一种高大硐室的小天井辐射式与台阶式的混合施工法的制作方法

本发明属于矿建施工技术领域，更具体的讲，涉及一种高大硐室的小天井辐射式与台阶式的混合施工法。

背景技术：

硐室是一类空间三轴线长度相差不大且又不直通地面的地下巷道，如绞车房、变电所、煤仓等。硐室的开挖种类根据其作用和尺寸大小又分为台阶法、全断面施工法、导硐法等，但是随着矿山开采往深部发展以及机械化采矿程度的提高，高大硐室的普及率越来越高，特别是硐室高度超过12m，长度超过30m，宽度超过10m的高大硐室，此类硐室不仅可以安装更多的机械设备、存放更多的材料和工具等同时还具有避险的作用，如智利圣何塞铜矿矿难，发生于2010年8月5日，33名矿工被困井下。10月14日，33名被困矿工全部获救，全部被困矿工数月后得救的一个极其重要的因素的高大避难硐室的应用。但是高大硐室由于其断面尺寸大，跨度大，施工过程中存在的安全隐患也会相应增大，采用上述诸如导硐法或全断面施工法一是前期支护程序复杂，人员安全难以保障，二是所形成的硐室质量不高，最重要也是最关心的因素便是投入大，成本高。因此研究并提出一种适用于高大硐室的施工方法，既是满足了当今矿山往深部发展趋势，同时也是适应了机械化开采的潮流，并且能够提高矿山收入，降低硐室开采成本，对矿山建设具有重要的现实意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种安全、可靠、施工效率高、成本低开挖后硐室质量高的一种高大硐室的施工方法。

为了实现上述目的，本发明提拱了一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工方法，所述方法包括一下步骤：a、根据所需开挖硐室的尺寸要求确定硐室的长度、宽度、高度以及硐室的起拱线高度；b、确定小天井群的数量、位置、高度和断面尺寸；c、确定硐室上部和下部的分层高度，其中硐室上部即上分层采用小天井辐射式施工法，硐室下部即下分层采用台阶法施工法。d、挖设供设备、人员及材料等通行的下部巷道，下部巷道与硐室外部相连且贯穿整个硐室的长度，所述下部巷道的巷道中心线与硐室中心线在水平方向相聚2.5～3m；e、在下部巷道一侧挖设水平斜巷，水平斜巷的巷道中心线与下部巷道的巷道中心线成30°角，该水平斜巷的作用主要是临时储存渣石以及方便各小天井群中渣石的运出；f、采用反天井施工法从下部水平斜巷顶板垂直向上掘设小天井群至预设高度，一次成巷，所述小天井群的断面为正方形，每掘进一茬炮，由技术人员进行放线，保证小天井群的垂直度。每掘进一茬炮在井壁上打锚杆，在锚杆上挂铁梯并把梯子固定在锚杆，进行人员上下。在距掘进工作面米井壁两对面各打锚杆根，在锚杆上铺5cm厚木板作为凿岩工作平台，并在平台上打好锚杆，作为下茬炮挂梯子、架平台用；g、小天井群掘进完成后，为确保矸石自然落下和人员行走方便，从第一小天井开始，施工人员站在第一小天井的凿岩工作平台上以35°～45°的坡角往第一小天井俩侧斜向上打炮眼并爆破使得该第一小天井与硐室外部贯通，贯通后形成第一辐射状锥形井；然后采用上述方法依次将第二小天井、第三小天井、第四小天井向上扩刷并贯通形成辐射状锥形井群并进行临时支护；h、为方便人员上下及通风，在硐室临空面一侧安设爬梯及安全护栏，确保其人员出入安全，同时通风管路也由硐室临空面进入锥形井群，采用独头通风；i、辐射状锥形井群形成后，施工人员进行拱顶刷大时，人站在辐射状锥形井群的渣堆上从反向逐层斜向上扩刷拱顶部份，为保证渣石自然下放，刷大角度以45°角为宜，刷帮过程中视作业面下方渣量确定小天井群下口的出渣量，为确保安全,下部出渣过程中上部严禁作业。拱顶施工至设计顶板时及时进行临时支护后方可进行下一个循环的掘进工作，当拱顶开挖完成5m左右时进行永久支护；j、硐室1拱顶掘支全部完成后，适当出渣下放渣石的高度，工人站在渣石上继续依次以35°～45°坡角钻眼并爆破扩刷小天井群，直至硐室下部高度适合于正台阶施工法高度为止；k、上述左右步骤完成后，将所有辐射状锥形井群的渣石全部运出硐室外，然后硐室下部采用正台阶法施工，墙部扩刷从上至下进行，并从硐室倒碴侧向出碴侧分段分层扩刷推进，分层高度不大于2m，分段长度视情况而定，一般不大于10m，以每次爆破炸药量不超过40kg，人员作业方便(碴石面不低于扩刷作业面1m)为宜，每次扩刷后，必须及时进行临时支护，每次临时支护高度不得大于2m，扩刷至硐室端墙时要及时将端墙临时支护好。当岩石条件较好时，下部混凝土采用一次浇筑；当岩石条件较差时，下部混凝土分上下二次浇筑。

