随着全球经济的发展和工业化进程的加速，对金属矿石的需求持续增长，这使得金属矿开采不断向深部扩展[1-3]。随着采矿深度的增加，给井下矿石拉运带来了极大的挑战，尤其是爆破作业导致井下大块石增多，进一步增加了矿石拉运的难度。因此，有必要在采深增加的同时，及时修建破碎站以增加矿石处理效率[4-5]。

金川二矿区位于甘肃省金昌市，地处龙首山北麓，阿拉善台地南缘，承担着金川矿业集团近70%的内部原料供给任务，目前产量稳定在400万t以上，是我国有色金属行业规模最大且机械化程度较高的使用充填采矿法开采的矿山之一[6-8]。因此，金川二矿区的安全高效生产不仅能保障所属集团的正常运转，也可为我国铜镍矿资源安全稳定开采提供参考。随着二矿区持续向深部开采，及时修建深部破碎硐室对提高其采矿效率、降低采矿成本至关重要。

井下破碎站是地下工程中的重要设施，其建设的主要目的是将采矿过程中开挖出的大块岩石或矿石破碎成适合运输和处理的小块，以便运输和处理，提高采矿效率，降低生产成本[9-11]。同时，井下破碎站还可对矿石进行除杂等预处理，不仅有助于提高矿石品质，还可提升矿石后续处理效率[12-13]。此外，井下破碎站可将岩石破碎作业集中于专门设施中，这有效减少了工人暴露于潜在危险环境中的时间，降低了矿山安全事故发生的风险，符合矿山安全建设的要求[14-15]。结合金属矿深部开采的特点和金川二矿区的地位，井下破碎站的建设不仅能够提高二矿区的生产效率，还能够有效保障井下工作人员的安全，是保证二矿区安全高效施工的重要措施。

首先，在井下破碎站施工前需开展可行性研究，包括矿山地质勘察、设备选择和矿石处理工艺评估等内容。其次，确定可行性后再开展详细设计和规划，包括破碎站的布局、设备安装选址、通风系统设计、排水系统设计、电力供应系统设计等。然后，进行井下工程开挖，以创造足够的空间来容纳设备和矿石处理设施[16-17]。井下工程开挖是破碎站建设的重点，必须制定详细的设计与施工方案，确保井下破碎站建设施工的安全，通常涉及钻孔、爆破及支护作业。最后，井下破碎站开挖并支护完成后可安装井下破碎站所需的设备，包括破碎机、输送带、筛分设备、除尘系统等。我国宝山矿是最早建设井下破碎站的矿山之一，其破碎站采用颚式破碎机和复合破碎机对废石进行两级破碎，搭配脱水网格振动筛取得了较好的破碎效果[18-19]。宝山矿破碎站建设时曾面临矿体赋存条件复杂、岩石节理裂隙发育以及岩体稳定性差等问题，但经过严格论证和实地勘察，最终给出了科学合理的设计方案，为相关工程设计提供了参考[20]。

基于此，金川二矿区拟在610 m水平建设井下破碎站，然而其工程地质条件极其复杂，方案设计和施工作业难度较大。本研究基于现场工程调研，结合工程地质调查和地质勘探结果，以安全高效和经济合理为原则，制定了破碎硐室施工方案，以期为同类型工程提供技术指导和借鉴。

1、工程背景

金川二矿区深部开采工程破碎站位于610 m水平，埋深约1 200 m, 由主斜坡道进入破碎站，硐室上部为650 m、610 m水平的卸矿矿仓，硐室下部两条转载胶带道横穿其底部，东北侧为主斜坡道去往S1胶带斜井尾部的联络道，西南为斜坡道与700 m人行井、S1胶带斜井中部的联络道，东南侧为S1胶带斜井工程。具体工程布置见图1和图2。

破碎站的基本情况介绍如下。

(1) 工程概况。

二矿区深部开采工程破碎站位于二矿区主斜坡道610 m水平，主要服务于二矿区700 m中段矿石开采破碎，主要包括破碎硐室、振动放矿机硐室、破碎机基础、破碎站收尘硐室等，破碎站设计总工程量为3 387.3 m3,支护量为871.3 m3,其中破碎硐室最为重要且复杂，掘进断面宽×高为9.0 m×12.4 m, 采用100 mm单层喷锚网+锚索+600 mm双筋砼支护，总支护厚度为700 mm。

