基于數(shù)值模擬的盲斜井提升機(jī)硐室施工方案研究

郭威，華海洋，時(shí)傳龍，王建衛(wèi)

(山東黃金集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000)

隨著對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的增加和淺部資源的不斷消耗，國(guó)內(nèi)很多地下礦山已進(jìn)入深部開采階段[1]，深部大型硐室工程施工不斷增多，深部復(fù)雜的巖體應(yīng)力條件對(duì)硐室施工安全和進(jìn)度提出了更高的挑戰(zhàn)。因此，十分必要深入研究深部大型硐室的施工方案。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

紅嶺鉛鋅礦位于內(nèi)蒙古赤峰市，采、選生產(chǎn)能力為5000 t/d，豎井開拓，最低開拓中段為705 m中段。為了確保生產(chǎn)接續(xù)，礦山計(jì)劃于705 m 標(biāo)高新建一條盲箕斗斜井，與現(xiàn)有箕斗豎井接力擔(dān)負(fù)705～465 m 標(biāo)高礦石提升任務(wù)。

盲箕斗斜井提升機(jī)硐室底板標(biāo)高704.44 m，硐室斷面為1/4 三心拱斷面，設(shè)計(jì)凈長(zhǎng)為16.5 m，凈寬12.0 m，凈高11.0 m，墻高8.0 m，拱高3.0 m，硐室拱部采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，噴砼C30，支護(hù)厚度150 mm，樹脂錨桿網(wǎng)度0.8 m×0.8 m，鋼筋網(wǎng)采用Φ8 mm 圓鋼，網(wǎng)度150 mm×150 mm。硐室邊幫采用C30 混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度350 mm。硐室凈斷面為124.54 m2，掘斷面為133.64 m2，掘進(jìn)量2298.61 m3。

1.2 地質(zhì)概況

盲斜井提升機(jī)硐室位于礦體下盤，工程范圍內(nèi)的巖體主要為板巖，巖石硬度系數(shù)為f=10～12，該區(qū)域內(nèi)小節(jié)理裂隙發(fā)育且相互交錯(cuò)，造成巖石局部破碎，巖體體積節(jié)理系數(shù)為6.43，巖體完整性系數(shù)為0.65[2?5]。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，有少量裂隙滲透水，局部有滴水現(xiàn)象。

2 施工方案初選

該盲斜井提升機(jī)硐室屬大斷面硐室，大斷面硐室施工方法主要有3 種[6?10]：全斷面施工法、臺(tái)階法和導(dǎo)硐法。從技術(shù)角度出發(fā)，本項(xiàng)目提升機(jī)硐室位于穩(wěn)定巖石中，初選全斷面施工法和導(dǎo)硐法，其中：全斷面施工法有利于一次成硐，工序簡(jiǎn)單，勞動(dòng)效率高，施工速度快，缺點(diǎn)是頂板暴露面積大，維護(hù)困難，浮石處理及裝藥不方便。導(dǎo)硐法優(yōu)點(diǎn)是頂板暴露面積小，有利于保持頂板穩(wěn)定，缺點(diǎn)是分部施工，施工效率低。

從安全角度出發(fā)，明確全斷面施工與導(dǎo)硐法施工圍巖變形的具體情況，進(jìn)而選擇盲提升機(jī)硐室施工方案。

3 模擬分析

3.1 巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)巖組的劃分，礦區(qū)巖體主要為板巖，本次數(shù)值模擬參數(shù)依據(jù)礦山巖石力學(xué)報(bào)告[11]選取。巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 板巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771-2012）[12]，原巖應(yīng)力計(jì)算按自重應(yīng)力加側(cè)壓系數(shù)考慮，即：

式中，zδ為垂直應(yīng)力，MPa；xδ、yδ為水平應(yīng)力，MPa；γ為巖石容重，kN/m3；h為覆蓋巖層厚度，m；最大主應(yīng)力xδ垂直硐室長(zhǎng)軸方向。

3.2 模型的建立

三維數(shù)值模擬[13?15]模型結(jié)合地表絕對(duì)標(biāo)高1080 m，硐室底板絕對(duì)標(biāo)高704.44 m 建立，模型尺寸（x×y×z）：200 m×210 m×210 m，劃分66 857 個(gè)單元，12 186 個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模型見圖1。

圖1 提升機(jī)硐室三維數(shù)值模型

3.3 施工模擬過程

采用分層開挖模擬導(dǎo)硐法施工，首先開挖拱部，并施加錨桿支護(hù)后再進(jìn)行墻部開挖；全斷面法施工一次全斷面開挖，開挖完成后再施加錨桿支護(hù)。為了分析不同施工方案硐室圍巖變形情況，沿硐室長(zhǎng)軸方向設(shè)置左端部、中部及右端部共3 個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面在墻拱結(jié)合處、拱頂共設(shè)置3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別記錄豎向位移、水平位移情況，具體布置如圖2 所示。

