大跨度小夾角巷道立交的研究與應用

姜啟彬 范備戰 秦 濤

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

1 工程背景

郭屯煤礦-808 m 輔助進風上山是礦井主要輔助進風大巷，巷道設計凈寬5 m，+12°施工。-670 m回風補巷是礦井主要回風大巷，巷道設計凈寬5 m，+15°施工。兩條開拓大巷于-746.3 m 處立交，A點至B 點水平距離20 m，層間距0～1.6 m，水平投影夾角30°。由于-808 m 輔助進風上山掘進進度先于-670 m 回風補巷100 m，工期緊張不能暫停施工，一般的下層巷道架棚方案不能使用。因此立交架棚方案只能定在-808 m 輔助進風上山，需在AB點造假底作為-670 m 回風補巷的假頂，但是由于立交跨度達20 m，一般鋪底的方案無法滿足安全要求。巷道立交位置圖如圖1。

圖1 巷道立交位置圖（m）

技術人員通過摸索、借鑒和力學計算決定采用幫部錨桿懸吊工字鋼的立交方案[1-3]。

該技術方案理論上適用于煤礦井下各種夾角的巷道立交，解決了普通過立交方法不適用于大跨度、小夾角的難題，且不受上下層巷道施工順序困擾。

2 技術研究及方法

2.1 技術方案研究對比

針對小夾角、大跨度的立交特點，技術人員先后提出了：（1）暫停上層巷道施工，先施工下層巷道，再采用傳統方法在下層巷道架棚造假頂方案，然后再施工上層巷道；（2）先施工上層巷道，然后對上層巷道底角刷擴，混凝土預制底，再鋪設工字鋼造假底，下層巷道施工時，縮小巷道寬面至4.4 m；（3）先施工上層巷道，臥底鋪設工字鋼，在幫部打設錨桿，用于懸吊工字鋼，澆筑后再施工下層巷道，最后在下層巷道施工時再架設可縮鋼棚。

經過研究對比發現：傳統架棚方案需暫停上層巷道施工，按照當時掘進速度和現場條件，耽誤工期約1 個月；鋪設假底方案是一種在大夾角、小跨度立交上常用的方法，但是本立交夾角僅為30°，跨度長達20 m，且作為礦井主要回風巷，不易縮小巷道斷面；幫部錨桿懸吊工字鋼的立交方案可以在不改變巷道施工順序和巷道斷面的情況下，解決小夾角、大跨度立交難題。

2.2 幫部錨桿懸吊工字鋼立交方案

立交跨度達20 m，為保證安全，設計按照23 m，每側多留出1.5 m。因此需在上層巷道施工23 m 假底作為下層巷道假頂。設計采用直徑6 mm 編織焊接金屬網和12#礦用工字鋼作為假底基礎骨架，并澆筑400 mm 厚C30 混凝土。12#工字鋼按照排距1 m 進行密排，需用量24 根。巷道寬度5 m，12#工字鋼長度選取5.4 m，每側進入煤壁20 cm，防止巷道立交時漏風。在下層巷道掘進至假底下部時，再采用可縮U 型鋼架棚，進一步提升安全系數。

假底重量：53 根12#工字鋼重1739 kg，混凝土50 m3重120 t，金屬網約1 t，總重量約123 t。幫部錨桿采用MSGLD500-22/2400 螺紋鋼錨桿，每根錨桿設計錨固力16 t，水平+30°施工，每根錨桿可提供8 t 拉力，每根工字鋼兩端各由2 根錨桿固定，共需錨桿92 根，提供736 t 拉力，完全滿足安全要求。如圖2、圖3。

圖2 上層巷道假底斷面示意圖（mm）

圖3 上層巷道剖面示意圖

2.3 懸吊立交施工步驟

（1）上層巷道施工過設計立交位置50 m 后，在距離底板1.3～1.5 m 的位置標記巷道腰線，腰線+12°與底板平行；在設計立交范圍內對底板進行臥底0.4 m，長23 m，寬5.4 m，并清理浮矸。

