斷層應力區集成化硐室施工工藝分析
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摘要：北翼膠帶運輸大巷（東）強力皮帶采用中部驅動，驅動硐室設計在F16斷層附近，同時巷道中需要架設架空乘人裝置，巷道掘進寬度需要9000mm，經縝密分析與優化設計，采用全新理念的支護形式，既保證了巷道的各項功能正常使用，又大大縮小了硐室的斷面尺寸，同時確保巷道的長期穩定。
焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司趙固一礦（以下簡稱“趙固一礦”）位于焦作煤田東部、太行山南麓，行政區劃隸屬輝縣市管轄，井田中心東南距新鄉市39km，西南距焦作市50km，東北至輝縣市17km。井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73億t，可采儲量1.65億t。目前礦井剩余可采儲量1.38億噸，剩余服務年限為35.8a。礦井于2005年6月19日開工建設，2009年5月10日正式竣工投產，設計生產能力2.40Mt/a，服務年限49年，礦井2015年核定生產能力為3.00Mt/a。礦井可采煤層為二1煤，厚度1.21～7.10m，平均5.29m，傾角為2～6°，為低瓦斯礦井，煤層為不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，水文地質條件極復雜。
1工程概況
我礦目前生產盤區由東翼向北翼轉換，需要在北翼膠帶運輸大巷（東）鋪設大功率強力皮帶，由于皮帶轉換點坡度較大，故此皮帶設計為中部驅動。同時北翼膠帶運輸大巷（東）需要安裝架空乘人裝置運輸人員，在滿足各種安全間距的情況下，皮帶中部驅動處要求巷道掘進寬度需達到9000mm，支護難度極大，且后期維護困難，與此同時因為巷道斷面跨度大，冒落拱高度高，遠遠超過自建礦以來最大的巷道斷面，巷道無法長期穩定。與此同時，皮帶中部驅動硐室位于F16斷層影響帶上，F16斷層為正斷層，落差45m，驅動硐室位于斷層上盤，距斷層面垂直距離約為50m，屬于應力集中區，后期巷道維護難度異常艱巨。針對這種位于斷層影響帶、應力集中區的大斷面硐室，采用全新理念的支護形式，合理的空間安排布局保證了皮帶驅動及架空乘人裝置的正常使用，同時大大減小了硐室斷面，降低了支護難度，保證了硐室的長期穩定。
2硐室設計理念
2.1硐室的集成化布置
北翼膠帶運輸大巷（東）皮帶驅動硐室采取上下分層的布置方式，充分利用硐室上半部分空間，架空乘人裝置從皮帶驅動電機上方通過，大大減小巷道寬度，后期在皮帶電機上方鋪設行人鋼板，保證架空乘人裝置最下沿距底板（鋼板）不超過安全高度；上下分層的布置方式取消了機電硐室的施工，將皮帶機電設備布置在皮帶上方；驅動硐室以東小斷面巷道架棚后巷道高度為3800mm，驅動硐室架棚后巷道高度為5500mm，小斷面巷道頂板與驅動硐室頂板平齊，底板高于驅動硐室底板1.7m，與皮帶電機上方鋪設鋼板基本平齊，皮帶電機以西鋼板緩坡度接地，同時皮帶面從皮帶驅動向東可以完全沿巷道底板布置無需皮帶面在驅動處的隆起，有助于皮帶的運行；根據皮帶驅動的具體功能，張緊跑車活動范圍與驅動電機段，根據功能不同，設備不同，巷道斷面也有所區分，張緊跑車段巷寬小于驅動電機段500mm，以兩個硐室南幫平齊，進一步減小巷道斷面，增加硐室的穩固性，皮帶驅動硐室總長度為54m，分為電機驅動部分與張緊跑車部分，其中電機驅動部分硐室長度為20m，位于驅動硐室東端頭，張緊跑車部分硐室長度為34m，位于驅動硐室西端頭。
2.2硐室的支護形式
北翼膠帶運輸大巷（東）皮帶驅動硐室支護采用總分式的全新支護理念。
