斜井表土粘土層凍結(jié)法施工巷道支護方案優(yōu)化探討

文/楊廣祥

斜井表土粘土層凍結(jié)法施工巷道支護方案優(yōu)化探討

文/楊廣祥

新汶礦業(yè)集團內(nèi)蒙能源公司長城五號礦井井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗西約70km處，屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯上海廟煤田西部芒哈圖勘查區(qū)，本區(qū)位于毛烏素沙漠西南邊緣，呈低緩丘陵地貌，西低東高，最低點位于井田西部，海拔標(biāo)高為1200m，最高點位于井田中部，海拔標(biāo)高為1238.7m，最大高差38.70m。本文針對長城五號礦井主、副斜井新近系粘土含水層支護方式提出優(yōu)化方案，結(jié)合凍結(jié)法施工工藝，設(shè)計并提出以錨網(wǎng)噴代替U型棚支護方案，通過兩幫移近量、頂板下沉量、錨桿受力情況的觀測來檢驗支護效果。實踐證明，優(yōu)化方案簡化了支護工藝，較好地實現(xiàn)掘砌平行作業(yè)，加快了井筒掘砌速度，對于蒙西南地區(qū)表土層粘土段凍結(jié)井筒施工具有較高的參考價值。

一、地質(zhì)和工程概況

1．地質(zhì)概況

新近系(N)。地表未見出露，全層厚度76.00～231.36m，平均厚度164.23m。據(jù)鉆孔揭露，上、中部為棕紅色半膠結(jié)紅土層，由砂質(zhì)粘土夾少量礫石組成，下部為棕紅色亞粘土夾石膏薄層，底部為淺紫灰色半膠結(jié)砂礫層，礫石成分以石英巖、灰?guī)r為主，厚度8.00～20.00m，平均厚度14.92m。與下伏地層為不整合接觸。

第四系（Q）。全區(qū)廣泛發(fā)育，厚度為7.70～38.00m，平均21.87m。頂部為現(xiàn)代風(fēng)積沙丘及沙土層，中部為黃土層，由灰黃色亞粘土、亞沙土組成，底部為河流沖積的松散砂礫石層，其厚度發(fā)育不均，一般為0.70～5.50m，井田北部地表為固定沙，南部為半固定沙。與下伏地層為不整合接觸。

2．工程概況

主副斜井自埋深113m～208m表土段地層采用凍結(jié)法施工。斜井凍結(jié)段井筒支護采用雙層井壁，外層井壁采用“掛網(wǎng)+U型鋼棚+噴漿”支護方式，噴射厚度200mm，噴射混凝土強度C20；內(nèi)層井壁采用鋼筋混凝土砌碹支護，砼強度C55，并摻入水泥用量8%～10%的JQ-P5型早強抗裂防水劑。

二、錨網(wǎng)噴支護方案設(shè)計

1．錨桿支護

由于井筒斷面較大，工作面按原設(shè)計支護方式掘進中暴露出諸多問題，一是25U型鋼棚比較重，架設(shè)困難；二是架設(shè)25U型鋼棚跟迎頭掘進易被爆破作業(yè)打變形，從而出現(xiàn)倒棚現(xiàn)象；三是嚴(yán)重制約施工速度，工期不能按計劃進行。通過后位補打錨桿支護實驗的效果顯示（即在已架設(shè)好的U型鋼棚之間的巷壁打安錨桿做拉拔力試驗），以“錨網(wǎng)噴”替代架設(shè)25U型鋼棚支護可有效達(dá)到設(shè)計支護的強度要求。

2．可行性分析

實際的凍結(jié)效果為：副斜井凍結(jié)段為新近系粉紅色粘土、砂質(zhì)粘土、砂層和礫石層，沿井筒施工方向布置五排凍結(jié)孔，兩邊排孔的孔距為9m，巷道中線距兩邊排孔4.5 m，凍結(jié)壁厚度為頂板6.5m，底板5.5m，兩幫3.1m。實際揭露，地層經(jīng)凍結(jié)后凍土凍結(jié)良好，迎頭爆破開掘后凍土穩(wěn)定，井壁溫度都在-12℃以下，最低溫度達(dá)到-17℃。

根據(jù)以上情況分析認(rèn)為，井壁凍結(jié)后凍土穩(wěn)定性較好，可采用錨網(wǎng)噴支護，維護到永久井壁澆筑成井。

3．支護參數(shù)

采用全螺紋等強錨桿。共布置錨桿17根，拱頂及兩肩窩共7根，錨桿規(guī)格為Φ20mm×1400mm，錨固深度700mm，間、排距800× 800mm；肩窩向下到墻角兩幫井壁各布置5根，錨桿規(guī)格Φ20× 800mm，錨固深度700mm，間、排距900×800mm；