（2）臥底后，在底板鋪設直徑6 mm 的編織焊接金屬網，網片之間搭接采用直連或12#鐵絲綁扎，壓茬100 mm。

（3）自巷道上坡向下鋪設12#礦用工字鋼，垂直于巷道兩巷，每側進入幫部0.2 m，排距1 m。12#礦用工字鋼之間采用1.4 m 錨桿連接，每根至少連接2 根錨桿，使工字鋼連成一體。如圖4。

圖4 步驟3（m）

（4）在巷道兩幫腰線位置、對應的工字鋼正上方施工2 根錨桿，錨桿水平+30°施工。錨桿與工字鋼之間使用40T 鏈子連接。

（5）工字鋼上方鋪設一層直徑6 mm 的編織焊接金屬網，并使用雙股12#鐵絲將工字鋼與上下側金屬網連接到一起，間距300 mm；使用C30 混凝土進行澆筑，并養護7 d。

（6）下層巷道掘進過立交位置后，進行架棚，棚距1 m，完成施工如圖5。

圖5 完工后立交俯視圖

2.4 懸吊立交創新點

由于井下空間錯綜復雜，巷道立交關系（上下層位置、層間距、巷道夾角）和上、下層巷道施工順序不一定按照人們理想的方案執行，部分巷道立交情況無法按照現有常規的方法施工。架棚過立交只是一種常規的過立交方案，不能滿足大跨度、小夾角巷道立交的施工要求。根據施工經驗，架棚過立交方案只適用于巷道立交跨度不大于10 m、巷道夾角不小于50°的情況。如凈寬5 m 的巷道夾角是30°，跨度就達到了20 m，會造成長距離超高段巷道的形成，僅僅靠下層巷道鋪設的鋼筋網是不能保證安全的，一旦失效勢必造成立交位置大范圍片幫。且該方法只能先施工下層巷道后再施工上層巷道。考慮到井下巷道施工的時間不同（時間跨度可能在2 年以上），以及通風、安全問題，上下層巷道施工的先后順序有嚴格要求，不可能一直先施工下層巷道再施工上層巷道。

幫部懸吊過立交方案是借鑒大跨度斜拉橋的設計思路，將巷道幫部實體煤當做橋塔,將40T 鏈條作為斜拉鋼索，把密排工字鋼作為橋面，形成主動支承連續梁，以滿足巷道小夾角、大跨度要求。具有以下特點：

（1）不受巷道施工順序影響，適用于新老巷道立交施工。

（2）可滿足井下不同夾角、跨度巷道施工要求，尤其適用于井下小夾角、大跨度巷道施工。

（3）節省工期，立交施工不受工作面掘進影響，可在迎頭后方施工，避免隨掘隨架設鋼棚的弊端。

（4）節省材料，相比傳統架棚過立交方案，幫部懸吊過立交方案不需要支設棚腿，節省支護材料。

3 經濟效益分析

3.1 經濟效益

（1）相比架棚過立交方案可避免上下層巷道施工相互干擾，綜合節省工時10 d，效益14 萬元；

（2）相比直接鋪設假底可節省25U 型鋼和卡箍92 副，效益27 萬元。

3.2 社會安全效益

（1）幫部懸吊過立交方案不受巷道施工順序影響，可更好地適用后期礦井系統優化，改善礦井生產系統；

（2）適用于井下小夾角、大跨度巷道施工，相比傳統架棚、鋪設假底方案更加安全可靠，操作性更強。

4 結論

幫部懸吊過立交方案設計思路新穎，打破常規，利用巷道幫部實體煤巖層作為支撐點對巷道底板進行懸吊固定，解決了巷道小夾角、大跨度施工的難題，可對后期礦井優化提供更廣泛的設計思路，不再受巷道立交限制。