圖2 觀測(cè)斷面及觀測(cè)點(diǎn)布置

3.4 模擬結(jié)果分析

導(dǎo)硐法硐室施工及全斷面硐室施工模擬計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

（1）由圖3（a）～圖3（f）可以看出，導(dǎo)硐法施工與全斷面施工均呈現(xiàn)硐室中部較端部位移更為明顯的趨勢(shì)，導(dǎo)硐法施工最大位移為6.1×10?3m，出現(xiàn)在硐室中部墻拱結(jié)合處，是端部斷面相同位置最大位移3.7×10?3m 的1.65 倍。

（2）由圖3（g）～圖3（h）可以看出，導(dǎo)硐法施工拱頂豎向位移較全斷面施工豎向位移總體趨小，主要是導(dǎo)硐法施工拱部得到及時(shí)錨噴支護(hù)限制了豎向位移的發(fā)展，最大豎向位移6.75×10?4m 小于全斷面施工最大豎向位移8.25×10?4m。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

綜合上述結(jié)果，盲斜井提升機(jī)硐室確定采用導(dǎo)硐法施工。

4 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及設(shè)備配置情況，為充分減少措施工程布置，確定采用無(wú)軌斜坡道，上下導(dǎo)硐，天井溜渣、先拱后墻、分層開挖的導(dǎo)硐法施工方案。即先由臨近配電硐室施工上山斜坡道至提升機(jī)硐室拱部，斜坡道到位后，施工上下導(dǎo)硐，然后施工溜井，將上下導(dǎo)硐貫通。拱部開挖成型后，進(jìn)行錨噴支護(hù)，再自上而下分層開挖，如圖4 所示。

圖4 施工方案及拱頂噴漿支護(hù)

4.1 斜坡道施工

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程布置情況，首先由配電硐室施工鏟運(yùn)機(jī)上山斜坡道至硐室拱部，根據(jù)1 m3內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)參數(shù)，確定斜坡道斷面規(guī)格為2.8 m×2.7 m，斜坡道坡度由兩段構(gòu)成，一段坡度為17%，長(zhǎng)度20 m，二段坡度28%，長(zhǎng)度12 m。

4.2 上下導(dǎo)硐及溜井施工

斜坡道施工至變坡點(diǎn)后，施工斷面規(guī)格為2.8 m×2.7 m 的1/3 三心拱平巷作為上導(dǎo)硐至硐室邊界，長(zhǎng)度5.0 m，同時(shí)施工提升機(jī)硐室聯(lián)絡(luò)巷作為下導(dǎo)硐（斷面規(guī)格為3.0 m×3.0 m 的1/3 三心拱），長(zhǎng)度6.8 m。上下導(dǎo)硐施工完成后，由下導(dǎo)硐反掘斷面規(guī)格為1.8 m×1.5 m 的溜井，與上導(dǎo)硐連通。

4.3 拱部開挖

因硐室跨度較大，為減少暴露面積，拱部分3步施工：第1 步，上導(dǎo)硐向左側(cè)擴(kuò)刷至硐室邊界，同時(shí)壓頂至硐室拱部設(shè)計(jì)位置，臨時(shí)支護(hù)。第2 步，上導(dǎo)硐向右側(cè)擴(kuò)刷至硐室邊界，同時(shí)完成上導(dǎo)硐及斜坡道壓頂至硐室設(shè)計(jì)位置。第3 步，進(jìn)行錨噴網(wǎng)永久支護(hù)。

4.4 墻部分層開挖

拱部開挖及支護(hù)完成后，自上而下進(jìn)行墻部分

層開挖，每層高度2.5 m，以斜坡道作為自由面掘進(jìn)，施工至設(shè)計(jì)邊界后進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

4.5 永久支護(hù)

硐室施工完成后，首先施工提升機(jī)基礎(chǔ)等配套工程，進(jìn)而施工繩道并完成支護(hù)，然后再進(jìn)行提升機(jī)硐室的永久支護(hù)，永久支護(hù)順序：施工準(zhǔn)備→測(cè)量方向→斷面檢查→清理基礎(chǔ)及欠挖處理→綁扎鋼筋→基礎(chǔ)混凝土澆筑→滿堂腳手架搭設(shè)→立模板→自檢→監(jiān)理檢查→澆筑混凝土→下一循環(huán)施工。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)紅嶺鉛鋅礦盲斜井提升機(jī)硐室施工方案的選取，建立了三維數(shù)值模型，模擬分析表明：導(dǎo)硐法施工與全斷面施工均呈現(xiàn)硐室中部較端部位移大，導(dǎo)硐法施工最大位移為6.1×10?3m，出現(xiàn)在硐室中部墻拱結(jié)合處，是端部斷面相同位置最大位移3.7×10?3m 的1.65 倍，導(dǎo)硐法最大豎向位移6.75×10?4m 小于全斷面施工最大豎向位移8.25×10?4m。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定了硐室導(dǎo)硐法施工方案，施工過程中加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域支護(hù)措施，確保了施工安全。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際硐室布置，采用斜坡道施工硐室，減少了措施工程，不僅降低了措施工程對(duì)硐室圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)降低了施工成本，具有較好的應(yīng)用效果。