高應(yīng)力破碎軟巖中大硐室施工及支護(hù)工藝優(yōu)化

王炳

摘要：高地壓、破碎軟巖地層中大硐室的施工在礦山建設(shè)中一直存在著觀感較差、工序繁雜、支護(hù)困難等問題，且在前期土耳其艾爾麥德井工礦永久變電所的施工中，以上問題均已顯現(xiàn)，而且造成了一定程度的二次翻修。因此，選用傳統(tǒng)的施工和支護(hù)等工藝，不僅影響施工進(jìn)度的同時，還造成材料浪費(fèi)、巷道超挖嚴(yán)重、后期來壓明顯等現(xiàn)象。為此，在永久泵房的施工過程中，必須對傳統(tǒng)的施工和支護(hù)等工藝做出優(yōu)化與創(chuàng)新，以滿足高地壓、破碎軟巖地層中大硐室施工的要求。

Abstract： The construction of large ditches in high ground pressure and broken soft rock formations has always had problems such as poor perception， complicated procedures and difficult support in mine construction. In the construction of the permanent substation of the former Elmede mine in Turkey， all the above problems have appeared， and caused a certain degree of secondary renovation.Therefore， the selection of traditional construction and support processes not only affects the construction progress， but also causes material waste， serious roadway over-excavation， and obvious pressure at the later stage. To this end， in the construction process of the permanent pump house， it is necessary to optimize and innovate the traditional construction and support processes to meet the requirements of large chamber construction in high ground pressure and fractured soft rock formations.

關(guān)鍵詞：多層正臺階施工;周邊切割眼;支護(hù)工藝

Key words： multi-layered positive step construction;peripheral cutting hole;support technology

中圖分類號：TD264? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0130-03

0? 引言

永久泵房縱、橫向跨度大，所處軟巖地層地壓較大、巖石較破碎、變形嚴(yán)重、支護(hù)困難，對施工、支護(hù)的要求較高。傳統(tǒng)的施工、爆破及支護(hù)工藝，對圍巖破壞較大、支護(hù)強(qiáng)度較低、抗壓能力小、巷道成型差;難以滿足日后使用要求，亦或造成巷道二次返修;不僅在增加施工安全風(fēng)險的同時還加大了施工造價，并會直接影響整個礦井排水系統(tǒng)形成的工期，延后礦井投產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。因此，合理選擇安全、可靠、有效的施工、爆破及支護(hù)工藝顯得尤為重要。艾爾麥德項目部對前期變電所施工時所存在的問題及巖石情況進(jìn)行深度分析和研究的基礎(chǔ)上，吸收其他礦區(qū)及公司內(nèi)部施工軟巖地層中大硐室施工的先進(jìn)理念和成熟經(jīng)驗，嘗試多層正臺階施工、增大掘進(jìn)斷面的施工方法、增加周邊眼切割眼的爆破方法、增加支護(hù)形式等方法，在永久泵房施工的過程中取得了顯著成效。

1? 工程概況

艾爾麥德井工礦地處土耳其伊茲密爾省可尼克鎮(zhèn)。井底車場工程——永久泵房，位于土耳其西部的 Egean 地區(qū) soma 煤田，該地區(qū)煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。永久泵房設(shè)計凈寬5600mm，凈高6300mm;根據(jù)地層情況嘗試在設(shè)計荒斷面的基礎(chǔ)上，整體擴(kuò)大300mm，給予地壓以充足的釋壓空間。擴(kuò)大后掘進(jìn)斷面尺寸為：寬6600mm，高6800mm。

永久泵房主要位于基巖和片巖中，少量揭露M1地層。M1地層整合于基巖、片巖地層之上。該地層揭露巖體為頁巖，黑色、層理狀構(gòu)造，薄片層狀的節(jié)理，易碎，巖體較軟，有暗淡光澤，局部有方解石充填。巖體走向西南，產(chǎn)狀80-85°之間，近乎直立傾斜，未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱等構(gòu)造。KM2褐煤賦于M1地層之上，且其上部為M3、M2灰?guī)r。永久泵房巷道頂板距離KM2煤層最近底板約為74.56m，距M2灰?guī)r含水地層最近距離為96.25m，含水層最大涌水量約為210m3/h。

