断层应力区集成化硐室施工工艺分析
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摘要：北翼胶带运输大巷（东）强力皮带采用中部驱动，驱动硐室设计在F16断层附近，同时巷道中需要架设架空乘人装置，巷道掘进宽度需要9000mm，经缜密分析与优化设计，采用全新理念的支护形式，既保证了巷道的各项功能正常使用，又大大缩小了硐室的断面尺寸，同时确保巷道的长期稳定。
焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司赵固一矿（以下简称“赵固一矿”）位于焦作煤田东部、太行山南麓，行政区划隶属辉县市管辖，井田中心东南距新乡市39km，西南距焦作市50km，东北至辉县市17km。井田含煤面积43.77km2，总资源储量3.73亿t，可采储量1.65亿t。目前矿井剩余可采储量1.38亿吨，剩余服务年限为35.8a。矿井于2005年6月19日开工建设，2009年5月10日正式竣工投产，设计生产能力2.40Mt/a，服务年限49年，矿井2015年核定生产能力为3.00Mt/a。矿井可采煤层为二1煤，厚度1.21～7.10m，平均5.29m，倾角为2～6°，为低瓦斯矿井，煤层为不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性，水文地质条件极复杂。
1工程概况
我矿目前生产盘区由东翼向北翼转换，需要在北翼胶带运输大巷（东）铺设大功率强力皮带，由于皮带转换点坡度较大，故此皮带设计为中部驱动。同时北翼胶带运输大巷（东）需要安装架空乘人装置运输人员，在满足各种安全间距的情况下，皮带中部驱动处要求巷道掘进宽度需达到9000mm，支护难度极大，且后期维护困难，与此同时因为巷道断面跨度大，冒落拱高度高，远远超过自建矿以来最大的巷道断面，巷道无法长期稳定。与此同时，皮带中部驱动硐室位于F16断层影响带上，F16断层为正断层，落差45m，驱动硐室位于断层上盘，距断层面垂直距离约为50m，属于应力集中区，后期巷道维护难度异常艰巨。针对这种位于断层影响带、应力集中区的大断面硐室，采用全新理念的支护形式，合理的空间安排布局保证了皮带驱动及架空乘人装置的正常使用，同时大大减小了硐室断面，降低了支护难度，保证了硐室的长期稳定。
2硐室设计理念
2.1硐室的集成化布置
北翼胶带运输大巷（东）皮带驱动硐室采取上下分层的布置方式，充分利用硐室上半部分空间，架空乘人装置从皮带驱动电机上方通过，大大减小巷道宽度，后期在皮带电机上方铺设行人钢板，保证架空乘人装置最下沿距底板（钢板）不超过安全高度；上下分层的布置方式取消了机电硐室的施工，将皮带机电设备布置在皮带上方；驱动硐室以东小断面巷道架棚后巷道高度为3800mm，驱动硐室架棚后巷道高度为5500mm，小断面巷道顶板与驱动硐室顶板平齐，底板高于驱动硐室底板1.7m，与皮带电机上方铺设钢板基本平齐，皮带电机以西钢板缓坡度接地，同时皮带面从皮带驱动向东可以完全沿巷道底板布置无需皮带面在驱动处的隆起，有助于皮带的运行；根据皮带驱动的具体功能，张紧跑车活动范围与驱动电机段，根据功能不同，设备不同，巷道断面也有所区分，张紧跑车段巷宽小于驱动电机段500mm，以两个硐室南帮平齐，进一步减小巷道断面，增加硐室的稳固性，皮带驱动硐室总长度为54m，分为电机驱动部分与张紧跑车部分，其中电机驱动部分硐室长度为20m，位于驱动硐室东端头，张紧跑车部分硐室长度为34m，位于驱动硐室西端头。
2.2硐室的支护形式
北翼胶带运输大巷（东）皮带驱动硐室支护采用总分式的全新支护理念。
