白堊系軟巖斜井綜掘機械化施工技術研究

李 明 張 瑋 李俊峰

（平煤神馬建工集團有限公司，河南省平頂山市，467000）

1 工程概況

內蒙錫林浩特五間房東區煤礦設計生產能力700萬t／a，副斜井全長1447m，傾角6°，巷道凈寬5.3m，凈斷面積19.5m2。支護形式為25U 型鋼、網噴射混凝土厚300mm 聯合支護。井筒施工遇到的最大困難是通過白堊系軟巖時極易冒頂，這也是國內斜井軟巖施工速度慢、綜掘支護速度不同步亟待解決的問題。針對上述問題，研制開發出了拱形盾構掩護支架，采用綜掘機械化作業，巷道掘進取得了一定的效果。

2 水文地質

井筒檢查鉆孔揭露的地層主要為新生界第四系、第三系與中生界白堊系地層，均屬陸相沉積地層。第四系全新統 （Q4）地層分為二部分，上部為風積砂，下部為沖積湖積砂層，第四系全新統地層總厚度15m 左右。第三系上新統 （N2）地層主要為泥巖，底部有一層中砂巖或細砂巖，泥巖為棕紅色，塊狀構造，遇水膨脹，失水干裂，具有可塑性，局部含鈣質結核，透水性差，厚度40 m 左右。第三系上新統與下伏地層為不整合接觸。白堊系下統巴彥花組 （K1b）為本區主要含煤段，軟巖普氏系數f=0.8～2，巖性由灰～深灰色泥巖、粉砂巖、中～細粒砂巖夾粗砂巖薄層、炭質泥巖及煤層互層組成，富含動植物化石。白堊系是一套較厚的多旋回的內陸沉積，每個旋回的頂部都有厚層的泥巖、粉砂質泥巖分布，泥巖巖性密實，含水微弱，是良好的隔水層，厚度128m 左右。

3 工程施工

3.1 施工要點

白堊系軟巖含水有明顯的流變性，并且對應力擾動、施工震動極為敏感。其破壞特征表現一是變形破壞形式多，如拱頂下沉、冒頂、偏幫、底臌；二是變形量大，井筒的收斂變形從幾厘米到幾十厘米；三是圍巖破壞范圍大。根據支護原理及要求，治軟先治水、治水先治底、讓抗結合、釋放壓力、減少風化、迅速封閉，井筒所采用聯合支護方式充分利用了U 型鋼支架可縮和網噴支護封閉巷道施工快捷的優點。根據井筒及水文地質特點制定的施工方案關鍵，一是治水，二是采用綜掘機械化作業線快速施工。

軟巖施工治水是關鍵，按井筒上、中、下分段同步采用截、堵、排綜合治理。截：井筒壁后注漿，把井筒地表上部潛水堵住封死；堵：重點對含水層超前小管棚注漿封水，形成拱形防水帷幕，提高軟巖自身的承壓能力；排：在井筒工作面底板中部鉆出超前水窩排水，減少水對軟巖的影響。

