大型設(shè)備換裝硐室施工與支護(hù)技術(shù)研究

劉威辰

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400）

1 前言

某煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500 萬(wàn)t/a，主要可采煤層4層，煤賦存穩(wěn)定，資源基礎(chǔ)可靠。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角一般小于3°，無(wú)大的斷裂及褶曲構(gòu)造，也無(wú)巖漿巖侵入。目前，礦井主要掘進(jìn)底車(chē)場(chǎng)大巷、大型設(shè)備換裝硐室和首采面順槽。巷道主要布置在3-1煤，并且沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層最大厚度6.4 m,黑色，條痕為黑褐-褐黑色，弱瀝青-瀝青光澤。由于煤層埋深約600 m，3-1煤含有一層厚度1 m 左右的“亮煤”，此層煤節(jié)理裂隙發(fā)育。巷道前期變形主要表現(xiàn)為拱肩或煤幫上部出現(xiàn)片幫，嚴(yán)重影響巷道成型。設(shè)備換裝硐室由于斷面較大，目前礦井處于二期建設(shè)過(guò)程中，存在運(yùn)輸系統(tǒng)、提升系統(tǒng)尚不完善，井下作業(yè)空間受限、機(jī)械設(shè)備選型等問(wèn)題，不能全斷面施工大型設(shè)備換裝硐室此類(lèi)大型斷面硐室。

為此，本文根據(jù)此礦具體條件，提出分層掘進(jìn)換裝硐室，采用錨桿、錨索、網(wǎng)、鋼帶耦合支護(hù)，并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，取得了良好的效果。

2 工程概況

井下大型設(shè)備換裝硐室設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為66.532 m，開(kāi)口位于與副井井筒距離76 m處，開(kāi)口方位為144°。巷道坡度-7.39‰。處于3-1煤層中，煤層底板為8.9 m厚淺灰色粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整，弱含水。底板粉砂巖硬度不高，根據(jù)現(xiàn)已施工段地質(zhì)情況，巷道頂板及兩幫巖石不穩(wěn)定，有片幫現(xiàn)象，施工時(shí)需及時(shí)支護(hù)。井下大型設(shè)備換裝硐室斷面設(shè)計(jì)為直墻三心拱形，巷道坡度-7.39‰。硐室巷道施工長(zhǎng)度40 m，掘?qū)? 100 mm，掘高12 133 mm，S 掘=126.1m2；凈寬8 800 mm，凈高11 683 mm，S凈=117.3 m2。巷道平面布置圖見(jiàn)圖1，剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 換裝硐室平面圖

圖2 換裝硐室剖面圖

3 施工技術(shù)方案

3.1 施工工藝

由于該硐室斷面大，根據(jù)井下施工條件，采用臺(tái)階式分層掘進(jìn)施工方法，分4層掘進(jìn)，首次掘進(jìn)自1-1斷面開(kāi)口處，定制腰線，以10°上山施工至該巷道設(shè)計(jì)高度，然后分層掘進(jìn)（第1、2、3、6 層），依次進(jìn)行永久支護(hù)，分層掘進(jìn)順序如井下大型設(shè)備換裝硐室分層掘進(jìn)剖面示意圖3 所示進(jìn)行。施工中依據(jù)中線，先全斷面掘進(jìn)巷道拱部；待掘進(jìn)至直墻后，先掘進(jìn)巷道左半部分，永久支護(hù)好后，在掘進(jìn)右半部分并進(jìn)行永久支護(hù)。施工過(guò)程采取短掘短支，永久支護(hù)緊跟迎頭。

圖3 換裝硐室分層掘進(jìn)剖面示意圖

待此段分層掘進(jìn)至第三部分時(shí)，往3 號(hào)交叉點(diǎn)施工掘進(jìn)2-2斷面，并與3號(hào)交叉點(diǎn)貫通，然后反向擴(kuò)刷1-1斷面剩余部分（第4、5層），直至施工到該巷道設(shè)計(jì)高度及寬度。

3.2 支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)本礦換裝硐室斷面大、圍巖穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。采取采用錨桿、錨索、鋼帶耦和支護(hù)。

3.2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案及要求

放水巷規(guī)格為掘?qū)挕粮?9.1 m×12.133 m

（1）臨時(shí)支護(hù)

