趙術江,臧燕杰,袁 越,

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.國網能源和豐煤電有限公司，新疆 和布克賽爾 834411)

1 工程概況及地質條件

國網能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦位于新疆和布克賽爾蒙古自治縣城東南63km，新疆和什托洛蓋合什東-沙吉海礦區(qū)的南部，設計產能為 500萬t/a，采用2斜井1立井綜合開拓方式。目前正在施工的軌道石門(如圖1)為沙吉海煤礦+550m水平開拓巷道。巷道全長為694m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，巷道凈寬為5000mm，凈高為4200mm，凈斷面積為18.8m2，采用錨網索噴支護，錨噴厚度為150mm。石門穿過的巖層大多為松散的含水砂巖、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖與礫石互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，膠結性差，巖石強度低，膨脹系數大，遇空氣易風化，遇水后巖石崩解沙化，巖石強度迅速降低，掘進過程中容易片幫、漏頂、泥化、安全威脅大、施工困難。

圖1 礦井巷道布置平面圖

2 破壞機理及支護對策分析

2.1 圍巖破壞機理

沙吉海煤礦軌道石門圍巖松散破碎，膠結性差，巖石強度低，自由膨脹率大，易風化、泥化，遇水后巖石軟化膨脹，并伴隨膨脹附加應力的產生，造成巷道圍巖整體變形量大，頂板下沉明顯，噴層由于受到拉剪應力的作用，開始開裂、脫落。根據圍巖X射線衍射分析結果可知，石門底板泥質巖石膨脹性粘土礦物含量高，最高可達73%，在水的作用及施工開挖擾動作用下，底板巖層產生顯著的臌起變形，水溝破壞，進而影響巷道兩幫及頂板的穩(wěn)定。巷道穿層掘進，各巖層之間層理、節(jié)理發(fā)育，結合力低，砂巖富水性較強，泥質巖石遇水砂化、崩解，掘進過程中巷道經常發(fā)生漏頂、片幫現象，造成支護困難。

2.2 支護對策

3 管棚工作原理及數值模擬分析

3.1 超前管棚支護的工作原理

超前管棚支護的工作原理與撞楔法工作原理相似。采取超前支護的工藝，超前支護頂板，在距巷道輪廓線一定距離的位置，按照一定的間距打設超前管棚孔，并沿孔口送入無縫鋼管，能有效的控制頂板下沉，對頂板提前進行支護，形成對圍巖爆破松動圈內的破碎巖石的超前臨時支護[2-4]。

3.2 軌道石門超前支護的數值模擬

1) 數值計算模型及參數

為了了解巷道采用管棚支護后圍巖的應力、位移、破壞場分布特征，并驗證其合理性，選取沙吉海煤礦軌道石門作為研究對象，采用三維有限差分大變形模擬程序FLAC3D，構建了巷道三維工程地質力學模型及錨網索+管棚+底角錨桿支護工況模型(圖2～3)。其中，錨桿、錨索分別采用恒阻大變形錨桿(Φ22mm×2700mm)和恒阻大變形錨索(Φ15.24mm×8000mm)。

圖2 工程地質力學模型

圖3 管棚+錨網索+底角錨桿支護模型

模型的計算范圍長×寬×高=20m×40m×40m，一共劃分了76271個單元，13254個節(jié)點。模型側面限制水平移動，底部為固定邊界，模型上表面為上覆巖體自重應力邊界，施加的荷載為7.7MPa。圍巖物理力學性質參數，綜合參考地質勘探報告以及巖體力學室內試驗結果確定(表1)。圍巖材料本構關系，采用Mohr-Coulumb模型。