(2) 施工条件。

根据附近工程岩石揭露情况以及勘察钻孔岩芯分析，硐室围岩以变质花岗岩、片麻岩(层间含绿泥石)为主，岩层走向北偏西51°(垂直于硐室轴线),岩层向南西方向倾斜(平行于硐室轴线),初步预测该区域岩石条件整体稳定性较差，岩石节理发育，施工过程易片帮冒顶；破碎硐室四周工程密布，与相邻工程衔接复杂，上部两条矿仓与其贯通，下部转载胶带横穿底部，四周主斜坡道联络道、S1胶带斜井等工程距离破碎硐室不超过30 m。

图1 610 m破碎站平面布置示意

图2 610 m破碎站剖面示意

(3) 存在的主要问题。

二矿区610 m破碎硐室属地下矿山开拓中的大工程，加上周边工程地质条件复杂、岩体稳定性较差以及岩体工程密度较大，对整个破碎站的稳定性造成了不利影响，并增加了施工的技术复杂性。该硐室的开挖方案直接决定了施工的经济性和安全性，因而，需要探究合理、安全、高效的开挖方案。

2、技术方案与实施

2.1 设计思路

基于现场工程调研，结合工程地质调查以及地质勘探等手段，并查阅和广泛调研国内外相关工程的施工技术资料，本着安全高效、经济合理的原则，制定了破碎硐室施工方案，即采用上斜坡接力导硐法施工。具体的施工思路为：从大件道上斜坡接力导硐至硐室顶部后分层、分区下刷完成硐室施工。开挖方案确定后，对施工工序、技术参数及防护措施工程施工进一步完善和调整，确保施工与周边相邻工程顺序衔接。

2.2 技术实施

2.2.1 施工方案

破碎硐室施工分3个分层进行，其中一分层高度为4.2 m, 二分层高度为3.5 m, 三分层高度为4.7 m。两次导硐施工至硐室右侧拱顶，导硐断面宽×高为4 m×3.75 m, 采用临时支护，支护形式为双层喷锚网+U型钢拱架支护，净断面宽×高为3.5 m×3.5 m, 再由上向下逐层扩刷。具体施工方案如图3所示。

(1) 施工工序。

为了方便行人，满足废石稳定且不出现自然滚落伤人，需要降低第一导硐的坡度，同时要满足行人和材料运输。经过计算，斜坡道施工至距离破碎硐室边墙7.373 m开始起坡，起坡角度为22°26′51″(参考了金川矿区竖井斜绳道的坡度角)。第一导硐按照设计坡度上向施工至破碎硐室中心与第二导硐重合位置；然后，向右侧上向沿破碎硐室中心方向施工第二导硐，坡度不变；接着，从大件道开始上斜坡导硐至硐室二分层中心位置，再向硐室一端头接力上斜坡导硐施工至硐室一分层位置；最后，从上至下依次分层扩刷，直至硐室完成掘进。

(2) 凿岩爆破方式。

采用普通凿岩爆破法施工，起爆药包采用电子数码雷管起爆；爆破后采用50 mm素喷射混凝土封闭岩面，再进行单层喷锚网支护。

(3) 出毛方式。

选择电动耙矿绞车配合铲车出毛。首先，在大件道起坡点位置巷道上方3 m高处埋设两根Ⅰ25 a工字钢，间距为1.2 m, 铺设厚度为δ5 mm的花纹钢板作为耙矿绞车操作平台；安装一台P60 B电动耙矿绞车，硐室开挖产生的废石通过耙矿绞车导向拉运至大件道起坡位置；再由6 m3铲车将废石毛石铲运至斜坡道毛仓集中装车运输。

(4) 辅助设施。

施工用风、水、电动力管线可通过导硐引入硐室作业面，施工期间可重复使用；采用机械压入式通风，选用37 kW轴流式风机，连接Φ600 mm胶质软风筒，通过上斜坡引入作业面，改善作业环境；施工人员、设备、材料通过上斜坡导硐进入作业面，较大件的材料或设备可利用耙矿绞车进行辅助运输。