由于井下大型設(shè)備換裝硐室斷面大，需采用分層掘進(jìn)施工方法，施工過(guò)程中，采用錨網(wǎng)索進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。錨桿規(guī)格φ22×2 400 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，托盤(pán)規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，每根錨桿采用2 支樹(shù)脂藥卷，一支MSK2350 型樹(shù)脂錨固劑，一支MSCK2350型樹(shù)脂錨固劑；錨索規(guī)格φ18.9×7 500 mm，間排距2 400 mm×2 400 mm，托盤(pán)規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm，每根錨索采用一支MSK2350 型和兩支MSCK2350 型樹(shù)脂錨固劑；金屬網(wǎng)片采用φ6 mm 圓鋼焊接制作，規(guī)格2 100 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm。臨時(shí)支護(hù)見(jiàn)圖4。

圖4 臨時(shí)支護(hù)示意圖

（2）永久支護(hù)

井下大型設(shè)備換裝硐室永久支護(hù)均采用錨網(wǎng)噴+錨索+鋼護(hù)板支護(hù)。

①錨桿規(guī)格：錨桿選用φ22×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，配高強(qiáng)度螺母。每根錨桿孔底配一支MSCK2350 和一支MSK2350 樹(shù)脂錨固劑。拱部及幫部網(wǎng)片采用φ6 mm 盤(pán)圓金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2 100 mm×1 100 mm；采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)、調(diào)心球墊，托盤(pán)規(guī)格：150 mm×150 mm×10mm，配調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈。采用W型鋼護(hù)板，規(guī)格：450 mm×280 mm×4 mm。

錨桿布置：巷道頂部錨桿在巷中布置一根，然后向兩邊分布，1-1 斷面每排拱部11 根錨桿，每排每幫10根錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm；2-2、3-3 斷面錨桿間排距800 mm×800 mm；錨桿預(yù)緊力300 Nm，錨桿錨固力為80 kN。

②錨索規(guī)格：1-1 斷面錨索型號(hào)為SKP18-1/1860 φ18.9×8 300 mm，2-2、3-3 斷面頂部錨索型號(hào)均為SKP18-1/1860φ18.9×7 500 mm，錨固力≥200 kN；2-2斷面幫部錨索型號(hào)為SKP18-1/1860φ18.9×4 300 mm，預(yù)緊力均為200 kN。每根錨索配一支MSCK2350和兩支MSK2350 樹(shù)脂錨固劑。采用高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm。

錨索布置：2-2、3-3 斷面拱部間排距2 400 mm×2 400 mm，拱部3 根錨索；2-2 斷面幫部錨索間排距1 000 mm×2 400 mm，每排每幫2 根錨索。1-1 斷面錨索間排距1 000 mm×1 000 mm，拱部每排12根錨索；每排每幫布置9根錨索；底板每排布置5根錨索，間排距為2 000 mm×2 000 mm，且制成鳥(niǎo)籠錨索。錨索預(yù)緊力不低于200 kN。永久支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 永久支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 工程效果

為了確定巷道的支護(hù)效果，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，設(shè)置了相應(yīng)的測(cè)站。設(shè)備換裝硐室拱頂1個(gè)、硐室左右兩幫各1個(gè)。離層儀深部基點(diǎn)為8.0 m、淺部基點(diǎn)為2.4 m，分別監(jiān)測(cè)深部錨索支護(hù)范圍內(nèi)的變形和淺部錨桿支護(hù)范圍內(nèi)的變形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，間隔5d觀測(cè)一次數(shù)據(jù)，并及時(shí)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歷時(shí)40d的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道施工后20d 左右頂?shù)装搴蛢蓭偷膰鷰r變形都趨于穩(wěn)定，具體位移量見(jiàn)表1、表2。硐室的支護(hù)有效的控制了圍巖和兩幫的變形，說(shuō)明支護(hù)形式和參數(shù)是合理的，支護(hù)方案取得成功。

表1 頂板位移量

表2 幫部位移量

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型設(shè)備換裝硐室掘進(jìn)工藝和支護(hù)技術(shù)研究，可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)大斷面換裝硐室，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，采用臺(tái)階式分層掘進(jìn)施工方法，分部分，分階段掘進(jìn)，適時(shí)反刷頂板，保證施工安全和進(jìn)度同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)巷道尺寸。利用錨桿、錨索、鋼帶耦和支護(hù)的綜合支護(hù)技術(shù)，增加了巷道強(qiáng)度，達(dá)到了巷道穩(wěn)定的目的。

該種施工技術(shù)與支護(hù)設(shè)計(jì)的成功，可在同類(lèi)條件的設(shè)備換裝硐室施工中推廣應(yīng)用。