根据本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的一个实例，所述硐室高度超过12m，长度超过30m，宽度超过10m；

根据本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的一个实例，所述下部巷道的巷道中心线与硐室1中心线在水平方向相距2.5～3m；

根据本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的一个实例，所述支护为钢筋混凝土永久支护；

根据本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的一个实例，所述硐室上部采用小天井辐射式进行施工，硐室下部采用正台阶法进行施工。

本发明的方法是理论结合实践提出来的方法，并且经过实地验证，有望具有广阔的应用前景。本发明的所列出的技术方案是基于一个思路所提出的方法。

附图说明

图1是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的硐室俯视图。

图2是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的硐室中心线方向的剖视图。

图3是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的硐室断面侧视图。

图4是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法中小天井扩刷形成辐射状锥形井的施工顺序图(A-D)。

图5是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法中反向逐层斜向上扩刷拱顶部份的施工顺序图(E-J)。

图6是拱顶掘支完成后，硐室下部采用正台阶法施工顺序图K-Q)。

图中：1、硐室，2、小天井群，3、第一小天井，4、第二小天井，5、第三小天井，6、第四小天井，7、下部巷道，8、辐射状锥形井群，9、凿岩工作平台，10、第一辐射状锥形井，11、第二辐射状锥形井，12、第三辐射状锥形井，13、第四辐射状锥形井，14、水平斜巷

具体实施方式

在下文中，将对本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法进行详细说明。

本发明的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的具体思路为先采用反天井法掘设小天井群2至预设高度，从第一小天井3开始，施工人员站在第一小天井3的凿岩工作平台9上以35°～45°的坡角往第一小天井3俩侧斜向上打炮眼并爆破使得第一小天井3与硐室1外部贯通，贯通后形成第一辐射状锥形井10；然后采用上述方法依次将第二小天井4、第三小天井5、第四小天井6向上扩刷并贯通形成辐射状锥形井群8并进行临时支护直至把拱顶掘支完成；待拱顶全部支护完成后继续扩刷小天井群2直至硐室1下部的高度适合采用台阶法施工为止；上述所有工序完成后将所有辐射状锥形井群8的渣石运出硐室1外，下部施工采用正台阶法施工，硐室1墙部开挖至设计时进行临时支护，根据暴露岩石情况决定硐室1墙部分一次成型支护或二次成型支护，直至完成硐室1施工。

根据本发明，上述一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法包括一次进行以下步骤a～K；

a、根据所需开挖硐室1的尺寸要求确定硐室1的长度、宽度、高度以及硐室1的起拱线高度；

b、确定小天井群2的数量、位置、高度和断面尺寸；

c、确定硐室1上部和下部的分层高度，其中硐室1上部即上分层采用小天井辐射式施工法，硐室1下部即下分层采用台阶法施工法；

d、挖设供设备、人员及材料等通行的下部巷道7，下部巷道7与硐室1外部相连且贯穿整个硐室1的长度，所述下部巷道7的巷道中心线与硐室1中心线在水平方向相聚2.5～3m；

e、在下部巷道7一侧挖设水平斜巷14，水平斜巷14的巷道中心线与下部巷道7的巷道中心线成30°角，该水平斜巷14的作用主要是临时储存渣石以及方便各小天井群2中渣石的运出；

f、采用反天井施工法从下部水平斜巷14顶板垂直向上掘设小天井群2至预设高度，一次成巷，所述小天井群2的断面为正方形，每掘进一茬炮，由技术人员进行放线，保证小天井群2的垂直度。每掘进一茬炮在井壁上打锚杆，在锚杆上挂铁梯并把梯子固定在锚杆，进行人员上下。在距掘进工作面2米井壁两对面各打锚杆3根，在锚杆上铺5cm厚木板作为凿岩工作平台9，并在平台上打好锚杆，作为下茬炮挂梯子、架平台用；