2.2.1总体支护2.2.1.1掘进一次支护巷道断面设计为半圆拱型断面，1-1断面（张紧跑车段）规格为净宽6800mm，直墙高度2050mm。全断面采用锚网索支护，每排布置19根规格为φ17.8×4200mm锚索，间排距800×800mm，采用200×200×16mm钢垫板，预紧力不低于200kN；顶板布置点锚索补强支护，锚索规格φ21.6×8300mm，每排布置5根，间排距1500×800mm，顶板点锚索垫板采用300×300×16mm高强度可调心托板，预紧力不小于300kN；2-2断面（驱动电机段）规格为净宽7300mm，直墙高度2050mm。全断面采用锚网索支护，每排布置20根规格为φ17.8×4200mm锚索，间排距800×800mm，采用200×200×16mm钢垫板，预紧力不低于200kN；顶板布置点锚索补强支护，锚索规格φ21.6×8300mm，每排布置6根，间排距1500×800mm，顶板点锚索垫板采用300×300×16mm高强度可调心托板,预紧力不低于300kN。2.2.1.2架棚二次支护巷道掘进工程结束后架设直墙半圆拱型封闭式U钢棚，皮带驱动电机部分架棚断面规格为：6400×5500mm，皮带张紧绞车部分架棚断面规格为：5900×5500mm，驱动硐室向西与小断面巷道结合处，底板平齐，采用渐变棚进行对接，U钢棚尺寸逐步减小，缓解大小棚结合处的应力集中；U钢棚施工结束后对包括U钢底拱在内全断面进行喷注浆施工，要求强度C20。注浆采用长短孔注浆法，深孔达到3.5m，浅孔为2.5m，浅孔注浆管规格为：φ25×800mm，深孔注浆管规格为：φ25×1500mm。注浆施工顺序：先注浅孔，待浅孔注好后再注深孔。浆液用单液水泥浆，终孔压力不小于2MPa且不大于2.5MPa，稳压时间不小于20min。充填U钢棚裱褙空间，使U钢棚与巷道围岩形成一个整体，并且增加围岩加固圈的厚度，从根本上提高硐室的稳定性。
2.2.2分层支护除整体支护外，硐室断面根据不同的特性分上中下三层，分别制定了相对应的支护形式。2.2.2.1上层支护硐室顶板及肩窝，平行于巷道中线方向均匀打设6排槽钢梁锚索，槽钢梁锚索间排距1000×1500mm，槽钢梁长度4500mm，锚索规格为φ21.6×10300mm；考虑到硐室顶板较高，后期出现喷浆体开裂现象时危害较大，又无法进行审顶，所以提前在槽钢梁与顶板间铺设单层金属焊网，同时，待顶板槽钢梁锚索锚固后，未上托盘预紧前，利用锚索孔进行套管注浆，注浆管采用800mm长钢管制作而成，外露长度50mm，采用水灰比为1：1的水泥浆进行管内注浆，终孔压力2～2.5MPa，稳压时间不低于20min，从而进一步增大围岩注浆加固圈厚度，并对前期注浆进一步强化。2.2.2.2中层支护硐室帮部直墙部分受侧压易变形，为防止皮带驱动安装后，硐室帮部收缩变形，提前对直墙部分打设两排加强槽钢梁锚索，槽钢梁长度4500mm，锚索规格为φ21.6×10300mm，预紧力不低于300kN，预紧后锚索外露长度150～250mm，下方一排距底板500mm，上方一排距底板2000mm。2.2.2.3下层支护硐室底板支护根据皮带设备差异采用两种支护形式，对于未设计皮带基础范围，在设计底板以下300mm处施工横向槽钢梁鸟笼锚索，锚索规格：φ21.6×6300mm，并进行孔内注浆；对设计有皮带基础范围，底板鸟笼锚索平行于巷道布置，直接打设在U钢棚底拱上，避免影响基础打设。鸟笼锚索锚固方式：预制具有一定流动性的混凝土，灌入锚索底端，用塑料管进行捣实。混凝土锚固7天后进行孔口注浆，然后预紧锚索，最后将锚索截至外露60mm。锚索角度：垂直底板打设，要求底板锚索初次张拉达到260kN，预应力损失完成后不低于200kN。待底板鸟笼锚索施工结束后，施工地坪，地坪厚度150mm，将锚索头完全覆盖。
3结论
胶带巷兼做猴车运输巷能实现猴车不停歇运输的同时，也避免了掘进专用行人巷。猴车布置在胶带大巷时，往往因为皮带驱动范围电机较宽猴车无法运行。采用本设计内容有效解决了胶带巷兼做猴车运输巷时，猴车通过皮带驱动时的难题。具有广泛的适用性和良好的推广型。对于大硐室支护，本设计提出了全新的总分式全新支护形式，全方面、多维度、有针对性的对硐室内的各部分进行合理化支护，并在实际运用中取得了良好的效果，具备很高的借鉴价值。
作者：毛东 余飞 秦晨曦 单位：焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司