，保证了作业的安全，提高了劳动效率，节省了施工工期，取得了很好的效果。

6 结语

   大型硐室施工采用斜坡道开挖技术提高了施工效率，降低了施工难度，采取凿岩台车凿岩，降低了劳动强度；无轨设备铲运机出渣，增加了施工机械化程度，减少了导洞天井上下人员的安全风险；湿喷台车支护减少了粉尘，综合运用平巷施工设备在大硐室的使用，比传统硐室施工方法快速、高效，节省了材料，缩短了工期，施工质量达到优良，施工安全得到了保证。此方案的成功运用。对类似大硐室工程施工具有借鉴意义。进一步提高施工机械化程度，保证了作业安全，提高了施工效率。

参考文献：

[1]沈季良，等.建井工程手册，第三卷[M].北京：煤炭工业出版社，1986年7月:（3~867-890）

作者简介：张桥梁（1981－ ），男，湖北鄂州，井建工程师，一级建造师，长期从事矿建施工和技术质量管理工作。