2.2.1總體支護2.2.1.1掘進一次支護巷道斷面設計為半圓拱型斷面，1-1斷面（張緊跑車段）規格為凈寬6800mm，直墻高度2050mm。全斷面采用錨網索支護，每排布置19根規格為φ17.8×4200mm錨索，間排距800×800mm，采用200×200×16mm鋼墊板，預緊力不低于200kN；頂板布置點錨索補強支護，錨索規格φ21.6×8300mm，每排布置5根，間排距1500×800mm，頂板點錨索墊板采用300×300×16mm高強度可調心托板，預緊力不小于300kN；2-2斷面（驅動電機段）規格為凈寬7300mm，直墻高度2050mm。全斷面采用錨網索支護，每排布置20根規格為φ17.8×4200mm錨索，間排距800×800mm，采用200×200×16mm鋼墊板，預緊力不低于200kN；頂板布置點錨索補強支護，錨索規格φ21.6×8300mm，每排布置6根，間排距1500×800mm，頂板點錨索墊板采用300×300×16mm高強度可調心托板,預緊力不低于300kN。2.2.1.2架棚二次支護巷道掘進工程結束后架設直墻半圓拱型封閉式U鋼棚，皮帶驅動電機部分架棚斷面規格為：6400×5500mm，皮帶張緊絞車部分架棚斷面規格為：5900×5500mm，驅動硐室向西與小斷面巷道結合處，底板平齊，采用漸變棚進行對接，U鋼棚尺寸逐步減小，緩解大小棚結合處的應力集中；U鋼棚施工結束后對包括U鋼底拱在內全斷面進行噴注漿施工，要求強度C20。注漿采用長短孔注漿法，深孔達到3.5m，淺孔為2.5m，淺孔注漿管規格為：φ25×800mm，深孔注漿管規格為：φ25×1500mm。注漿施工順序：先注淺孔，待淺孔注好后再注深孔。漿液用單液水泥漿，終孔壓力不小于2MPa且不大于2.5MPa，穩壓時間不小于20min。充填U鋼棚裱褙空間，使U鋼棚與巷道圍巖形成一個整體，并且增加圍巖加固圈的厚度，從根本上提高硐室的穩定性。
2.2.2分層支護除整體支護外，硐室斷面根據不同的特性分上中下三層，分別制定了相對應的支護形式。2.2.2.1上層支護硐室頂板及肩窩，平行于巷道中線方向均勻打設6排槽鋼梁錨索，槽鋼梁錨索間排距1000×1500mm，槽鋼梁長度4500mm，錨索規格為φ21.6×10300mm；考慮到硐室頂板較高，后期出現噴漿體開裂現象時危害較大，又無法進行審頂，所以提前在槽鋼梁與頂板間鋪設單層金屬焊網，同時，待頂板槽鋼梁錨索錨固后，未上托盤預緊前，利用錨索孔進行套管注漿，注漿管采用800mm長鋼管制作而成，外露長度50mm，采用水灰比為1：1的水泥漿進行管內注漿，終孔壓力2～2.5MPa，穩壓時間不低于20min，從而進一步增大圍巖注漿加固圈厚度，并對前期注漿進一步強化。2.2.2.2中層支護硐室幫部直墻部分受側壓易變形，為防止皮帶驅動安裝后，硐室幫部收縮變形，提前對直墻部分打設兩排加強槽鋼梁錨索，槽鋼梁長度4500mm，錨索規格為φ21.6×10300mm，預緊力不低于300kN，預緊后錨索外露長度150～250mm，下方一排距底板500mm，上方一排距底板2000mm。2.2.2.3下層支護硐室底板支護根據皮帶設備差異采用兩種支護形式，對于未設計皮帶基礎范圍，在設計底板以下300mm處施工橫向槽鋼梁鳥籠錨索，錨索規格：φ21.6×6300mm，并進行孔內注漿；對設計有皮帶基礎范圍，底板鳥籠錨索平行于巷道布置，直接打設在U鋼棚底拱上，避免影響基礎打設。鳥籠錨索錨固方式：預制具有一定流動性的混凝土，灌入錨索底端，用塑料管進行搗實。混凝土錨固7天后進行孔口注漿，然后預緊錨索，最后將錨索截至外露60mm。錨索角度：垂直底板打設，要求底板錨索初次張拉達到260kN，預應力損失完成后不低于200kN。待底板鳥籠錨索施工結束后，施工地坪，地坪厚度150mm，將錨索頭完全覆蓋。
3結論
膠帶巷兼做猴車運輸巷能實現猴車不停歇運輸的同時，也避免了掘進專用行人巷。猴車布置在膠帶大巷時，往往因為皮帶驅動范圍電機較寬猴車無法運行。采用本設計內容有效解決了膠帶巷兼做猴車運輸巷時，猴車通過皮帶驅動時的難題。具有廣泛的適用性和良好的推廣型。對于大硐室支護，本設計提出了全新的總分式全新支護形式，全方面、多維度、有針對性的對硐室內的各部分進行合理化支護，并在實際運用中取得了良好的效果，具備很高的借鑒價值。
作者：毛東 余飛 秦晨曦 單位：焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司