深部高應力超大斷面硐室設計及施工技術研究與應用

姚傳學 王政偉

摘 要：針對三水平戊一下延二部皮帶機頭硐室不能滿足集團首家最大功率永磁電機安裝要求的問題，本文創(chuàng)新了硐室布置方式，采用了全方位高強支護技術和分步施工技術。該硐室施工后，支護效果良好，有效地控制了深部大斷面硐室的幫頂位移及巷道底鼓等問題，滿足了集團最大功率永磁電機的運轉需要，保證了三水平戊一下山二部皮帶的安全運轉，為類似礦井超大斷面的設計與施工提供了借鑒。

關鍵詞：超大斷面;設計及施工技術;全方位高強支護技術

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0090-03

Abstract： In view of the fact that the width of the chamber of the second belt head of three-level extension can not meet the installation requirements of the first maximum power permanent magnet motor of the group， this paper innovated the chamber layout， adopts the omni-directional high-strength support technology and step-by-step construction technology. After the construction of the chamber， the supporting effect is good， the roof displacement and floor heave of the deep large section chamber are effectively controlled， the operation requirement of the maximum power permanent magnet motor of the group is satisfied， the safe operation of the second belt of the third level Wuyixia Mountain is guaranteed， and the reference is provided for the design and construction of the similar large section of the mine.

Keywords： super large section;design and construction technology;omnidirectional high strength support technology

一礦三水平戊一下延二部皮帶是三水平戊一下延采區(qū)原煤運輸的主要通道，原安裝的普通皮帶不能滿足采區(qū)出煤需要，需要更換為由永磁電機驅動的高強皮帶。而采用了集團首家最大功率的永磁電機后，要求機頭硐室跨度較大，而原皮帶機頭硐室遠不能滿足安裝要求，加之巷道處于高地應力區(qū)，超大斷面硐室對支護提出了更高的要求，因此，如何對原巷道進行改造，并實現對硐室的有效支護成為一個需要解決的主要問題。

1 硐室支護方案分析

1.1 三水平戊一下延二部機頭硐室工程概況

原機頭硐室距地面垂深850m，布置在距戊10煤層15m的底板中，巖性以泥巖為主。硐室寬為4.6～5.4m，高為3.9～4.2m，錨網噴支護;而集團首家最大功率永磁電機安裝硐室要求的寬為12.1m，高為7.2m[1]。

1.2 巷道地質條件分析

第一，硐室埋深大，最大主應力達到31MPa，最大主應力方位31°。巷道頂板受到較大的自重應力的影響，又受水平應力作用，巷道頂部、兩幫及底部荷載顯著增大;受開采影響，高地應力會引起巷道頂板、兩幫及底部整體向巷道內移動，巷道易變形[2]。

第二，相鄰巷道圍巖集中應力相互疊加，相互影響。硐室附近布置有設備道、軌道下山、回風下山等多條巷道。由于巷道布置密集，每條巷道掘出后所產生的圍巖集中應力與相鄰巷道的圍巖集中應力相互作用、相互疊加[3]。

第三，硐室斷面大，圍巖的破壞范圍大。巷道開挖后，由于應力重新分布，在巷道周圍形成松動圈，巷道斷面越大，松動圈的范圍也就越大，造成的節(jié)理裂隙面就越多，擴展就越深。

1.3 巷道支護及擴修施工思路

由于原機頭硐室錨網噴支護不能有效控制巷道變形，所以，結合其原有狀況，以巷道圍巖控制理論為基礎，提出了全方位高強支護技術，高強皮帶機頭硐室頂幫采用“雙錨雙注”支護，硐室底板及基礎坑采用注漿支護。通過全方位高強支護，克服高地應力地質條件，保證支護效果。采用分步施工技術，首先在原有皮帶下山擴巷段施工，按照4×560kW高強帶式輸送機所要求基準斷面沿皮帶巷北向擴巷，待擴巷頂板穩(wěn)定后，再開始東西向挑頂施工電機硐室，通過分步施工減少掘進擾動，確保硐室支護效果[4]。

2 支護設計

2.1 創(chuàng)新硐室布置方式

為解決三水平戊一下延二部高強皮帶機頭硐室斷面大、改造和支護難度大等問題，我們創(chuàng)新了硐室布置方式：將硐室拱部由巷道縱向優(yōu)化為橫向，使電機硐室中心線方向與原皮帶巷中心線垂直布置，間接減小了巷道跨度，跨度由12.1m減為7m;使硐室頂部壓力均勻向硐室頂部及兩幫分散，避免了硐室頂部為平頂和壓力較大難以支護的問題。三水平戊一下延二部皮帶機頭硐室如圖1所示。

2.2 全方位高強支護方案

機頭硐室頂幫采用“雙錨雙注”支護技術，即首先進行錨網索噴支護，噴漿厚度不低于50mm，并進行第一次注漿;然后進行第二次錨網索噴支護，噴漿厚度不低于100mm，兩次噴漿不低于150mm，并進行第二次注漿。硐室底板及基礎坑采用注漿支護技術，注漿采用水泥加ACZ-1型添加劑。

