高應力破碎軟巖中大硐室施工及支護工藝優化

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中一直存在著觀感較差、工序繁雜、支護困難等問題，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，而且造成了一定程度的二次翻修。因此，選用傳統的施工和支護等工藝，不僅影響施工進度的同時，還造成材料浪費、巷道超挖嚴重、后期來壓明顯等現象。為此，在永久泵房的施工過程中，必須對傳統的施工和支護等工藝做出優化與創新，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.

關鍵詞：多層正臺階施工;周邊切割眼;支護工藝

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

中圖分類號：TD264? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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、變形嚴重、支護困難，對施工、支護的要求較高。傳統的施工、爆破及支護工藝，對圍巖破壞較大、支護強度較低、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形成的工期，延后礦井投產節點。因此，合理選擇安全、可靠、有效的施工、爆破及支護工藝顯得尤為重要。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行深度分析和研究的基礎上，吸收其他礦區及公司內部施工軟巖地層中大硐室施工的先進理念和成熟經驗，嘗試多層正臺階施工、增大掘進斷面的施工方法、增加周邊眼切割眼的爆破方法、增加支護形式等方法，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。井底車場工程——永久泵房，位于土耳其西部的 Egean 地區 soma 煤田，該地區煤田地質及水文地質結構較為復雜。永久泵房設計凈寬5600mm，凈高6300mm;根據地層情況嘗試在設計荒斷面的基礎上，整體擴大300mm，給予地壓以充足的釋壓空間。擴大后掘進斷面尺寸為：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、層理狀構造，薄片層狀的節理，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，產狀80-85°之間，近乎直立傾斜，未發現斷層、陷落柱等構造。KM2褐煤賦于M1地層之上，且其上部為M3、M2灰巖。永久泵房巷道頂板距離KM2煤層最近底板約為74.56m，距M2灰巖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K值波動比較大，根據鉆探鉆孔（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圍巖狀態和支護結構形式而定，一般為6-8m。

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

2.1.2 施工步驟

如圖1所示，拱部打眼爆破通風后，對揭露的巖石進行素噴。用單體液壓支柱進行臨時支護后，找夠拱部斷面尺寸，再打下一循環拱部炮眼，然后錨網索噴支護，進行下一循環掘進。待拱部超前中層臺階6m左右時，中層臺階可平行作業。中層臺階掘進采用MWY6/0.2型液壓挖機施工，挖掘機挖出中層臺階設計高度后進行錨網索噴支護，待中層臺階超前下層臺階6m左右時，下層臺階可平行作業。下層臺階掘進同樣采用MWY6/0.2型液壓挖掘機施工，挖掘機挖至掘進底板后進行錨網索噴支護。至此上、中、下三層臺階可同時平行作業完成全斷面掘支循環，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 支護工藝

2.3.1 超前支護

采用懸吊式超前錨桿支護形式。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。爆破進行永久支護后，在工作面輪廓線以外進行打眼，然后將超前錨桿注入打好的眼孔內。超前錨桿懸吊點選在已永久支護的鋼帶上，利用12#鐵絲將超前錨桿綁扎在鋼帶上。待下一循環永久支護時，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——循環進度，m;

L2——桿體外露長度，m，一般為0.1-0.2m;

L3——桿體留在循環進度外巖體中的長度，m， 一般 ≥0.4m。

2.3.2 臨時支護

臨時支護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的方木進行巷道臨時支護。

2.3.3 永久支護

①支護設計。采用剛柔耦合的兩次支護形式：一次支護為柔性設計，以樹脂藥卷錨索支護+金屬網+鋼帶+δ50㎜噴射混凝土;二次支護為剛性設計，以U34型鋼拱架+噴射混凝土厚度為150mm，強度等級為C20。

巷道掘進后，對揭露的巖面進行一次支護。二次支護暫緩施工，待巷道釋壓后，圍巖呈穩定狀態時，再次進行二次支護施工。

②支護材料選擇。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的間排距進行支護;墊板采用δ16mm鋼板制作，規格為300×300mm;網片采用Φ6.5的盤圓焊接，網度為100×100mm;鋼棚采用U34型鋼拱架鋼棚（5節/副），架設間距500mm，每節采用3副抱卡搭接，搭接長度500mm;δ200mm噴砼，強度等級為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）。從而達到在圍巖不穩定及高度較大硐室的施工中，降低施工風險、增強安全系數的目的;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，提高施工進度。

3.1.2 采用挖掘機施工下層臺階

在軟巖硐室施工中，選擇投入挖掘機施工中、下層臺階過程中，在減小人工勞動強度的同時，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。在后期的支護過程中，節省支護時間，節約支護成本。

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，確保在爆破過程當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，應力波作用下巖體塑性區范圍在100倍的裝藥半徑），構成一圈隔離層，不但無形的緩解了爆破后產生的沖擊力，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到一定破碎程度，為下一步加快中層臺階的施工和開挖創造有利的條件。

3.3 支護工藝

3.3.1 超前支護

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

3.3.2 永久支護

在日常掘進施工中，由于揭露的圍巖軟弱、且較為破碎，現場在原有永久支護形式的鋼筋網片上，增加菱形鐵絲網（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化的結果，利用標記法在巷道全斷面做變形觀測點，每組觀測點主要在頂板、肩窩、墻部和底腳布置，保證以上位置不得少于一個觀測點，每5m布置一組。將每個觀測點賦予X、Y、Z坐標，每次進行觀測后計算各點的空間位移量，進行統計分析。在進行了為期45天的觀測后（每5天觀測一次），形成位移量（cm）與時間（d）的關系圖，如圖3所示。

分析結果：在硐室施工結束后，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定。分析結果說明，雖在硐室施工結束30d以內有較為明顯的來壓變化，但30d以后圍巖穩定性增強，所以通過對以上工藝的優化與創新，可有效控制地壓和巷道變形，且硐室釋壓后仍可達到設計斷面尺寸。

4? 鞏固措施

4.1 二次支護

根據圖3分析，在待一次支護結束40d以后，進行二次U34型鋼棚支護及反底拱的安裝。鋼棚架設過程中，若出現與一次支護體之間存在間隙時過大時，需用半圓木接實。鋼棚架設完畢后，進行C20噴射砼支護，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，需經加水稀釋成需要的濃度。

④質量標準，注漿孔的布置角度及深度應符合設計要求，孔位與設計位置的允許偏差為±50mm;當注漿壓力達到設計終壓或注漿量達到設計值的80%以上時，單孔注漿結束;當所有注漿孔均符合單孔結束條件、無漏注情況時，全段注漿結束。

5? 結論

高地壓、破碎軟巖地層中大斷面硐室施工，通過對施工的優化，促進生產進度，降低施工強度，提高安全系數;通過對支護工藝的優化，增強圍巖的承載結構，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化，減少對圍巖破壞，增強圍巖整體性，提高光爆效果及巷道成型。該成果能夠實現技術上可行，經濟上合理，具有廣泛的推廣使用價值。

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