根據(jù)西安煤科院水文資料報告分析：M2+M3含水層平均厚度69.33m，靜水壓290-320m;含水層滲透系數(shù)K值波動比較大，根據(jù)鉆探鉆孔（MO2）抽水試驗K值最大為0.26m/d、副井探水注漿計算K值為0.1-0.16m/d、總回風(fēng)上山出水及水文鉆孔下降情況計算K值為1.48-4.08m/d，此次突水K值為副立井探水k值的10-40倍，平均為19倍。

2? 施工、爆破及支護(hù)工藝方案

2.1 施工工藝

2.1.1 施工方法

采用先拱后墻正臺階多層法施工。將斷面分成上、中、下三部分（臺階）進(jìn)行開挖，上部工作面超前開挖形成正臺階;拱部臺階高度3000mm，中層臺階高度為1800mm，下層臺階高度為2000mm，其寬度為硐室的開挖尺寸6000mm。上、中、下三層臺階工作面的距離根據(jù)圍巖狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式而定，一般為6-8m。

永久泵房掘進(jìn)至永久泵房開口位置時，拱部以30°的上坡，在4m范圍內(nèi)掘進(jìn)至永久泵房頂板，然后將4m段反刷至斷面設(shè)計尺寸。

2.1.2 施工步驟

如圖1所示，拱部打眼爆破通風(fēng)后，對揭露的巖石進(jìn)行素噴。用單體液壓支柱進(jìn)行臨時支護(hù)后，找夠拱部斷面尺寸，再打下一循環(huán)拱部炮眼，然后錨網(wǎng)索噴支護(hù)，進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)。待拱部超前中層臺階6m左右時，中層臺階可平行作業(yè)。中層臺階掘進(jìn)采用MWY6/0.2型液壓挖機(jī)施工，挖掘機(jī)挖出中層臺階設(shè)計高度后進(jìn)行錨網(wǎng)索噴支護(hù)，待中層臺階超前下層臺階6m左右時，下層臺階可平行作業(yè)。下層臺階掘進(jìn)同樣采用MWY6/0.2型液壓挖掘機(jī)施工，挖掘機(jī)挖至掘進(jìn)底板后進(jìn)行錨網(wǎng)索噴支護(hù)。至此上、中、下三層臺階可同時平行作業(yè)完成全斷面掘支循環(huán)，按照上述方法完成整個永久泵房主體工程的施工。

2.2 爆破工藝

本次拱部爆破炮眼布置在傳統(tǒng)炮眼布置形式上，增加周邊切割眼，且眼距控制在200-250mm之間，如圖2所示。由于巖石條件影響，周邊切割眼不參與爆破，待放炮后人工使用風(fēng)鎬沿周邊切割眼刷大成型。

在距離周邊切割眼250-300mm之間布置輔助炮眼，眼距控制在350-450mm之間。

掏槽眼采用直眼掏槽，在距離上部臺階底部800mm位置布置直眼掏槽。

2.3 支護(hù)工藝

2.3.1 超前支護(hù)

采用懸吊式超前錨桿支護(hù)形式。超前錨桿選用Φ26mm螺紋鋼，長度為3000mm，外插角8°-10°之間（一般為6-12°），橫向間距為控制在300±50mm。爆破進(jìn)行永久支護(hù)后，在工作面輪廓線以外進(jìn)行打眼，然后將超前錨桿注入打好的眼孔內(nèi)。超前錨桿懸吊點(diǎn)選在已永久支護(hù)的鋼帶上，利用12#鐵絲將超前錨桿綁扎在鋼帶上。待下一循環(huán)永久支護(hù)時，將超前錨桿壓在鋼帶里面，形成后期的頂板縱向抗壓能力。

超前錨桿長度計算：

L=L1+L2+L3=1.5+0.4+0.6=3.0m

式中：L——超前錨桿長度，m;

L1——循環(huán)進(jìn)度，m;

L2——桿體外露長度，m，一般為0.1-0.2m;

L3——桿體留在循環(huán)進(jìn)度外巖體中的長度，m， 一般 ≥0.4m。

2.3.2 臨時支護(hù)

臨時支護(hù)采用輕型單體液壓支柱，柱徑為100mm的不得小于90kN，柱徑為80mm的不得小于60kN。使用兩組（2根/組）輕型單體液壓支柱配兩根長1.5m、厚50㎜、寬200mm的方木進(jìn)行巷道臨時支護(hù)。

2.3.3 永久支護(hù)