图3 上斜坡接力导硐示意

2.2.2 破碎硐室上斜坡接力导硐法施工参数

破碎硐室上斜坡接力导硐法施工参数优化设计包括如下4个方面。

(1) 导硐断面的选择。

导硐作为硐室开挖的通道，断面选择不宜过大，避免导硐施工过程中对破碎硐室周围岩石产生较大扰动，断面选择越大，导硐的围岩松动圈越大，对硐室扩刷影响越大。因此，导硐断面选择不大于4 m×4 m(宽×高)。同时由于导硐后期作为人员、设备、材料的通道，要考虑风筒架设、耙矿绞车出毛等因素，断面也不宜过小，以大于3 m×3 m为宜。最终确定开挖断面为4 m×3.75 m(宽×高),导硐支护采用常规的双层喷锚网+U36型钢拱架支护形式，净断面为3.5 m×3.5 m。导硐支护厚度共计250 mm, 选用Φ22 m×2.25 m螺纹钢锚杆，采用长×宽为2.15 m×1.5 m的Φ65 mm的钢筋网片，网度为150 mm×150 mm, 垫板尺寸为200 mm×200 mm×δ10 mm, 喷射混凝土强度C25。

(2) 导硐坡度的确定。

首先，应考虑掘进工程中的施工安全，如果坡度太大，爆破后的毛石可能会向下滑动，该坡度必须小于岩石的自然安息角，即35°。其次，导硐后期将作为人员通行的通道，坡度不能太大，根据斜绳道等施工经验，坡度不宜大于36°(参照人行井斜绳道)。同时，尽可能减小大件道与破碎硐室墙体连接位置的巷道高度，保证硐室的整体稳定性。因此，导硐坡度需进一步减缓，同时兼顾第一、第二导硐的长度。综合各项技术参数，确定导硐的坡度为22°26′51″。

(3) 分层高度的确定。

硐室分层高度主要受导硐坡度影响，根据硐室与大件道连接位置巷道高度不得超过2.5 m的要求，结合导硐坡度，从硐室帮墙退后7.373 m位置进行导硐起坡，至硐室中心位置导硐底板高度为4.7 m, 即：三分层高度确定为4.7 m, 二分层高度与导硐净高度保持相同，为3.5 m, 剩余4.2 m部分为一分层高度。

(4) 开挖区域的划分。

分层高度确定后，根据导硐位置、支护工艺以及出毛方式，将每个分层划分为若干个区域依次开挖，一分层施工划分为7个区域，二分层施工划分为7个区域，三分层施工划分为5个区域。

2.2.3 破碎硐室施工顺序和工序优化调整

基于破碎硐室的重要性，对破碎硐室施工顺序、工序优化调整如下。

(1) 导硐施工。

导硐施工(见图4)从大件道退后7.373 m位置以22°26′51″的坡度进行施工，前掘13.2 m到达二分层底板；然后向右侧方向接力施工第二导硐，坡度与第一导硐保持一致；掘进9.4 m到达三分层底板，然后水平施工至破碎硐室右侧端墙部，水平施工长度为4.537 m。考虑到此时硐室断面较大，拱部暴露面也较大，存在片冒风险，采取及时进行喷锚网支护和跟进长锚索支护的加强支护措施。

图4 导硐及扩刷示意

(2) 一分层扩刷。

一分层分为7个区域进行扩刷，导硐的正上方位置确定后为区域Ⅰ,宽度为3.5 m, 左右两侧分别确定为区域Ⅱ、Ⅲ(见图5),区域Ⅱ、Ⅲ宽度为2.75 m、长13.2 m; 硐室一分层左侧根据施工顺序划分为4个区域，其中区域Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ分别对应区域Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ,长宽基本与右侧保持一致。开挖顺序为：先反向扩刷区域Ⅰ拱部，然后自区域Ⅱ、Ⅲ(同时扩刷)按顺序扩刷至区域Ⅶ。在区域Ⅱ、Ⅲ扩刷时应注意，两侧扩刷4.5 m左右(图5A区块),停止前掘进行破碎硐室顶部加强支护措施，硐室加强支护完毕后，分次进行扩刷并加强支护，直至硐室右侧全部扩刷完毕；区域Ⅵ、Ⅶ以阶梯形式进行扩刷，与硐室右侧开挖方式一致，扩刷4.5 m左右(图5中G、H区块),停止前掘进行硐室顶部加强支护，后进行分次、分区域扩刷直至硐室全部扩刷完毕。

