矿山大断面采矿巷道分步开挖与临时支护协同施工工艺研究

引言：在矿山开采中，大断面采矿巷道对于矿石运输、设备通行以及通风等起着关键作用。然而，大断面巷道施工面临着诸多挑战，如围岩应力集中、变形量大、易发生冒顶片帮等安全事故，传统施工方法难以有效应对这些问题。分步开挖与临时支护协同施工工艺作为一种创新的施工模式，能够根据围岩特性和施工条件，合理规划开挖顺序并及时提供有效支护，对于保障大断面采矿巷道施工安全与质量具有重要意义。

一、大断面采矿巷道施工特点与挑战

1.1 施工特点

大断面采矿巷道具有断面尺寸大、跨度高、服务年限长等特点。其施工往往涉及多种作业工序，如爆破、出渣、支护等，各工序之间相互关联、相互影响。同时，由于断面大，施工空间开阔，对施工设备和人员调配提出了更高要求。

1.2 面临的挑战

大断面巷道开挖后，围岩应力重新分布，在两帮和顶板处易形成高应力集中区，导致围岩变形破坏严重。传统的全断面一次开挖方式，会使围岩暴露面积过大，应力释放过快，增加了施工安全风险。此外，大断面巷道支护难度大，若支护不及时或支护强度不足，极易引发围岩失稳，影响施工进度和巷道使用寿命。

二、分步开挖与临时支护协同施工原理及优势

2.1 协同施工原理

分步开挖是将大断面巷道划分为若干个小断面进行分步施工，通过控制每次开挖的断面尺寸，减少围岩暴露面积，降低应力释放速度，从而减小围岩变形。临时支护则是在开挖过程中及时对围岩进行支撑，增强围岩的稳定性，防止围岩发生过大变形和破坏。分步开挖与临时支护协同施工就是将两者有机结合，根据围岩变形规律和施工进度，合理安排开挖步骤和临时支护时机，实现安全、高效的施工。

2.2 协同施工优势

该工艺能有效控制围岩变形，减少冒顶片帮等安全事故的发生，保障施工人员和设备的安全。同时，分步开挖可使施工设备充分发挥作用，提高施工效率。临时支护为后续永久支护创造了有利条件，有利于保证永久支护质量，延长巷道使用寿命。此外，协同施工还能根据实际情况灵活调整施工参数，适应不同地质条件下的施工需求。

三、分步开挖与临时支护协同施工工艺流程

3.1 开挖步骤划分

根据巷道断面尺寸和地质条件，将大断面巷道划分为 2 - 3 个小断面进行分步开挖。一般先开挖巷道底部，形成一定的工作平台，为后续施工提供便利。然后依次开挖两侧帮和顶板，每次开挖深度控制在 1-2m 左右，具体根据围岩稳定情况确定。开挖过程中采用光面爆破技术，减少对围岩的扰动。

3.2 临时支护方式选择

常用的临时支护方式有锚杆支护、锚索支护、钢拱架支护等。对于围岩稳定性较好的地段，可采用锚杆支护，通过锚杆的锚固作用，将围岩与支护结构连接成一个整体，提高围岩的自承能力。在围岩较破碎或应力较大的地段，可采用锚索支护，锚索具有更强的锚固力和更大的锚固范围，能有效控制围岩变形。钢拱架支护则适用于围岩极破碎或变形较大的情况，钢拱架具有较强的刚度和承载能力，能迅速提供支护阻力，防止围岩垮落。

3.3 临时支护实施

在每步开挖完成后，及时进行临时支护。对于锚杆支护，先按照设计要求钻孔，然后安装锚杆并注入锚固剂，使锚杆与围岩紧密结合。锚索支护的施工流程与锚杆类似，但锚索的长度和直径较大，安装时需使用专用设备进行张拉。钢拱架支护时，先将钢拱架在地面预制好，然后通过起重设备将其吊运至工作面进行安装，钢拱架之间通过连接板连接牢固，并与围岩之间用木楔塞紧，确保支护效果。

3.4 永久支护施工

在临时支护的保护下，进行永久支护施工。永久支护一般采用混凝土喷射或浇筑的方式，根据设计要求确定混凝土强度等级和支护厚度。喷射混凝土施工时，要控制好喷射距离、角度和速度，确保混凝土均匀密实。浇筑混凝土则需先安装模板，然后进行混凝土浇筑和振捣，保证混凝土质量。

四、实际工程案例分析

4.1 工程概况

某金属矿山大断面采矿巷道，断面尺寸为 6m×5m （宽 × 高），巷道服务年限长，地质条件复杂，围岩以砂岩和泥岩为主，局部存在断层和破碎带。

4.2 施工工艺应用

采用分步开挖与临时支护协同施工工艺，将巷道分为底部、两侧帮和顶板三步开挖。在围岩稳定性较好的地段，采用锚杆临时支护，锚杆间距为1m×1m ；在断层和破碎带地段，采用锚索和钢拱架联合临时支护，锚索间距为

1.5m×1.5m ，钢拱架间距为 1m 。每步开挖完成后立即进行临时支护，待临时支护完成后进行下一步开挖。在临时支护的保护下，进行混凝土喷射永久支护，喷射混凝土厚度为 150mm_⨀ 。

4.3 施工效果

通过应用该协同施工工艺，有效控制了围岩变形，巷道顶板下沉量最大为50mm ，两帮移近量最大为 60mm ，均满足设计要求。施工过程中未发生冒顶片帮等安全事故，保障了施工人员的生命安全。同时，施工效率得到显著提高，与传统施工方法相比，工期缩短了 20% 左右。此外，永久支护质量良好，巷道使用至今未出现明显的损坏现象，延长了巷道的使用寿命。

结论

矿山大断面采矿巷道分步开挖与临时支护协同施工工艺是一种科学合理的施工方法。通过分步开挖减小围岩暴露面积，降低应力释放速度，结合及时有效的临时支护，能够有效控制围岩变形，保障施工安全，提高施工效率，保证永久支护质量。实际工程案例验证了该工艺的可行性和有效性，为类似工程提供了宝贵的经验。未来，随着矿山开采技术的不断发展，分步开挖与临时支护协同施工工艺将进一步完善和优化。可以结合数值模拟和监测技术，更加精确地掌握围岩变形规律，优化开挖步骤和支护参数。同时，研发新型高效的支护材料和设备，提高施工自动化水平，进一步提升该工艺的施工效率和质量，为矿山安全生产和可持续发展提供更有力的支持。

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