大斷面軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)的應(yīng)用探究

張文鑫

（山東方大工程有限責(zé)任公司，山東 淄博 255100）

1 引言

我國部分大斷面巷道中的圍巖結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定性較差的軟巖，巷道內(nèi)綜掘的施工難度較大，容易出現(xiàn)較多的安全風(fēng)險。因此，為安全、高效地完成綜采工作，本文對大斷面軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)展開分析，借此明確該類巷道的支護(hù)要點，完善軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)體系。

2 大斷面軟巖巷道施工難點

軟巖具體指單軸抗壓強度在0.5~25 MPa的巖石，具有孔隙度大、強度低、風(fēng)化嚴(yán)重等特點。開采工作面所處的環(huán)境較為復(fù)雜，在我國西部地區(qū)存在較多的軟巖地質(zhì)。由于此種軟巖結(jié)構(gòu)中包含大量膨脹性黏土、植化碎片，以及穩(wěn)定性較差的粉砂，導(dǎo)致開采時大斷面巷道圍巖結(jié)構(gòu)過于松散，且包含軟弱層[1]。巷道綜掘過程中伴有較為突出的安全風(fēng)險，直接增加了巷道支護(hù)、掘進(jìn)的難度。比如，本工程項目中，大斷面軟巖巷道綜掘時，巷道圍巖所包含的灰色泥巖、粉色砂巖會導(dǎo)致巷道頂板結(jié)構(gòu)處的安全風(fēng)險突出，鉆孔、掘進(jìn)時會出現(xiàn)裂隙。不僅如此，綜采區(qū)域的兩個大斷工作面內(nèi)，部分含水層的主要結(jié)構(gòu)是灰色及黑色泥巖，使綜掘過程中深部巷道透水性強，掘進(jìn)時可能存在涌水情況，安全風(fēng)險較大。

3 大斷面軟巖巷道綜掘前的支護(hù)原則

大斷面軟巖巷道綜掘前，相關(guān)人員根據(jù)巷道軟巖結(jié)構(gòu)分析巷道掘進(jìn)前的支護(hù)方式，同時充分利用軟巖本身的承載力對巷道進(jìn)行安全支護(hù)。在此過程中，大斷面軟巖巷道綜掘前的支護(hù)原理是：基于軟巖結(jié)構(gòu)，相關(guān)人員應(yīng)分析地面壓力產(chǎn)生的原因，同時按照地壓活動時軟巖結(jié)構(gòu)層的變化規(guī)律評估大斷面軟巖巷道圍巖的變形狀態(tài)。然后采用錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)、注漿加固等支護(hù)技術(shù)，控制軟巖巷道內(nèi)圍巖的變形風(fēng)險，保證巷道在綜掘過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

為保證軟巖巷道支護(hù)的可靠性，還應(yīng)堅持以下原則：

1）大斷面軟巖巷道中，圍巖破裂會產(chǎn)生殘余強度，但松動破裂后的圍巖仍具有一定的承載能力。綜掘支護(hù)時，相關(guān)人員應(yīng)合理分配支護(hù)壓力，平衡好支護(hù)結(jié)構(gòu)、巖石應(yīng)力的承載關(guān)系。

2）支護(hù)的本質(zhì)是提升松動軟巖的剩余強度，增強軟巖巷道內(nèi)圍巖的承載力，所以，在支護(hù)軟巖巷道時，相關(guān)人員還應(yīng)遵循保持圍巖剩余強度、提升圍巖承載力的基本原則，科學(xué)地設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3）在深入研究大斷面軟巖巷道地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟巖巷道綜掘施工方案，分析綜掘時的支護(hù)需求，針對性地優(yōu)化巷道內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]。