g、小天井群2掘进完成后，为确保矸石自然落下和人员行走方便，从第一小天井3开始，施工人员站在第一小天井3的凿岩工作平台9上以35°～45°的坡角往第一小天井3俩侧斜向上打炮眼并爆破使得该第一小天井3与硐室1外部贯通，贯通后形成第一辐射状锥形井10；然后采用上述方法依次将第二小天井(4)、第三小天井(5)、第四小天井(6)向上扩刷并贯通形成辐射状锥形井群8并进行临时支护；

h、为方便人员上下及通风，在硐室1临空面一侧安设爬梯及安全护栏，确保其人员出入安全，同时通风管路也由硐室1临空面进入锥形井群，采用独头通风；

i、辐射状锥形井群8形成后，施工人员进行拱顶刷大时，人站在辐射状锥形井群8的渣堆上从反向逐层斜向上扩刷拱顶部份，为保证渣石自然下放，刷大角度以45°角为宜，刷帮过程中视作业面下方渣量确定小天井群2下口的出渣量，为确保安全,下部出渣过程中上部严禁作业。拱顶施工至设计顶板时及时进行临时支护后方可进行下一个循环的掘进工作，当拱顶开挖完成5m左右时进行永久支护；

j、硐室1拱顶掘支全部完成后，适当出渣下放渣石的高度，工人站在渣石上继续依次以35°～45°坡角钻眼并爆破扩刷小天井群2，直至硐室1下部高度适合于正台阶施工法高度为止；

k、上述左右步骤完成后，将所有辐射状锥形井群8的渣石全部运出硐室1外，然后硐室1下部采用正台阶法施工，墙部扩刷从上至下进行，并从硐室1倒碴侧向出碴侧分段分层扩刷推进，分层高度不大于2m，分段长度视情况而定，一般不大于10m，以每次爆破炸药量不超过40kg，人员作业方便(碴石面不低于扩刷作业面1m)为宜，每次扩刷后，必须及时进行临时支护，每次临时支护高度不得大于2m，扩刷至硐室1端墙时要及时将端墙临时支护好。当岩石条件较好时，下部混凝土采用一次浇筑；当岩石条件较差时，下部混凝土分上下二次浇筑。

由于本发明的方法比较抽象，为了能够更为清楚和具体的说明本发明，下面结合附图和具体实例进一步对本发明进行说明。

本示例以云南某矿业有限公司400万t/a二期采矿工程40m以下溜破系统工程矿石破碎硐室的施工来具体说明本发明的主要施工工艺流程。

二、施工步骤

1)结合图1～图3可知硐室1的长度为长34m、宽10.5m、高12.67m、硐室1的拱顶起拱线高度为9m，小天井群2的个数为4个，小天井2的尺寸分别为长2m、宽2m、高11m，相邻俩小天井的距离为7.340m，俩侧小天井(第一小天井3与第四小天井6)与相邻硐室1断面的距离为6m，下部巷道7和水平斜巷14的位置设定见图1。

具体来说，小天井群2是指断面基本为正方形的竖井，挖设小天井群2是扩刷形成辐射状锥形井群8的前提并且也是用于形成扩刷时的工人作业平面和出渣的主要通道。辐射状锥形井群8则是从小天井群2的凿岩工作平台9上以一定坡角向上打炮眼爆破扩刷形成，坡角α是指炮眼与水平方向的夹角(锐角)。根据本发明，坡角α为35°～45°，优选35°。第一辐射状锥形井10形成后，依次从第二小天井4、第三小天井5、第四小天井6的凿岩工作平台9斜向上扩刷形成辐射状锥形井群8并进行临时支护，待小天井群2均被扩刷形成相应辐射状锥形井群8后施工人员进行拱顶刷大(刷大角度以45°角为宜)，人站在渣堆上从反向逐层斜向上扩刷拱顶部份(过程中下部巷道7适量出渣)并且当拱顶开挖完成5m左右时进行永久支护。

其中，小天井群2的数量和位置是根据从小天井群2以35°～45°的坡角向上将相邻俩小天井贯通，在贯通后形成的辐射状锥形井群8上继续扩刷拱顶至硐室1拱顶施工范围确定的。在本示例中，4个辐射状锥形井即可全部覆盖。

2)挖设下部巷道7和水平斜巷14

图1是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的硐室俯视图。由图1所示，挖设拱运载设备通行的下部巷道7和水平斜巷14，水平斜巷14的巷道中心线与下部巷道7的巷道中心线成30°角，该水平斜巷14的作用主要是临时储存渣石以及方便各小天井2中渣石的运出；下部巷道7是为小天井2和辐射状锥形井8提供出渣通道，同时保证下部巷道7能够联通硐室1外部与水平斜巷14且下部巷道7的巷道中心线与硐室1中心线在水平方向相距3m；

