斜井表土粘土層凍結法施工巷道支護方案優化探討

文/楊廣祥

斜井表土粘土層凍結法施工巷道支護方案優化探討

文/楊廣祥

新汶礦業集團內蒙能源公司長城五號礦井井田位于內蒙古自治區鄂托克前旗西約70km處，屬內蒙古自治區鄂爾多斯上海廟煤田西部芒哈圖勘查區，本區位于毛烏素沙漠西南邊緣，呈低緩丘陵地貌，西低東高，最低點位于井田西部，海拔標高為1200m，最高點位于井田中部，海拔標高為1238.7m，最大高差38.70m。本文針對長城五號礦井主、副斜井新近系粘土含水層支護方式提出優化方案，結合凍結法施工工藝，設計并提出以錨網噴代替U型棚支護方案，通過兩幫移近量、頂板下沉量、錨桿受力情況的觀測來檢驗支護效果。實踐證明，優化方案簡化了支護工藝，較好地實現掘砌平行作業，加快了井筒掘砌速度，對于蒙西南地區表土層粘土段凍結井筒施工具有較高的參考價值。

一、地質和工程概況

1．地質概況

新近系(N)。地表未見出露，全層厚度76.00～231.36m，平均厚度164.23m。據鉆孔揭露，上、中部為棕紅色半膠結紅土層，由砂質粘土夾少量礫石組成，下部為棕紅色亞粘土夾石膏薄層，底部為淺紫灰色半膠結砂礫層，礫石成分以石英巖、灰巖為主，厚度8.00～20.00m，平均厚度14.92m。與下伏地層為不整合接觸。

第四系（Q）。全區廣泛發育，厚度為7.70～38.00m，平均21.87m。頂部為現代風積沙丘及沙土層，中部為黃土層，由灰黃色亞粘土、亞沙土組成，底部為河流沖積的松散砂礫石層，其厚度發育不均，一般為0.70～5.50m，井田北部地表為固定沙，南部為半固定沙。與下伏地層為不整合接觸。

2．工程概況

主副斜井自埋深113m～208m表土段地層采用凍結法施工。斜井凍結段井筒支護采用雙層井壁，外層井壁采用“掛網+U型鋼棚+噴漿”支護方式，噴射厚度200mm，噴射混凝土強度C20；內層井壁采用鋼筋混凝土砌碹支護，砼強度C55，并摻入水泥用量8%～10%的JQ-P5型早強抗裂防水劑。

二、錨網噴支護方案設計

1．錨桿支護

由于井筒斷面較大，工作面按原設計支護方式掘進中暴露出諸多問題，一是25U型鋼棚比較重，架設困難；二是架設25U型鋼棚跟迎頭掘進易被爆破作業打變形，從而出現倒棚現象；三是嚴重制約施工速度，工期不能按計劃進行。通過后位補打錨桿支護實驗的效果顯示（即在已架設好的U型鋼棚之間的巷壁打安錨桿做拉拔力試驗），以“錨網噴”替代架設25U型鋼棚支護可有效達到設計支護的強度要求。

2．可行性分析

實際的凍結效果為：副斜井凍結段為新近系粉紅色粘土、砂質粘土、砂層和礫石層，沿井筒施工方向布置五排凍結孔，兩邊排孔的孔距為9m，巷道中線距兩邊排孔4.5 m，凍結壁厚度為頂板6.5m，底板5.5m，兩幫3.1m。實際揭露，地層經凍結后凍土凍結良好，迎頭爆破開掘后凍土穩定，井壁溫度都在-12℃以下，最低溫度達到-17℃。

根據以上情況分析認為，井壁凍結后凍土穩定性較好，可采用錨網噴支護，維護到永久井壁澆筑成井。

3．支護參數

采用全螺紋等強錨桿。共布置錨桿17根，拱頂及兩肩窩共7根，錨桿規格為Φ20mm×1400mm，錨固深度700mm，間、排距800× 800mm；肩窩向下到墻角兩幫井壁各布置5根，錨桿規格Φ20× 800mm，錨固深度700mm，間、排距900×800mm；