①支護(hù)設(shè)計。采用剛?cè)狁詈系膬纱沃ёo(hù)形式：一次支護(hù)為柔性設(shè)計，以樹脂藥卷錨索支護(hù)+金屬網(wǎng)+鋼帶+δ50㎜噴射混凝土;二次支護(hù)為剛性設(shè)計，以U34型鋼拱架+噴射混凝土厚度為150mm，強(qiáng)度等級為C20。

巷道掘進(jìn)后，對揭露的巖面進(jìn)行一次支護(hù)。二次支護(hù)暫緩施工，待巷道釋壓后，圍巖呈穩(wěn)定狀態(tài)時，再次進(jìn)行二次支護(hù)施工。

②支護(hù)材料選擇。鋼帶采用Φ26mm螺紋鋼加工，排距為750mm。錨索采用Φ17.8mm的鋼絞線制作，長度為6300mm。菱形布置，全部采用長6300mm錨索按750×750mm的間排距進(jìn)行支護(hù);墊板采用δ16mm鋼板制作，規(guī)格為300×300mm;網(wǎng)片采用Φ6.5的盤圓焊接，網(wǎng)度為100×100mm;鋼棚采用U34型鋼拱架鋼棚（5節(jié)/副），架設(shè)間距500mm，每節(jié)采用3副抱卡搭接，搭接長度500mm;δ200mm噴砼，強(qiáng)度等級為C20。

3? 效果分析

3.1 施工工藝

3.1.1 采用多層正臺階施工法

在原有的兩層正臺階施工方法上增加至三層臺階。按照施工需求將硐室劃分成不同高度的施工平臺（臺階）。從而達(dá)到在圍巖不穩(wěn)定及高度較大硐室的施工中，降低施工風(fēng)險、增強(qiáng)安全系數(shù)的目的;而且可以在各層臺階施工至一定安全距離后實施平行作業(yè)，提高施工進(jìn)度。

3.1.2 采用挖掘機(jī)施工下層臺階

在軟巖硐室施工中，選擇投入挖掘機(jī)施工中、下層臺階過程中，在減小人工勞動強(qiáng)度的同時，還能夠使圍巖不受到由爆破帶來的擾動和破壞，也減少超挖，保證圍巖的整體性和完整性。在后期的支護(hù)過程中，節(jié)省支護(hù)時間，節(jié)約支護(hù)成本。

3.2 爆破工藝

3.2.1 輔助炮眼的布置

將里層爆破輔助炮眼布置在外層爆破輔助眼的最小抵抗線以內(nèi)，確保在爆破過程當(dāng)中避免了爆破后矸石大小不均，且減少爆破后造成超挖的現(xiàn)象。

W=35D=1330mm;

W—最小抵抗線;

D—炮眼直徑（裝藥半徑）38mm。

3.2.2 增加周邊切割眼

周邊切割眼的主要作用是，在輔助炮眼爆破后形成的圍巖壓碎圈與塑性區(qū)范圍之間（沖擊波在巖體中作用形成的壓碎圈范圍在2倍的裝藥半徑，應(yīng)力波作用下巖體塑性區(qū)范圍在100倍的裝藥半徑），構(gòu)成一圈隔離層，不但無形的緩解了爆破后產(chǎn)生的沖擊力，而且增加了光面爆破成型率。

3.2.3 采用直眼掏槽

直眼掏槽能保證上層臺階底段基巖達(dá)到一定破碎程度，為下一步加快中層臺階的施工和開挖創(chuàng)造有利的條件。

3.3 支護(hù)工藝

3.3.1 超前支護(hù)

本次施工在原有永久支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)上增加懸吊式超前錨桿支護(hù)形式，在破碎頂板或直接頂為弱層理結(jié)構(gòu)的條件下，圍巖未被開挖前，采用錨桿支護(hù)技術(shù)提前對即將暴露的頂板進(jìn)行支護(hù)，盡量使圍巖在開挖后原巖應(yīng)力被破壞的情況下保持完整，避免圍巖產(chǎn)生較大的形變，保證巷道頂板在未離層前得到有效支護(hù)。下一循環(huán)掘出后，上一循環(huán)超前錨桿不進(jìn)行拆除，作為永久支護(hù)，形成永久頂板的抗壓能力。

3.3.2 永久支護(hù)

在日常掘進(jìn)施工中，由于揭露的圍巖軟弱、且較為破碎，現(xiàn)場在原有永久支護(hù)形式的鋼筋網(wǎng)片上，增加菱形鐵絲網(wǎng)（孔徑50mm），從根本上制止大塊矸石掉落，而且為后期的頂板釋壓中給予了一定范圍的緩沖空間。