4 大斷面軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 優(yōu)化軟巖巷道設(shè)計

初期掘進(jìn)時，應(yīng)優(yōu)化軟巖巷道的整體設(shè)計。相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合軟巖的力學(xué)特征與井下地層結(jié)構(gòu)，將巷道設(shè)置在圍巖膨脹性小、強度大的區(qū)域；巷道走向應(yīng)避免與地面應(yīng)力方向相交；巷道設(shè)計應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單為基本原則，避免因巷道結(jié)構(gòu)過于重疊、密集而影響掘進(jìn)時圍巖的穩(wěn)定性。然后，施工人員可選擇較為穩(wěn)定的巖層快速掘進(jìn)，配合耙桿機進(jìn)行初次開掘。出矸順暢后，利用側(cè)卸式裝巖機、EBZ160掘錨一體機在軟巖巷道進(jìn)行一次成巷支護(hù)，以提升大斷面軟巖巷道綜掘施工效率[4]。掘進(jìn)初期，巷道支護(hù)設(shè)計是采用錨網(wǎng)帶、錨索對巷道頂板進(jìn)行全封閉支護(hù)，頂板錨桿規(guī)格為2 400 mm×20 mm的高預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿內(nèi)注入K2340樹脂錨固劑，使巷道頂板上每根錨桿錨固力不低于22 MPa。巷道兩側(cè)可用螺紋鋼細(xì)絲錨桿進(jìn)行支護(hù)，排列成錨索結(jié)構(gòu)，錨桿規(guī)格為2 800 mm×20 mm，兩側(cè)同時設(shè)置W形鋼帶作為支護(hù)結(jié)構(gòu)之一，鋼帶長寬厚分別為2 600 mm×170 mm×3 mm。

4.2 綜掘施工的前期準(zhǔn)備

隨著開采機械化水平的提升，設(shè)備成為綜掘施工的基礎(chǔ)設(shè)施。在應(yīng)用大斷面軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)時，還應(yīng)合理應(yīng)用巷道掘進(jìn)設(shè)備[5]。對于大斷面軟巖巷道，巷道綜掘施工時，運輸刮板機、綜掘機、皮帶機屬于核心設(shè)備，其在應(yīng)用時可與巷道中的支護(hù)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)設(shè)施、降塵設(shè)備、供水供電設(shè)備共同構(gòu)建出機械化大斷面軟巖巷道綜掘系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在運行中可實現(xiàn)軟巖巷道快速掘進(jìn)的基本目標(biāo)，具有均衡性強、效率高、作業(yè)協(xié)調(diào)性強等優(yōu)勢。相關(guān)人員可根據(jù)大斷面軟巖巷道綜掘施工過程中的支護(hù)、掘進(jìn)要求，科學(xué)調(diào)整相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)，使其處于良好的運行狀態(tài)，更可靠地服務(wù)于綜掘施工作業(yè)。與此同時，綜掘施工期間，還應(yīng)加強設(shè)備維護(hù)、檢修，減少設(shè)備故障，為軟巖巷道綜掘快速施工奠定基礎(chǔ)。

除此之外，施工人員是落實大斷面軟巖巷道綜掘快速施工技術(shù)的主體，正式施工時，還應(yīng)對大工作斷面的所有施工人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，再分別從安全培訓(xùn)、技術(shù)培訓(xùn)入手，使其掌握大斷面軟巖巷道綜掘快速施工的技術(shù)方案，強化其安全意識、效率意識，可使其在管理人員的帶動下，完成巷道掘進(jìn)中的施工作業(yè)。部分掘進(jìn)設(shè)備操作人員需要在巷道掘進(jìn)時開展系統(tǒng)的專業(yè)培訓(xùn)，使其明確軟巖巷道綜掘施工質(zhì)量要求，在保障掘進(jìn)安全的前提下，提升巷道掘進(jìn)速度，規(guī)范地操作各類掘進(jìn)設(shè)備。

4.3 綜掘支護(hù)施工流程

4.3.1 綜掘支護(hù)設(shè)計

1）支護(hù)是大斷面軟巖巷道綜掘快速施工的核心內(nèi)容。為保證大斷面內(nèi)軟巖巷道支護(hù)的可靠性，應(yīng)在初次支護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行二次支護(hù)。大斷面軟巖巷道掘進(jìn)施工時，初次支護(hù)的基本工序包括施工準(zhǔn)備→綜掘機截割、排矸→大工作斷面初噴→作業(yè)平臺就位→前探梁支護(hù)→拱部支護(hù)→拱部錨網(wǎng)支護(hù)等。二次支護(hù)時，應(yīng)分別完成錨網(wǎng)支護(hù)、架棚、錨索支護(hù)、軟巖巷道復(fù)噴、巷道底板修整等工作。

