大型設備換裝硐室施工與支護技術研究

劉威辰

（霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400）

1 前言

某煤礦設計生產能力1500 萬t/a，主要可采煤層4層，煤賦存穩定，資源基礎可靠。地質構造簡單，傾角一般小于3°，無大的斷裂及褶曲構造，也無巖漿巖侵入。目前，礦井主要掘進底車場大巷、大型設備換裝硐室和首采面順槽。巷道主要布置在3-1煤，并且沿煤層頂板掘進，煤層最大厚度6.4 m,黑色，條痕為黑褐-褐黑色，弱瀝青-瀝青光澤。由于煤層埋深約600 m，3-1煤含有一層厚度1 m 左右的“亮煤”，此層煤節理裂隙發育。巷道前期變形主要表現為拱肩或煤幫上部出現片幫，嚴重影響巷道成型。設備換裝硐室由于斷面較大，目前礦井處于二期建設過程中，存在運輸系統、提升系統尚不完善，井下作業空間受限、機械設備選型等問題，不能全斷面施工大型設備換裝硐室此類大型斷面硐室。

為此，本文根據此礦具體條件，提出分層掘進換裝硐室，采用錨桿、錨索、網、鋼帶耦合支護，并對實施效果進行了實測分析，取得了良好的效果。

2 工程概況

井下大型設備換裝硐室設計長度為66.532 m，開口位于與副井井筒距離76 m處，開口方位為144°。巷道坡度-7.39‰。處于3-1煤層中，煤層底板為8.9 m厚淺灰色粉砂巖，泥質膠結，巖體較完整，弱含水。底板粉砂巖硬度不高，根據現已施工段地質情況，巷道頂板及兩幫巖石不穩定，有片幫現象，施工時需及時支護。井下大型設備換裝硐室斷面設計為直墻三心拱形，巷道坡度-7.39‰。硐室巷道施工長度40 m，掘寬9 100 mm，掘高12 133 mm，S 掘=126.1m2；凈寬8 800 mm，凈高11 683 mm，S凈=117.3 m2。巷道平面布置圖見圖1，剖面圖見圖2。

圖1 換裝硐室平面圖

圖2 換裝硐室剖面圖

3 施工技術方案

3.1 施工工藝

由于該硐室斷面大，根據井下施工條件，采用臺階式分層掘進施工方法，分4層掘進，首次掘進自1-1斷面開口處，定制腰線，以10°上山施工至該巷道設計高度，然后分層掘進（第1、2、3、6 層），依次進行永久支護，分層掘進順序如井下大型設備換裝硐室分層掘進剖面示意圖3 所示進行。施工中依據中線，先全斷面掘進巷道拱部；待掘進至直墻后，先掘進巷道左半部分，永久支護好后，在掘進右半部分并進行永久支護。施工過程采取短掘短支，永久支護緊跟迎頭。

圖3 換裝硐室分層掘進剖面示意圖

待此段分層掘進至第三部分時，往3 號交叉點施工掘進2-2斷面，并與3號交叉點貫通，然后反向擴刷1-1斷面剩余部分（第4、5層），直至施工到該巷道設計高度及寬度。

3.2 支護技術方案設計

3.2.1 支護設計思路

針對本礦換裝硐室斷面大、圍巖穩定性差的特點。采取采用錨桿、錨索、鋼帶耦和支護。

3.2.2 支護設計方案及要求

放水巷規格為掘寬×高=9.1 m×12.133 m

（1）臨時支護

由于井下大型設備換裝硐室斷面大，需采用分層掘進施工方法，施工過程中，采用錨網索進行臨時支護。錨桿規格φ22×2 400 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，托盤規格150 mm×150 mm×10 mm，每根錨桿采用2 支樹脂藥卷，一支MSK2350 型樹脂錨固劑，一支MSCK2350型樹脂錨固劑；錨索規格φ18.9×7 500 mm，間排距2 400 mm×2 400 mm，托盤規格300 mm×300 mm×14 mm，每根錨索采用一支MSK2350 型和兩支MSCK2350 型樹脂錨固劑；金屬網片采用φ6 mm 圓鋼焊接制作，規格2 100 mm×1 100 mm，網孔規格100 mm×100 mm。臨時支護見圖4。

圖4 臨時支護示意圖

（2）永久支護

井下大型設備換裝硐室永久支護均采用錨網噴+錨索+鋼護板支護。

①錨桿規格：錨桿選用φ22×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，配高強度螺母。每根錨桿孔底配一支MSCK2350 和一支MSK2350 樹脂錨固劑。拱部及幫部網片采用φ6 mm 盤圓金屬網，網片規格2 100 mm×1 100 mm；采用拱型高強度托盤、調心球墊，托盤規格：150 mm×150 mm×10mm，配調心球墊和減阻尼龍墊圈。采用W型鋼護板，規格：450 mm×280 mm×4 mm。

錨桿布置：巷道頂部錨桿在巷中布置一根，然后向兩邊分布，1-1 斷面每排拱部11 根錨桿，每排每幫10根錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm；2-2、3-3 斷面錨桿間排距800 mm×800 mm；錨桿預緊力300 Nm，錨桿錨固力為80 kN。

②錨索規格：1-1 斷面錨索型號為SKP18-1/1860 φ18.9×8 300 mm，2-2、3-3 斷面頂部錨索型號均為SKP18-1/1860φ18.9×7 500 mm，錨固力≥200 kN；2-2斷面幫部錨索型號為SKP18-1/1860φ18.9×4 300 mm，預緊力均為200 kN。每根錨索配一支MSCK2350和兩支MSK2350 樹脂錨固劑。采用高強度拱形可調心托板規格為300 mm×300 mm×14 mm。

錨索布置：2-2、3-3 斷面拱部間排距2 400 mm×2 400 mm，拱部3 根錨索；2-2 斷面幫部錨索間排距1 000 mm×2 400 mm，每排每幫2 根錨索。1-1 斷面錨索間排距1 000 mm×1 000 mm，拱部每排12根錨索；每排每幫布置9根錨索；底板每排布置5根錨索，間排距為2 000 mm×2 000 mm，且制成鳥籠錨索。錨索預緊力不低于200 kN。永久支護設計見圖5。

圖5 永久支護設計圖

4 工程效果

為了確定巷道的支護效果，研究支護參數的合理性，設置了相應的測站。設備換裝硐室拱頂1個、硐室左右兩幫各1個。離層儀深部基點為8.0 m、淺部基點為2.4 m，分別監測深部錨索支護范圍內的變形和淺部錨桿支護范圍內的變形。通過現場觀測，間隔5d觀測一次數據，并及時對觀測數據進行分析，歷時40d的觀測發現，巷道施工后20d 左右頂底板和兩幫的圍巖變形都趨于穩定，具體位移量見表1、表2。硐室的支護有效的控制了圍巖和兩幫的變形，說明支護形式和參數是合理的，支護方案取得成功。

表1 頂板位移量

表2 幫部位移量

5 結語

通過對大型設備換裝硐室掘進工藝和支護技術研究，可以發現針對大斷面換裝硐室，充分利用現有設備，采用臺階式分層掘進施工方法，分部分，分階段掘進，適時反刷頂板，保證施工安全和進度同時達到設計巷道尺寸。利用錨桿、錨索、鋼帶耦和支護的綜合支護技術，增加了巷道強度，達到了巷道穩定的目的。

該種施工技術與支護設計的成功，可在同類條件的設備換裝硐室施工中推廣應用。