图5 一分层扩刷示意

(3) 二分层扩刷。

二分层施工划分为7个区域(见图6),区域划分与一分层大体一致，不同点在于将二分层导硐继续前掘形成区域Ⅳ,为二分层两侧扩刷创造条件，最后左右各分为3个区域进行开挖。施工顺序为区域Ⅳ至区域Ⅰ至区域Ⅱ、Ⅲ,硐室右侧开挖完毕后进行硐室墙部加强支护措施，然后开挖硐室左侧，左侧开挖顺序为区域Ⅵ至区域Ⅴ、Ⅶ,最后进行硐室剩余墙部加强支护措施施工。

图6 二分层扩刷示意

(4) 三分层扩刷。

三分层开挖已具备无轨施工条件，区域划分较为简单。三分层施工划分为5个区域(见图7),先沿大件道方向开挖形成区域Ⅲ,然后利用铲运机左右开挖形成区域Ⅱ、Ⅳ,便于铲运机调头，然后进行硐室里侧墙部加强支护，最后开挖剩余区域Ⅰ、Ⅴ,完成硐室剩余支护措施实施。

图7 三分层扩刷示意

2.2.4 破碎硐室及其防护措施工程支护设计

破碎硐室及其防护措施工程优化支护设计方案如下。

(1) 导硐施工阶段。

导硐虽为破碎硐室开挖的防护措施工程，但后期将作为人员、设备、材料及系统的通行通道，尤为重要，因此提高了该防护措施工程支护强度等级，采用双层喷锚网+U型钢拱架+超前棚支护，施工时根据作业面揭露的岩石情况适当进行补强。

(2) 导硐反刷阶段。

导硐反刷时安全风险最高，容易造成导硐通道堵塞，尤其在导硐接力位置，因扩刷高度高、两墙暴露面积大，为控制该部分施工风险，采用木棚支护，木棚与顶部空隙之间采用刹帮木刹紧，防止该区域冒落。

(3) 一分层扩刷阶段。

破碎硐室采用单层喷锚网+长锚索+钢筋混凝土浇筑支护方式，其中钢筋混凝土与矿仓整体浇筑，在硐室开挖完毕之后整体实施，因此施工期间仅为单层喷锚网+长锚索支护，对于井下超大硐室来说支护强度较低，需要加强支护措施。硐室扩刷时增加二次喷锚网支护，为确保硐室稳定性，硐室开挖后及时进行壁后注浆加固，支护顺序为单层喷锚网—二次喷锚网—壁后注浆—长锚索。最后为防止硐室墙部开挖后拱顶灰皮开裂，拱部位置增加加密网支护，加密网支护锚杆以注浆锚杆代替，空隙较大位置补打锚杆。

(4) 二、三分层扩刷阶段。

破碎硐室墙部与拱部支护措施保持一致，新增二次喷锚网支护，壁后注浆加固，可不进行加密网支护。

(5) 破碎硐室混凝土浇筑阶段。

待650 m、610 m水平卸矿矿仓与破碎硐室贯通且破碎硐室开挖完毕后，硐室与矿仓底部结构整体进行浇筑。破碎硐室采用一次性整体浇筑，采用钢管支架作为套砼模板的支撑体系，同时也可用作人员作业平台及人行通道，安全可靠。

2.2.5 破碎硐室施工期间的系统保障

为确保施工顺利，设置破碎硐室施工期间的系统保障如下。

(1) 通风系统。

目前主斜坡道通过2×37 kW风机从700 m水平安装2趟Φ800 mm风筒进行通风，破碎站导硐施工期间不具备架设风筒条件，从主斜坡道大件道岔口安装三通，将其中一趟风筒引入破碎站，解决通风问题。后期人行井610 m联络道与斜坡道贯通后，在斜坡道岔口架设1台2×11 kW风机解决破碎站通风，将风筒通过导硐引入作业面。

(2) 出毛系统。

破碎站施工期间采用电动耙矿绞车+铲运机接力出毛方式(见图8)。首先，在大件道导硐起坡位置拱顶安装1台电动耙矿绞车，破碎硐室内毛石通过耙矿绞车导向拉至大件道口。然后，铲运机铲至620 m水平毛仓，后期一分层扩刷时则在硐室内部增加1台电动耙矿绞车，通过接力形式将毛石耙至大件道。最后，通过铲运机运输。