3)挖设小天井群2

图2是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法的硐室中心线方向的剖视图。如图2所示，根据设定的小天井群2的位置采用反天井施工法从水平斜巷14的顶部垂直向上挖设所设定数量的小天井群2。需要注意的是每掘进一茬炮，由技术人员进行放线，保证小天井群2的垂直度。每掘进一茬炮在井壁上打锚杆，在锚杆上挂铁梯并把梯子固定在锚杆，进行人员上下。在距掘进工作面2米井壁两对面各打锚杆3根，在锚杆上铺5cm厚木板作为凿岩工作平台9，并在平台9上打好锚杆，作为下茬炮挂梯子、架平台用。

4)扩刷小天井群2形成辐射状锥形井群8并进行临时支护

图4是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法中小天井扩刷形成辐射状锥形井的施工顺序图。其施工顺序为A→B→C→D。如图4所示，从第一小天井3的凿岩工作台9上，施工人员以坡角为35°斜向上打炮眼，将第一小天井3扩刷形成第一辐射状锥形井10，然后再依次斜向上扩刷第二小天井4、第三小天井5、第四小天井6直至形成第二辐射状锥形井11、第三辐射状锥形井12、第四辐射状锥形井13并进行临时支护。

5)在硐室1临空面一侧安设爬梯及安全护栏，确保其人员出入辐射状锥形井群8安全，同时通风管路也由硐室1临空面进入辐射状锥形井群8，采用独头通风。

6)人站在辐射状锥形井群8的渣堆上从反向逐层斜向上扩刷拱顶部份，刷大角度以45°角为宜，刷帮过程中视作业面下方渣量确定小天井群2下口的出渣量，为确保安全,下部出渣过程中上部严禁作业。拱顶施工至设计顶板时及时进行临时支护后方可进行下一个循环的掘进工作，当拱顶开挖完成5m左右时进行永久支护

图5是本发明示例的一种高大硐室的辐射式与台阶式的混合施工法中反向逐层斜向上扩刷拱顶部份的施工顺序图。其施工顺序为E→F→G→H→I→J。如图5所示，首先将第一辐射状锥形井10进行拱顶刷大，人站在渣堆上以45°刷大角反向逐层斜向上扩刷拱顶部份(过程中下部巷道7适量出渣)并且进行拱顶支护见图5E。其次再将第二辐射状锥形井11进行拱顶刷大，人站在渣堆上以45°刷大角反向逐层斜向上扩刷拱顶部份(过程中下部巷道7适量出渣)并且进行拱顶支护见图5F。然后再将第三辐射状锥形井12进行拱顶刷大时，人站在渣堆上以45°刷大角反向逐层斜向上扩刷拱顶部份(过程中下部巷道适量出渣)并且进行拱顶支护见图5G。最后将第四辐射状锥形井13进行拱顶刷大，人站在渣堆上以45°刷大角反向逐层斜向上扩刷拱顶部份(过程中下部巷道7适量出渣)并且进行拱顶支护见图5H。其中拱顶掘进后产生的渣石全部通过小天井群2下放，通过水平斜巷14进入下部巷道7进而运出硐室1外，硐室1拱顶掘支全部完成后，适当出渣下放渣石的高度，工人站在渣石上继续依次以35°～45°坡角钻眼并爆破扩刷小天井群2见图5I，直至硐室1下部高度适合于正台阶施工法高度为止见图5J(本发明专利为6m)。

8)硐室1下部施工并支护直至整个硐室1的施工完成。

图6是拱顶掘支完成后，硐室下部采用正台阶法施工顺序。其施工顺序为K→L→M→N→O→P→Q,由图6可知上述所有步骤完成后，将所有辐射状锥形井群8的渣石全部运出硐室1外，然后硐室1下部采用正台阶法施工顺序，墙部扩刷从上至下(即由K至Q)进行，并从硐室1倒碴侧向出碴侧分段分层扩刷推进，分层高度不大于2m，分段长度视情况而定，一般不大于10m，以每次爆破炸药量不超过40kg，人员作业方便(碴石面不低于扩刷作业面1m)为宜，每次扩刷后，必须及时进行临时支护，每次临时支护高度不得大于2m，扩刷至硐室1端墙时要及时将端墙临时支护好。当岩石条件较好时，下部混凝土采用一次浇筑；当岩石条件较差时，下部混凝土分上下二次浇筑。

当正台阶施工至整个硐室底部的岩石均被挖空且渣石被运走，则完成硐室的施工。

综上所述，本发明专利具有出渣成本低、出渣工艺简单、安全环保等特点，并且能够降低施工成本、降低安全风险且硐室质量容易控制，具有良好的社会效益和经济效益。