2）大斷面軟巖巷道綜掘施工時，支護(hù)施工應(yīng)采用主動支護(hù)的方法。建設(shè)永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)時，大斷面軟巖巷道可利用鋼筋混凝土、型鋼作為支護(hù)材料。設(shè)計巷道中軟巖結(jié)構(gòu)的支護(hù)方案時，應(yīng)重點減少綜掘施工對地層產(chǎn)生的作用力。一般情況下，施工人員可在超強支護(hù)的基礎(chǔ)上，強化支護(hù)力度，若大斷面軟巖巷道中存在膨脹性軟巖，支護(hù)施工時可通過改變軟巖巷道底板、巷道拱頂支護(hù)強度的方式，確保軟巖巷道快速掘進(jìn)時的穩(wěn)定性。

4.3.2 綜掘支護(hù)施工

1）綜掘機截割時，施工人員應(yīng)在大斷面軟巖巷道中預(yù)留掘進(jìn)時的輪廓線，然后在輪廓線內(nèi)的50 cm處將厚圍巖截割。首次開挖作業(yè)完成后，在巷道中應(yīng)根據(jù)綜掘施工設(shè)計方案，在輪廓線內(nèi)開挖厚50 cm的圍巖，掘進(jìn)設(shè)備的基本路線為：（1）根據(jù)大斷面軟巖巷道的設(shè)計圖紙開挖輪廓線；（2）綜掘機首次截割輪廓線；（3）綜掘機首次截割掘進(jìn)路線；（4）綜掘機修正掘進(jìn)路線。掘進(jìn)過程中，若軟巖結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，施工人員需要靈活地調(diào)整開挖過程中的掘進(jìn)深度，將綜掘機截割時每刀的進(jìn)刀深度控制在0.6～0.7 m，進(jìn)刀次數(shù)約為1~3次。

2）掘進(jìn)后及時對軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)方法包括錨網(wǎng)支護(hù)、架棚支護(hù)、噴混凝土支護(hù)等方式。（1）錨網(wǎng)支護(hù)時，施工人員可同時對巷道拱部結(jié)構(gòu)、后巷進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)結(jié)束后用氣動錨桿支護(hù)巷道幫部。（2）架棚支護(hù)的主要材料是型鋼，施工人員可按照架棚支護(hù)設(shè)計值現(xiàn)場加工鋼棚，然后結(jié)合大斷面軟巖巷道的掘進(jìn)面劃分鋼棚。一般情況下，軟巖巷道掘進(jìn)面小于24~30 m2時，應(yīng)將鋼棚分為4~5段，分段后在巷道中挖鋼棚支護(hù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，安裝鋼棚。對于穩(wěn)定性較差的軟巖巷道，鋼棚支護(hù)后需要緊跟迎頭。（3）噴混凝土支護(hù)時，軟巖巷道的支護(hù)可分為兩步，分別為初次噴護(hù)、復(fù)噴。施工人員可在大斷面工作臺處安裝噴漿機，迎頭開挖、掘進(jìn)后立即進(jìn)行初噴，混凝土初噴厚度為35~50 mm，且初噴結(jié)束后可直接將工作斷面封閉。之后，用噴漿機在軟巖巷道后巷進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴時避免占用綜掘施工時間，實際復(fù)噴厚度應(yīng)符合軟巖巷道支護(hù)要求。

3）大斷面軟巖巷道支護(hù)時，可同樣采用砌碹支護(hù)方式，即在巷道綜掘施工過程中，直接在鋼拱架施工區(qū)域的10 m范圍外，將襯砌臺車移動到需要支護(hù)的位置，固定后架設(shè)輸送支護(hù)材料的管路，將混凝土襯砌在指定區(qū)域內(nèi)，以起到支護(hù)軟巖結(jié)構(gòu)的作用。