表1 圍巖物理力學參數

2) 數值模擬結果分析

從水平位移場及豎向位移場(圖4～6)可以看出，巷道在采用錨網索+管棚+底角錨桿支護的工況下，位移量較小，變形得到了有效控制，巷道斷面形狀維持的較好，因此也未影響其正常使用。最大頂板下沉量為23mm，頂板無明顯的應力集中區(qū)，底板應力分布較為均勻，兩幫應力有向深部巖體轉移及擴散的趨勢。另外，從破壞場分布特征圖(圖7)可以看出，巷道頂板剪切塑性區(qū)范圍顯著小于兩幫，兩底角周邊的塑性區(qū)已基本消除。以上模擬結果及位移、應力、塑性區(qū)分布特征，表明了底角錨桿有效控制了兩底角及底板的塑性變形，減小了應力集中程度，恒阻大變形錨桿(索)起到了轉移圍巖的高應力、釋放一定變形能的作用。而超前管棚在巷道開挖前就已對松散頂板實行了預加固，提高了圍巖的整體性。巷道打開后，管棚及時阻止了淺部松動巖體的進一步離層、滑動發(fā)展，縮小了頂部的破裂區(qū)范圍，較大程度上保持了巖體的強度，有利于圍巖的穩(wěn)定，同時也消除了頻繁漏頂、片幫現象的發(fā)生[4-5]。

圖4 水平位移場

圖5 豎向位移場

圖6 豎向應力場

圖7 塑性區(qū)分布

4 支護設計及支護施工工藝

超前管棚+錨網索斷面支護圖，如圖8所示。超前管棚支護是在即將開挖的巷道沿外輪廓周邊上,間隔一定的間距,沿洞軸以一定的外插角鉆孔,安裝無縫鋼管。無縫鋼管外留一定長度，與預先錨網索噴預留的金屬錨網連接成整體。加固環(huán)發(fā)揮“承載拱”的作用,承受拱上部的地面荷載和巖層重量,使拱內部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力,從而創(chuàng)造了理想的開挖條件。

陳主任將呂凌子帶到辦公室的一個內間。內間除了辦公桌、文件柜，靠門處還擺放了茶幾和沙發(fā)，看上去比外間至少大了兩倍。

1) 錨桿：錨桿選用恒阻大變形錨桿，錨桿分為兩部分：恒阻器和桿體，恒阻器規(guī)格為Φ34mm×500mm，桿體為Φ22mm×2200mm，總長度應為2700mm，錨桿間排距為800mm×800mm，錨桿托板規(guī)格為120mm×120mm×10mm碟形鐵托板，錨固劑藥卷采用K2370和CK2370各一根。

2) 錨索；選用恒阻大變形錨索，錨索分為兩部分：恒阻器和錨索。恒阻器規(guī)格為Φ34mm×500mm，錨索規(guī)格為Φ15.24mm×7500mm，總長度應為8000mm，錨索間排距為1800mm×2400mm，錨索托盤采用400mm×200mm×80mm的槽鋼和200mm×150mm×10mm鋼板焊接而成。錨固劑藥卷采用3根K2370和1根CK2370藥卷。

3) 金屬網：網片采用Φ6.5mm的鋼筋編制網，網目規(guī)格為100mm×100mm，搭接為100mm采用14#鐵絲每隔200mm綁扎一道。

4) 噴層：噴射砼厚度為150mm，使用標號不低于P.O32.5R普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中粗河砂，石子為粒徑5～10mm的碎石。噴砼強度等級C20，重量配合比為水泥∶砂∶石子=1∶2.03∶2.19，水灰比0.48；速凝劑摻入量一般為水泥重量的2.5%～4%。水溝砌筑砼強度等級C20，砼重量配合比水泥∶沙∶石子=1∶1.29∶2.31，水灰比0.69。

5) 管棚超前支護參數

①超前支護長度：掘進過程中，循環(huán)進尺1.2m，在對圍巖性質分析的基礎上，確定超前支護長度為3600mm，超前管棚長3800mm。選用Φ32mm×3800mm的鋼管制作管棚。

②超前管棚的布置方式(圖9～10)：管棚眼距為450mm,在距巷道輪廓線100mm處以30的夾角斜向輪廓線外打眼，眼底坐落于巷道輪廓線外150mm處，眼深3600mm，外露的管棚大約200mm，用14號鐵絲雙股綁在頂部金屬錨網上[8]。

圖8 巷道斷面支護圖

圖9 管棚支護圖

圖10 管棚剖面圖

5 管棚施工工藝流程

按設計打管棚孔→安裝固定管棚→按設計打爆破眼→爆破→處理頂部圍巖→打錨桿掛網支護頂板→處理兩幫并進行支護→打錨索噴漿成型。各環(huán)節(jié)具體施工過程如下：

