深部软岩大断面硐室围岩稳定性控制技术
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摘要：结合工程概况，针对顾桥煤矿主井箕斗装载硐室断面大、围岩松软及施工顺序多变等特点，提出采用“锚网喷+锚索”和钢筋混凝土综合支护的施工方案，并对其施工过程及支护技术进行了介绍，为类似矿山工程的建设提供了参考。
关键词：软岩硐室，支护技术，锚索，矿山工程
1 工程概况
顾桥矿井是国内煤矿井工开采井中井型最大的矿井之一，主井井口标高为+25.6m，井筒净直径为7.5m，井底标高为-781.4m。主井装备两套32t的双箕斗用于提煤，采用上提式装载；箕斗装载硐室较大，其掘进高度、宽度和长度分别为25.5 m，14.872 m和9m，装载硐室上下加固段井筒高度各5.0m。硐室段岩层较松软(第1层位于泥岩和煤线中)，且要揭煤(底部坐落在13―1煤顶板上)，箕斗装载硐室所在层位对应的岩层，共计穿越9个不同岩层层位，且大都要以泥岩为主，岩性较软，装载硐室顶板标高为-700m，底板标高为-723 m，断面形状为曲墙三心圆带底拱形式(马蹄状断面)，最大净宽12.872 m，净高23.0m，最大走向长度5.5m(距井筒中心线8.0 m)，其箕斗装载硐室为单侧型。在其上段装载胶带机巷开口为半圆拱状，净宽6.8 m，净高5.0 m，长度10.0 m，底板标高为一707m。装载胶带机巷与箕斗装载硐室成T字型交叉，同时箕斗装载硐室与井筒成大面积相交，工程结构极为复杂。
2 施工控制
为使主井能及早临时改绞，尽快形成运输系统，在此段采取硐室与井筒同时施工，从而工序转换少，硐室壁和井筒壁合成整体，提高硐室壁和井筒壁的质量。由于硐室高度和跨度都很大，前后穿过9个不同岩层层位，同时考虑到装载胶带机巷、箕斗装载硐室和主井井筒的相关性，再者装载胶带机巷的底板标高为-707 m，-707 m设置托罐梁，利用装载硐室永久装载固定梁作支撑架，铺设大板和轨道，形成井下运输进出车系统。因此硐室分两层施工，第一层施工标高为-698.58 m～-707.91 m，分层高度为9.33 m；第二层施工标高为-707.91 m～-725.30 m，分层高度为17.39 m，同时第二层施工时又分两个分层，第1层：-707.91 m～-718.85 m，段高10.94 m；第Ⅱ层：-718.85 m～-725.30 m，段高6.45 m。大体上硐室与井筒同时施工，但井简掘进始终超前硐室3 m～5 m。第一层分三段施工：第1段为井筒部分，第Ⅱ段为装载硐室剩余部分，第Ⅲ段为装载胶带机巷开口段2.0 m；待井筒到底并实现主风井短路贯通后，将吊盘提至装载硐室位置做作业盘使用，装载硐室掘出后一次浇筑混凝土。该工序简单，速度快，安全可靠，支护质量好。因而第一分层施工把装载胶带机巷的茬口2m部分一并考虑进来。第一分层分三部分施工：第一部分施工此分层井筒部分，第二部分为此分层装载硐室部分，第三部分为装载胶带机巷茬口段2m部分。每一部分掘进后即进行一次支护，三部分施工完后第一分层进行钢筋混凝土二次支护。
3 支护技术
3．1 支护方式的选择
由于硐室高度和跨度都很大，前后穿过不同岩层9个层位，大多是泥岩层，且顶部开口于花斑泥岩和～层煤线，硐室底板坐落在13―1煤顶板粉砂质泥岩中，其单轴抗压强度除粗砂岩外普氏系数大都小于3，再加上硐室处于-700 m以下，地应力较大，岩石表现软岩大变形、大地压、难支护的特性。根据许多学者的研究[1-6]：软岩硐室支护一味地强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。因此初次支护采取“锚网喷+锚索”联合支护，以加强直接顶的建梁与加固作用，提高顶板岩层的可锚性和可加固性，保证锚杆和锚索的锚固力在顶板岩层内的连续传播和有效锚固；考虑到箕斗装载硐室使用长期性和重要性，必须保证足够的刚度，同时和井筒的支护结构构成整体，共同抵抗外力，因此永久支护采用钢筋混凝土。