4.4 綜掘快速施工技術(shù)要點

大斷面軟巖巷道綜掘快速施工時，其基本的施工順序包括支護(hù)施工、快速掘進(jìn)等，掘進(jìn)作業(yè)通常會集中在巷道支護(hù)過程中。由于軟巖巷道本身的特殊性，綜掘快速施工時還應(yīng)明確各環(huán)節(jié)的施工技術(shù)要點。

1）施工人員應(yīng)及時將軟巖巷道頂板處的浮矸清除，然后在裸露的軟巖面上噴射50 mm的混凝土，并安裝預(yù)應(yīng)力較強的錨桿對軟巖面進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)過程中，相關(guān)人員可用FLAC數(shù)值模擬分析巷道支護(hù)參數(shù)的合理性，確保錨網(wǎng)支護(hù)可增加軟巖巷道圍巖和頂板的穩(wěn)定性。布設(shè)頂板錨桿時，施工人員可借助綜掘機在全斷面一次性掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中使用錨桿對頂板進(jìn)行支護(hù)，錨桿支護(hù)時最大空頂間距應(yīng)控制在2 m以內(nèi)。若發(fā)現(xiàn)巷道兩側(cè)圍巖破碎情況嚴(yán)重時，施工人員應(yīng)適當(dāng)縮小頂距。

2）快速掘進(jìn)5~10 m后，施工人員應(yīng)加強關(guān)鍵部位的支護(hù)，全斷面布設(shè)錨網(wǎng)、噴混凝土，混凝土厚度約為70 mm。在此過程中，施工人員還應(yīng)實時監(jiān)測綜掘施工時軟巖巷道的變形情況，當(dāng)掘進(jìn)后累計變形量超過100 mm時，需澆筑混凝土對圍巖進(jìn)行支護(hù)。

3）為提升軟巖巷道綜掘效率，施工人員可根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)的特性，靈活調(diào)整綜掘機的掘進(jìn)順序、掘進(jìn)速度。截割軟巖結(jié)構(gòu)時應(yīng)自上而下進(jìn)行切割，截割過程中應(yīng)注意根據(jù)軟巖巷道中圍巖結(jié)構(gòu)特點，控制截割速度和截割方向。

此外，設(shè)計軟巖巷道掘進(jìn)路線時，還應(yīng)結(jié)合巷道實際位置，分析巷道掘進(jìn)路線中的低強度區(qū)域、高應(yīng)力區(qū)域，然后推算軟巖分布情況，合理支護(hù)后再確定快速掘進(jìn)的路線。在此期間，為全面優(yōu)化軟巖巷道綜掘施工設(shè)計，還應(yīng)按照大斷面軟巖分布情況簡單布設(shè)巷道，重點預(yù)防綜掘施工中巷道內(nèi)存在空間重疊的情況。

4）由于大斷面軟巖巷道的特殊性，綜掘施工中的安全風(fēng)險較大，所以，在構(gòu)建綜掘快速施工技術(shù)體系時，還應(yīng)以智能掘進(jìn)為方向，將鉆孔成像技術(shù)、巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)、智能截割技術(shù)、輸送帶多點驅(qū)動功率平衡技術(shù)應(yīng)用在大斷面軟巖巷道施工設(shè)計中，以此夯實大斷面快速掘進(jìn)、軟巖巷道支運平行作業(yè)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，為在大斷面軟巖巷道綜掘施工中進(jìn)一步保障巷道掘進(jìn)的安全性與可靠性，相關(guān)人員應(yīng)集合大斷面軟巖巷道的地質(zhì)特點合理選擇綜掘支護(hù)方案，在安全支護(hù)的前提下，高效完成軟巖巷道的掘進(jìn)工作。掘進(jìn)過程中還應(yīng)堅持有掘必探，先支護(hù)后掘進(jìn)的基本原則，同時持續(xù)研究軟巖巷道的地質(zhì)參數(shù)，完善綜掘施工的技術(shù)方案，制定更可靠的施工管理條例，健全我國綜采中不同巷道綜掘施工技術(shù)體系。