1) 管棚插入及孔口處理：超前管棚管徑，選用Φ32mm 鋼管，管棚鋼管長度采用3800mm，管棚應沿巷道開挖輪廓線向外傾斜，其傾角一般不宜大于5度，管棚鋼管沿巷道拱部開挖輪廓線布設，布設寬度為450mm，沿拱部開挖外輪廓布置。

2) 管棚打設：打設排干眼時，要嚴格按設計的眼距、眼深、傾斜角打設；安裝排干時，管棚要與巷道頂部的金屬網連接牢固，同時相鄰的管棚也要用12號鐵絲相連，以防放炮打偏。

3) 炮眼布置及打設：周邊眼距排桿眼200mm，周邊眼盡量與管棚眼成交錯布置，炮眼深度為1400mm，每眼裝藥不超過1塊。

4) 爆破后及時檢查管棚與頂網的連接和相鄰管棚之間的連接是否被打開，及時將其連接牢固，以作為臨時支護。然后打錨桿掛網噴漿支護頂板，金屬網掛在管棚下，將管棚連成一個整體[6-9]。

6 應用效果分析

沙吉海煤礦含水松散膨脹復合型軟巖巷道采用管棚超前支護，保證施工中安全與巷道成型，降低了工人的勞動強度，為礦井快速、安全施工創(chuàng)造有利條件，縮短了建礦周期，提高了社會、經濟效益。

1) 安全質量分析：超前支護的管棚間距0.45m，相當于提前進行了臨時支護，這是一種類似主動支護方式。巷道開挖后，煤礦職工可在管棚超前支護的掩護下進行作業(yè)，強化頂板控制，消除片幫、漏頂的安全隱患，實現安全生產。實踐證明，使用管棚超前支護在施工軌道石門過程中，沒有出現片幫冒頂現象，對巷道的成型起到了決定性的作用。同時，也相應的降低材料消耗及浪費，節(jié)省了人力、物力、財力。

2) 經濟效益分析：管棚超前支護長度3.8m，施工過程中循環(huán)進尺1.2m，按正常的施工順序，每天完成三個循環(huán)，進尺3.6m，只需要打一次管棚即可，提高了掘進速度，縮短了施工周期。自從實行了管棚超前支護以來，2012年3月份該掘進工作面掘進50m，4月份進尺70m，5月份進尺90m，為礦井快速施工創(chuàng)造良好條件。

7 結語

針對沙吉海煤礦軌道石門遇水泥化、沙化嚴重，易片幫、漏頂，在掘進過程中隨掘隨冒、安全威脅大、施工困難的問題，通過現場工程地質調查及理論分析，明確了其破壞機理，提出了超前管棚+錨網索噴耦合支護對策。在數值模擬分析的基礎上，進行了巷道的斷面支護設計、施工工藝設計和現場工業(yè)性試驗。通過本次研究與工程實踐，主要得到了以下幾點認識和體會：

1) 采用超前管棚+錨索網噴的支護方式，有效控制了沙吉海煤礦含水松散膨脹復合型軟巖巷道大變形破壞，保證了圍巖穩(wěn)定，消除了大面積冒頂、片幫的安全隱患，為巷道快速、安全施工創(chuàng)造了良好條件。

2) 松散膨脹復合型軟巖巷道在施工過程中，易頻繁發(fā)生片幫、漏頂現象，此時對掘進工作面前方圍巖實施超前管棚支護，對圍巖能起到有效的支撐作用，形成統(tǒng)一有效的整體，為后續(xù)的掘進施工提供了安全保證。

3) 應用超前管棚+錨索網噴對松散膨脹復合型軟巖巷道進行支護，具有顯著的經濟效益和較強的實用性，并在沙吉海煤礦運輸石門、回風石門、內外水倉掘進過程中成功應用，為沙吉海礦區(qū)類似圍巖地質條件的工程支護提供了有益的借鑒和參考，具有一定的推廣應用價值。

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