3.2 綜掘機械化作業線

作業線包括一臺EBZ160掘進機，拱形盾構掩護支架一套兩臺，配套轉載機，一部STB-800型帶式輸送機，保證了雙向連續運輸。

3.2.1 拱形盾構掩護支架設計

根據U 型鋼支架SAP2000軟件計算，鋼支架最大彎矩在拱肩位置，為17.6kN·m，最大軸力在直墻位置，為131.9kN，截面最大應力為272 MPa。25U 型鋼支架屈服強度335MPa，是截面最大應力272 MPa的1.23倍，滿足支架強度要求。拱形盾構掩護支架由支撐結構、液壓頂移行走機構、液壓升降機構、液壓護頂探梁4部分組成。兩臺掩護支架分別由兩臺控制臺調控。其中，掩護支架支撐結構長1.6 m，主要由25U 型鋼支架拼接的拱形鋼架和外部的筒壁組成。為了保證掩護支架有足夠多的空間，筒壁選用了Q345冷彎帽型鋼，它是同規格槽鋼抗壓能力的2倍，加之內、外還有兩層鋼板，足以承受巷道頂、側壓力。液壓頂移行走系統由裝在鋼筒兩側的4臺千斤頂、內置在鋼筒內的頂鐵和軌枕、底輪組成。頂鐵作為千斤頂的支座可承受較大的頂力，軌枕、底輪的作用一是掩護支架擴大了底面積、可承受較大壓力，二是導向、確保快速頂移。液壓升降系統由安裝在底框梁下部的4臺同步升降千斤頂組成。頂移時，調控升降千斤頂，使前移支架的筒壁與巖體分離，大大減少了筒壁與巖體的摩擦力。拱頂液壓探梁均勻地布置在掩護支架拱頂，前、后探梁的作用一是頂移到位，同步伸出掩護支架探梁護頂；二是支架回縮油缸時，帶動鋪網、架棚就位，提高了工作效率。為了拆卸安裝方便，整個支架采用高強螺栓連接。油泵通過分配器，可保證千斤頂同步頂進，遇到特殊情況，通過三位四支座通閥，啟動一側頂移千斤頂左右調偏。出現底部 “扎頭”時，采取掩護支架前毛石鋪底加固糾偏。

3.2.2 掩護支架頂移工藝流程

掩護支架頂移工藝流程見圖1，支架1 與支架2 頂移步距與棚距一致，支護、頂移行走交替進行。

第一階段施工準備。按井筒中心、腰線鋪軌，井筒留出臨時支護且稍大于掘進荒斷面的準備巷道4.2m 組裝掩護支架，見圖1 （a）。

第二階段正常施工循環時，掘進機切割巷道中下部掩體時，支架2伸出升降千斤頂油缸掩護支架升起當支座，支架1前移一個棚距，同步伸出后探梁護頂。支架1到位后，井壁等當支座，支架2前移一個棚距，后探梁同步伸出護頂。后探梁收回時，拱形棚梁和金屬網一起就位。安裝棚腿、打緊背板，見圖1 （b）和圖1 （c）。

第三階段掘進機切割巷道上部掩體，支架2后面噴射混凝土。在噴射混凝土前，在兩架棚之間安裝防塵罩封閉，減少粉塵污染環境。井筒拱頂切割完畢，支架1伸出前探梁護頂，見圖1 （d）。整個循環中支架頂移、鋪網架棚、噴射混凝土均與掘進機平行作業，充分發揮了掘進機的高效。根據井筒開挖地點巖性水文的實際情況，還可在支架1與支架2之間采取花管注漿、小管棚等固頂預控措施，確保施工安全。

4 效益分析

（1）該綜掘機械化作業線投資少。軟巖斜井施工是凍結法施工投資的一半，是管棚法施工的四分之三，是普通爆破法施工的五分之四。

（2）工期短、速度快。金屬支架、噴射混凝土施工全部與掘進機同步平行作業，月進度300 m以上，提前發揮投資效益數千萬。

（3）安全可靠。不放炮、對圍巖影響小。掘進、架棚、噴射混凝土作業均在盾構的保護下施工，杜絕了冒頂事故的發生。

（4）工效高。掘、支、運機械化配套、作業環境好，環保節能。比傳統法施工減少了高負荷大用電量，僅電費每天就節約上萬元。

圖1 掩護支架頂移工藝流程

5 結語

綜上所述，新疆、內蒙、甘肅、陜西等西北地區的地質條件復雜，綜掘機械化作業施工技術是斜井通過軟巖施工技術新的探索，填補了國內該項技術的空白。

［1］ 劉英華.斜井通過軟土層頂移盾構施工技術 ［J］.煤炭工程，2012 （2）

［2］ 戴俊.松散破碎隧道管棚超前應用支護技術研究［J］.建井技術，2010 （5）

［3］ 牛清河.掘進機大坡度斜井井筒施工中的應用［J］.河南理工大學學報，2011 （S）

［4］ 何滿潮.煤礦軟巖工程技術現狀及展望 ［J］.中國煤炭，1999 （8）

［5］ 何滿潮.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南 ［M］.北京：科學出版社，2011