(3) 动力系统。

破碎站施工前，已对该区域动力系统进行改造。新建650 m水平临时变电所，距作业面约260 m, 施工用电均可从该变电所引接。为应对深部工程风压不足，在700 m水平安装2台空压机为深部工程供风。

(4) 辅助设备。

破碎站施工期间大部分设备为矿山常用设备，如风机、电动耙矿绞车、铲运机等库房均有备用，需要新增长锚索施工设备(锚索长度10 m需专用设备),采用KQD-100 B型电动潜孔钻机、ZS-100 B型独立回转式潜孔钻机进行长锚索孔施工。为降低爆破对破碎站岩石的影响，投入机器人辅助进行硐室开挖。

图8 毛石转运示意

2.2.6 破碎硐室施工与相邻工程的衔接

破碎硐室施工与相邻工程的衔接安排如下。

(1) 与603m转载胶带道施工衔接。

603 m转载胶带道施工进度较快，在破碎站扩刷一分层过程中要完成转载胶带道横穿破碎硐室，上下交叉位置采取加强支护措施，增加U型钢拱架及锚注支护，然后破碎硐室扩刷其二、三分层。

(2) 与650m、610 m水平卸矿矿仓施工衔接。

破碎站与矿仓施工交错进行，破碎站先施工硐室右侧，待650 m水平1#矿仓施工至破碎站时，破碎站则转入二分层右侧扩刷，完成贯通；待650 m水平2#矿仓施工至破碎站时，调整施工顺序，破碎站进行硐室二分层左侧开挖；以上施工顺序需及时调整，将两工程的施工影响降至最低。

(3) 与主斜坡道及其联络道、S1胶带斜井工程距离较近工程。

破碎站与上述工程仅平面距离较近，没有直接相通，因此在施工过程中，也不牵扯其先后施工顺序以及工序。但与上述工程要做好交叉作业影响因素的处理：爆破作业相互进行书面爆破警戒确认，爆破时安排专人进行爆破警戒且警戒位置应合理；在合理位置设置警戒区，避免人员相互进入施工作业面；车辆运行划区域管理，避免违反安全施工条款。

2.2.7 工程实施

在上述施工方案指导下，金川二矿区610 m水平开展了破碎站施工与建设，建设过程见图9(a),完工后的支护效果见图9(b)。由图9可知，由于施工方案以及支护方案合理，施工后的硐室稳定性较好，未出现支护体开裂或混凝土支护层开裂的情况。本文提出的深部破碎站高效施工技术突破了在工程地质复杂、岩体稳定性差和岩体工程密度大等条件下施工难度大、成本高等技术难题，可为相关领域提供技术指导和借鉴。

图9 二矿区井下破碎站施工与支护效果

3、结论

金川二矿区拟在610 m水平建设井下破碎站，本文针对其面临的复杂工程地质条件以及密集的岩体工程，提出了安全高效且经济的破碎硐室施工方案，具体结论如下。

(1) 采用上斜坡接力导硐法施工，从大件道上斜坡接力导硐至硐室顶部后分层、分区下刷完成硐室施工，解决了各工序的衔接问题；同时针对施工工序、技术参数及措施工程施工进一步完善，确保了破碎硐室施工与周边相邻工程的顺利衔接。

(2) 提出了一套适用于深部复杂、破碎岩体工程的大硐室高效支护技术。在破碎站扩刷过程中，上下交叉位置采取加强支护措施，增加U型钢拱架及锚注支护；破碎硐室采用单层喷锚网+长锚索+钢筋混凝土浇筑支护方式，一次性整体浇筑。

由于施工方案以及支护方案合理，最终支护效果良好，并未出现支护体开裂失稳等问题。本文提出的深部破碎站高效施工技术突破了在工程地质复杂、岩体稳定性差和岩体工程密度大等条件下施工难度大、成本高等技术难题，可为相关领域提供技术指导和借鉴。

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基金资助:国家重点研发计划项目(2018YFC1900603,2018YFC0604604);

文章来源:刘富堂,齐鹏,周伟杰,等.金川二矿区深部破碎站安全高效施工技术研究[J].矿业研究与开发,2024,44(08):8-14.