3．2 初次支护参数的选择
硐室支护采用锚网喷与钢筋混凝土联合支护方式，由于围岩大都为Ⅳ类和V类围岩，尤其第1层大部分位于6.75m厚的鲡状铝质泥岩中，该岩层极破碎，且遇水易膨胀，施工中极易片帮和掉顶，为此采用小段高掘进，每次爆破高度为2.1 m，缩短岩石的暴露高度，爆破后及时打上管缝式锚杆进行支护，尽量缩短岩石的裸露时间，在硐室的顶帮部打锚索，以增强围岩的自稳性。
3．2．1 锚杆的选择[7]
锚杆长度可按下式计算：
(1)
式中：N――围岩地不稳定参数，N=1．1；
B――硐室宽度，取B=12 m。
故锚杆长度需大约2．53 m，支护中取2．5 m，采用全长锚固。
根据锚杆锚固力的要求，每根锚杆的锚固力不得小于50 kN，锚杆的破断力：
(2)
式中：D――锚杆直径，mm；
――锚杆的抗拉强度，MPa。
所以D≥14．35 mm，考虑到锚杆螺纹部分强度抗拉强度低于杆体，故锚杆均选用D≥16 mm，支护中选用20mm。
为了方便施工，通常锚杆问排距相等，设为a，按照锚杆的悬吊理论，每根锚杆悬吊岩体重量：
(3)
式中：――岩体的平均密度，Kg／m3。
锚杆的锚固力大于悬吊岩体的重力，即，式中K 为安全系数，常取1.5～1.8，如果锚固力，岩石取平均密度，锚杆的中间长度L=2m，计算可得:a=0．567 m～0．825 m，结合锚杆支护的组合拱理论，锚杆的间排距不得超过锚杆长度的1／2，所以选取锚杆的间排距为0．8m×0．81TI，施工中锚杆垂直于断面。
3．2．2 锚索的选择
选用锚索为低松弛的直径为15.24 mm，强度级别为1860MPa的钢绞线，锚索的锚固顶端进入稳定岩层1.5 m，硐室顶端的锚索生根于距荒顶2.7 m，厚1.7 m的粉砂岩中，因此本硐室选择的锚索长度为7.0 m，且锚索与水平面成65°左右的仰角。根据在一般不稳定(Ⅳ)围岩中大硐室施工经验和锚索强度的要求，锚索的间排距选择1500mm×2000mm。
3．2．3 喷层厚度
喷层的作用主要是锚杆问的岩石支护和防止围岩风化，为了防止在较大收敛变形情况下喷层发生破坏，为此设计初喷厚度100mm，强度等级为C20，并采用钢筋网规格为150mm×150mm的钢筋网片。
3．3 永久支护的选择
为使硐室支护与井简支护匹配，以形成一个整体，根据井筒支护情况，硐室内层为钢筋混凝土支护，基本参数为钢筋规格为5@200mm，混凝土强度等级为C45，而且硐室整体浇筑。
4 结语
在埋藏深的软弱岩层中，由于大变形、大地压、难支护的特性，硐室围岩的控制主要从施工(方法和工艺)和支护两方面着手。要允许其适度变形，大硐室的临时支护要采取“锚网喷+锚索”主动支护，以加强直接顶的建梁与加固作用，提高顶板岩层的可锚性和可加固性，保证锚杆和锚索的锚固力在顶板岩层内的连续传播和有效锚固；永久支护考虑到装载胶带机巷、箕斗装载硐室和主井井筒的相关性，永久支护一定要和其他硐室支护相匹配，而且要有一定的刚度，故选用钢筋混凝土支护。
参考文献：
[1]何满朝，景海河，孙晓明．软岩工程力学[M]．北京：科学出版社．2002．
[2]冯豫．我国软岩巷道支护的研究[J]．矿山压力与项板管理，1990(2)：1-5．
[3]陆家梁．软岩巷道支护原则及支护方法[J]．软岩工程，1990(3)：20―24．
[4]郑雨天．关于软岩巷道地压与支护的基本观点[A]．软岩巷道掘进与支护论文集[C]．1985(5)：31―35．
[5]朱效嘉．锚杆支护理论进展[J]．光爆锚喷，1996(3)：1-4．
[6]董方庭．巷道围岩松动圈支护理论[J]．锚杆支护，1997(1)：5―9．
[7]何满朝．中国煤矿锚杆支护理论与实践[M]．北京：科学出版社．2002
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