采用MSK2370型樹脂錨固劑進行錨固；

金屬網采用Φ6.5mm鋼筋加工而成，規格1m×3m，網格尺寸100mm×100mm，搭接壓茬100mm；

噴射混凝土強度為C20，噴射厚度為100mm；

錨桿的錨固力100kN，錨桿預緊力不低于400N·m。

巷道支護斷面圖如圖1所示。

圖1巷道支護斷面圖

4．采取的措施

（1）加強爆破管理，優化爆破參數，減少爆破影響。增加周邊孔個數，減少周邊眼裝藥量，盡量達到光面爆破，減少對凍土層影響，尤其是注意減少超挖量。

（2）嚴格控制錨桿位置和眼深。為防止墻部錨桿施工時打穿邊排凍結孔和錯用長鉆桿，必須嚴格控制錨桿位置和眼深，打錨桿孔前必須由專人點眼，并固定專人和專用鉆桿打錨桿孔。對爆破后超挖或片幫處必須經過噴漿補齊后再打錨桿。

（3）及時進行噴漿支護。錨網后及時進行噴漿，防止凍土層融化后片落。噴漿時與兩墻同時噴起來，以增加噴漿面積，提高整體支護效果。

（4）優化施工工序安排，噴漿后進行出矸、打炮眼工作，給噴漿體留出足夠凝固時間，凝固好以后再進行爆破作業。

（5）反復多次進行噴漿，達到理想效果。一次噴漿達不到200mm厚度，須進行復噴漿，尤其是對爆破震掉的噴體部位，進行補噴，保證噴漿質量。

（6）要備有注漿管、樹脂等堵漏材料。若打破鹽水管要及時按上注漿管關閉上部鹽水干管閥門，廢孔及時用樹脂封孔。

三、施工過程及效果

1．施工過程

爆破后先蹬矸對頂板進行錨網噴支護，拖后3～5m對拱肩及兩墻上部進行錨網噴支護，拖后5～10m對已出矸石后的兩墻下部進行錨網噴支護，以此類推向前隨掘進隨進行錨網噴支護，迎頭后10～20m噴漿達到設計厚度。

2．實施效果

施工中為保證錨網噴支護效果，應盡可能降低凍土層溫度，延長凍土暴露的時間，以增加有效施工空間，為大循環平行作業創造條件。

采用“錨網噴+噴漿”支護方式，其優點是減少了架棚施工環節，可實現迎頭掘進、復噴工序平行作業，提高施工效率，加快掘進速度。采用該方式，巷道造價比原支護方式降低，且施工速度有顯著提高。

四、支護效果現場監測和結論

為檢驗支護效果，長城五號礦井施工人員對主、副斜井凍結段巷道變形量進行了觀測。主副斜井凍結段典型的水平收斂變形歷時曲線見圖2。

圖2開挖后典型收斂變形曲線

巷道的變形監測主要通過收斂計進行井幫移近量的監測。井筒開挖后，在主副斜井粘土層錨網噴支護段每隔一定距離在井幫上布置一組觀測點，獲得斜井開挖后歷時時間與巷道收斂變形值的關系，經對收斂監測數據分析得出，主、副斜井收斂變形速率基本一致。同時，經對凍結壁情況進行實時監測，主副斜井開挖前后凍結壁，以及井幫溫度及變化規律基本相同，巷道支護效果完全符合設計要求。從錨網噴支護開始到澆筑成井，錨網噴支護巷道的最長暴露時間達46天，從變形量觀測記錄可以看出巷道變形量在允許范圍以內，支護效果較為理想，充分說明凍結段粘土層采用錨網噴支護可以替代U型鋼棚支護。

（作者單位：山東能源新礦集團內蒙能源公司長城五號礦井）

（責任編輯：周瓊）