3.4 礦壓觀測分析

為測定對以上工藝優(yōu)化的結(jié)果，利用標(biāo)記法在巷道全斷面做變形觀測點(diǎn)，每組觀測點(diǎn)主要在頂板、肩窩、墻部和底腳布置，保證以上位置不得少于一個觀測點(diǎn)，每5m布置一組。將每個觀測點(diǎn)賦予X、Y、Z坐標(biāo)，每次進(jìn)行觀測后計算各點(diǎn)的空間位移量，進(jìn)行統(tǒng)計分析。在進(jìn)行了為期45天的觀測后（每5天觀測一次），形成位移量（cm）與時間（d）的關(guān)系圖，如圖3所示。

分析結(jié)果：在硐室施工結(jié)束后，前25d硐室釋壓程度較為明顯，且地壓不以正比形式增大;但自30d以后，硐室來壓逐漸趨于穩(wěn)定。分析結(jié)果說明，雖在硐室施工結(jié)束30d以內(nèi)有較為明顯的來壓變化，但30d以后圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)，所以通過對以上工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新，可有效控制地壓和巷道變形，且硐室釋壓后仍可達(dá)到設(shè)計斷面尺寸。

4? 鞏固措施

4.1 二次支護(hù)

根據(jù)圖3分析，在待一次支護(hù)結(jié)束40d以后，進(jìn)行二次U34型鋼棚支護(hù)及反底拱的安裝。鋼棚架設(shè)過程中，若出現(xiàn)與一次支護(hù)體之間存在間隙時過大時，需用半圓木接實。鋼棚架設(shè)完畢后，進(jìn)行C20噴射砼支護(hù)，以及反底拱C55素砼澆筑。

4.2 圍巖加固注漿

①注漿管沿硐室周邊輪廓垂直混凝土面菱形交錯布置，注漿管采用？準(zhǔn)42mm，長3m的無縫鋼管制作，間排距為1.5m×1.5m。

②注漿壓力是漿液在裂隙中流動、擴(kuò)散充塞、壓實的能量，是控制漿液距離的重要因素之一，注漿壓力不大于3MPa，以不引起巷道開裂凸起為原則。

③本次充填注漿以雙液漿為主，雙液漿主要是水泥漿+水玻璃。水泥選用P0.42.5水泥，水灰比為1：1-1：0.75。水玻璃選用液體硅酸鈉型、濃度為40波美度。土耳其采購水玻璃濃度偏高的水玻璃，需經(jīng)加水稀釋成需要的濃度。

④質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，注漿孔的布置角度及深度應(yīng)符合設(shè)計要求，孔位與設(shè)計位置的允許偏差為±50mm;當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓或注漿量達(dá)到設(shè)計值的80%以上時，單孔注漿結(jié)束;當(dāng)所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件、無漏注情況時，全段注漿結(jié)束。

5? 結(jié)論

高地壓、破碎軟巖地層中大斷面硐室施工，通過對施工的優(yōu)化，促進(jìn)生產(chǎn)進(jìn)度，降低施工強(qiáng)度，提高安全系數(shù);通過對支護(hù)工藝的優(yōu)化，增強(qiáng)圍巖的承載結(jié)構(gòu)，有效控制圍巖壓力，增加硐室使用壽命，降低硐室返修幾率;通過對爆破工藝的優(yōu)化，減少對圍巖破壞，增強(qiáng)圍巖整體性，提高光爆效果及巷道成型。該成果能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，具有廣泛的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈景釗.超前錨桿在軟巖中的加固作用機(jī)理及其應(yīng)用[J].西部探礦工程，2004，23：73-74.

[2]王小委.爆破沖擊作用下巖體損傷范圍研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2014，22（2）：233-236.

[3]彭偉，王磊，程子厚，李學(xué)彬，吳春冬.紅慶梁煤礦機(jī)頭轉(zhuǎn)載大硐室群支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[J].煤礦安全，2016，47（02）：220-223.

[4]毛基騰，張陸彪，趙文濤.大斷面軟巖硐室施工與支護(hù)工藝優(yōu)化技術(shù)[J].知識經(jīng)濟(jì)，2012（10）：95，97.

[5]劉錫同.大斷面硐室支護(hù)設(shè)計優(yōu)化及施工關(guān)鍵工藝研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（07）：51，53.