采用MSK2370型樹脂錨固劑進行錨固；

金屬網(wǎng)采用Φ6.5mm鋼筋加工而成，規(guī)格1m×3m，網(wǎng)格尺寸100mm×100mm，搭接壓茬100mm；

噴射混凝土強度為C20，噴射厚度為100mm；

錨桿的錨固力100kN，錨桿預(yù)緊力不低于400N·m。

巷道支護斷面圖如圖1所示。

圖1巷道支護斷面圖

4．采取的措施

（1）加強爆破管理，優(yōu)化爆破參數(shù)，減少爆破影響。增加周邊孔個數(shù)，減少周邊眼裝藥量，盡量達(dá)到光面爆破，減少對凍土層影響，尤其是注意減少超挖量。

（2）嚴(yán)格控制錨桿位置和眼深。為防止墻部錨桿施工時打穿邊排凍結(jié)孔和錯用長鉆桿，必須嚴(yán)格控制錨桿位置和眼深，打錨桿孔前必須由專人點眼，并固定專人和專用鉆桿打錨桿孔。對爆破后超挖或片幫處必須經(jīng)過噴漿補齊后再打錨桿。

（3）及時進行噴漿支護。錨網(wǎng)后及時進行噴漿，防止凍土層融化后片落。噴漿時與兩墻同時噴起來，以增加噴漿面積，提高整體支護效果。

（4）優(yōu)化施工工序安排，噴漿后進行出矸、打炮眼工作，給噴漿體留出足夠凝固時間，凝固好以后再進行爆破作業(yè)。

（5）反復(fù)多次進行噴漿，達(dá)到理想效果。一次噴漿達(dá)不到200mm厚度，須進行復(fù)噴漿，尤其是對爆破震掉的噴體部位，進行補噴，保證噴漿質(zhì)量。

（6）要備有注漿管、樹脂等堵漏材料。若打破鹽水管要及時按上注漿管關(guān)閉上部鹽水干管閥門，廢孔及時用樹脂封孔。

三、施工過程及效果

1．施工過程

爆破后先蹬矸對頂板進行錨網(wǎng)噴支護，拖后3～5m對拱肩及兩墻上部進行錨網(wǎng)噴支護，拖后5～10m對已出矸石后的兩墻下部進行錨網(wǎng)噴支護，以此類推向前隨掘進隨進行錨網(wǎng)噴支護，迎頭后10～20m噴漿達(dá)到設(shè)計厚度。

2．實施效果

施工中為保證錨網(wǎng)噴支護效果，應(yīng)盡可能降低凍土層溫度，延長凍土暴露的時間，以增加有效施工空間，為大循環(huán)平行作業(yè)創(chuàng)造條件。

采用“錨網(wǎng)噴+噴漿”支護方式，其優(yōu)點是減少了架棚施工環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)迎頭掘進、復(fù)噴工序平行作業(yè)，提高施工效率，加快掘進速度。采用該方式，巷道造價比原支護方式降低，且施工速度有顯著提高。

四、支護效果現(xiàn)場監(jiān)測和結(jié)論

為檢驗支護效果，長城五號礦井施工人員對主、副斜井凍結(jié)段巷道變形量進行了觀測。主副斜井凍結(jié)段典型的水平收斂變形歷時曲線見圖2。

圖2開挖后典型收斂變形曲線

巷道的變形監(jiān)測主要通過收斂計進行井幫移近量的監(jiān)測。井筒開挖后，在主副斜井粘土層錨網(wǎng)噴支護段每隔一定距離在井幫上布置一組觀測點，獲得斜井開挖后歷時時間與巷道收斂變形值的關(guān)系，經(jīng)對收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出，主、副斜井收斂變形速率基本一致。同時，經(jīng)對凍結(jié)壁情況進行實時監(jiān)測，主副斜井開挖前后凍結(jié)壁，以及井幫溫度及變化規(guī)律基本相同，巷道支護效果完全符合設(shè)計要求。從錨網(wǎng)噴支護開始到澆筑成井，錨網(wǎng)噴支護巷道的最長暴露時間達(dá)46天，從變形量觀測記錄可以看出巷道變形量在允許范圍以內(nèi)，支護效果較為理想，充分說明凍結(jié)段粘土層采用錨網(wǎng)噴支護可以替代U型鋼棚支護。

（作者單位：山東能源新礦集團內(nèi)蒙能源公司長城五號礦井）

（責(zé)任編輯：周瓊）