2.3 支護參數

機頭硐室頂幫采用“雙錨雙注”支護，具體參數為：進行第一次錨網索噴支護，錨桿采用Φ22mm×2 800m KMG600型左旋高強錨桿，間排距800mm×800mm，錨索采用Φ22mm×7 500m鋼絞線錨索，間排距1 600mm×1 600mm;噴漿厚度不低于50mm，并進行第一次注漿，注漿采用Φ20mm×2 000mm注漿管，孔深3 000mm，間排距1 500mm×1 500mm，壓力不小于3MPa;進行第二次錨網索噴支護，錨桿采用Φ22×2 800m KMG600型左旋高強錨桿，間排距800mm×800mm，錨索采用Φ22mm×7 500m錨索，間排距1 600mm×1 600mm，噴漿厚度不低于100mm，兩次噴漿厚度合計不低于150mm，第二次注漿采用Φ20mm×2 000mm注漿管，孔深5 000mm，間排距1 500mm×1 500mm，壓力不小于8MPa。對硐室底板進行注漿，采用Φ20mm×2 000mm注漿管，孔深4 000mm，間排距1 500mm×1500mm，注漿壓力不低于6.0MPa。注漿材料采用P.O2.5R級硅酸鹽水泥，注漿液水灰比（重量比）為0.8，同時加水泥8%的ACZ-1型添加劑。硐室內堵頭墻采用錨網索注漿支護，錨桿間排距700mm×700mm。1-1斷面如圖2所示。

3 施工工藝

三水平戊一下延二部皮帶擔負著整個三水平戊一下延采區(qū)的生產，系統是否安全運轉影響整個礦井的采掘接替。高強皮帶機頭硐室擴巷總工程量116.1m，分三步進行施工：第一步，沿皮帶巷擴巷施工，從一部皮帶機尾滾筒中心線向上8m處（二部機頭卸載處）開始，按6.5°下坡挑頂擴巷施工10m后（凈寬×凈高=6.5m×5.5m），頂板坡度調整為9°32'下坡，底板坡度仍為6.5°，再施工24.6m（凈寬×凈高=6.5m×4.2m），然后巷道坡度調整為6.5°施工18.7m;第二步，施工硐室，4個電機硐室（1-1斷面：凈寬×凈高=7.0m×7.2m），深度分別為3.5、4.0、3.1、3.6m，操作硐室5.6m（凈寬×凈高=4.5×3.5m），設備硐室43m（凈寬×凈高=5.0m×4.3m）;第三步，拉電機硐室處底板，注漿加固底板，工程量29.7m。施工過程中，根據原巷道實際情況，及時校準中心腰線。

①擴巷：破巖方式采用風鎬+靜力破碎劑，避免爆破對圍巖的破壞，靜力破碎劑直徑41mm，排距300mm×300mm。

②錨網（索）噴支護：錨桿采用22mm×2 800mm左旋無縱筋高強錨桿，配用Z2360錨固劑和K2360樹脂錨固劑各1卷，預緊力132kN;采用6mm鋼筋網，規(guī)格為1 500mm×1 500mm（長×寬），網間搭接100mm。拱部布置7根Φ22mm×7500mm鋼絞線錨索，每根錨索配用Z2360錨固劑2卷和K2360樹脂錨固劑1卷，預緊力176kN。噴射混凝土厚度150mm，混凝土強度等級C20，速凝劑摻入量為水泥質量的3%～5%，噴漿前沿巷道縱向分別在正頂、兩拱肩和兩拱基拉5條線標定巷道內壁位置。

③注漿：采用Φ20×2000mm注漿管進行注漿，注漿孔深4 000mm，間排距1 500mm×1 500mm，誤差±100mm，注漿壓力不小于8.0MPa，注漿方式采用間隔注漿，提高了注漿質量。

④二次支護：注漿后進行二次錨網噴支護，優(yōu)化間排距，采用Φ22mm×8 300mm中空注漿錨索進行深部注漿加固，間排距2 000mm×2 000mm，注漿壓力不低于8.0MPa。

⑤底板加固：采用Φ20mm×2 000mm注漿管進行注漿，注漿孔深4 000mm，間排距1 500mm×1 500mm，控制底鼓。

4 支護效果監(jiān)測

機頭硐室采用全方位高強支護技術后，經70d的觀測，巷道兩幫及頂板最大變形量約61mm，底板變形量最大約76mm，變形量在可控范圍內。通過全方位高強支護技術的應用，硐室支護效果良好，巷道整體輪廓形狀無較大變化，滿足了三水平戊一主輸送皮帶的正常運轉，達到了預期效果。硐室兩幫及頂底板位移量如圖3所示。

5 結論

高強皮帶機頭硐室通過分步施工減少了掘進擾動，提高了支護效果。通過采用全方位高強支護技術，硐室頂幫采用“雙錨雙注”支護，硐室底板及基礎坑采用注漿支護，施工后支護效果良好，有效控制了深部高應力超大斷面硐室的幫頂位移及底鼓，滿足了集團最大功率永磁電機的安裝和運轉需要，保證了三水平戊一下山二部皮帶的安全運轉，為該礦安全生產提供了條件，也為類似礦井超大斷面的設計與施工提供了借鑒。

參考文獻：

[1]齊軍朋，孟鑫，葛德志.深井大型硐室支護設計與施工[J].煤炭技術，2011（3）：127-129.

[2]康紅普.深部煤巷錨桿支護技術的研究與實踐[J].煤礦開采，2008（1）：1-5.

[3]孫廣義，陳剛，于蒲喜.深部開采巷道斷面優(yōu)化設計與應用研究[J].煤炭工程，2008（9）：57-60.

[4]石偉，鄒德蘊.深井軟巖巷道圍巖二次支護新技術[J].采礦與安全工程學報，2003（1）：28-29.