大型设备换装硐室施工与支护技术研究

刘威辰

（霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州 031400）

1 前言

某煤矿设计生产能力1500 万t/a，主要可采煤层4层，煤赋存稳定，资源基础可靠。地质构造简单，倾角一般小于3°，无大的断裂及褶曲构造，也无岩浆岩侵入。目前，矿井主要掘进底车场大巷、大型设备换装硐室和首采面顺槽。巷道主要布置在3-1煤，并且沿煤层顶板掘进，煤层最大厚度6.4 m,黑色，条痕为黑褐-褐黑色，弱沥青-沥青光泽。由于煤层埋深约600 m，3-1煤含有一层厚度1 m 左右的“亮煤”，此层煤节理裂隙发育。巷道前期变形主要表现为拱肩或煤帮上部出现片帮，严重影响巷道成型。设备换装硐室由于断面较大，目前矿井处于二期建设过程中，存在运输系统、提升系统尚不完善，井下作业空间受限、机械设备选型等问题，不能全断面施工大型设备换装硐室此类大型断面硐室。

为此，本文根据此矿具体条件，提出分层掘进换装硐室，采用锚杆、锚索、网、钢带耦合支护，并对实施效果进行了实测分析，取得了良好的效果。

2 工程概况

井下大型设备换装硐室设计长度为66.532 m，开口位于与副井井筒距离76 m处，开口方位为144°。巷道坡度-7.39‰。处于3-1煤层中，煤层底板为8.9 m厚浅灰色粉砂岩，泥质胶结，岩体较完整，弱含水。底板粉砂岩硬度不高，根据现已施工段地质情况，巷道顶板及两帮岩石不稳定，有片帮现象，施工时需及时支护。井下大型设备换装硐室断面设计为直墙三心拱形，巷道坡度-7.39‰。硐室巷道施工长度40 m，掘宽9 100 mm，掘高12 133 mm，S 掘=126.1m2；净宽8 800 mm，净高11 683 mm，S净=117.3 m2。巷道平面布置图见图1，剖面图见图2。

图1 换装硐室平面图

图2 换装硐室剖面图

3 施工技术方案

3.1 施工工艺

由于该硐室断面大，根据井下施工条件，采用台阶式分层掘进施工方法，分4层掘进，首次掘进自1-1断面开口处，定制腰线，以10°上山施工至该巷道设计高度，然后分层掘进（第1、2、3、6 层），依次进行永久支护，分层掘进顺序如井下大型设备换装硐室分层掘进剖面示意图3 所示进行。施工中依据中线，先全断面掘进巷道拱部；待掘进至直墙后，先掘进巷道左半部分，永久支护好后，在掘进右半部分并进行永久支护。施工过程采取短掘短支，永久支护紧跟迎头。

图3 换装硐室分层掘进剖面示意图

待此段分层掘进至第三部分时，往3 号交叉点施工掘进2-2断面，并与3号交叉点贯通，然后反向扩刷1-1断面剩余部分（第4、5层），直至施工到该巷道设计高度及宽度。

3.2 支护技术方案设计

3.2.1 支护设计思路

针对本矿换装硐室断面大、围岩稳定性差的特点。采取采用锚杆、锚索、钢带耦和支护。

3.2.2 支护设计方案及要求

放水巷规格为掘宽×高=9.1 m×12.133 m

（1）临时支护

由于井下大型设备换装硐室断面大，需采用分层掘进施工方法，施工过程中，采用锚网索进行临时支护。锚杆规格φ22×2 400 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm，托盘规格150 mm×150 mm×10 mm，每根锚杆采用2 支树脂药卷，一支MSK2350 型树脂锚固剂，一支MSCK2350型树脂锚固剂；锚索规格φ18.9×7 500 mm，间排距2 400 mm×2 400 mm，托盘规格300 mm×300 mm×14 mm，每根锚索采用一支MSK2350 型和两支MSCK2350 型树脂锚固剂；金属网片采用φ6 mm 圆钢焊接制作，规格2 100 mm×1 100 mm，网孔规格100 mm×100 mm。临时支护见图4。

图4 临时支护示意图

（2）永久支护

井下大型设备换装硐室永久支护均采用锚网喷+锚索+钢护板支护。

①锚杆规格：锚杆选用φ22×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，配高强度螺母。每根锚杆孔底配一支MSCK2350 和一支MSK2350 树脂锚固剂。拱部及帮部网片采用φ6 mm 盘圆金属网，网片规格2 100 mm×1 100 mm；采用拱型高强度托盘、调心球垫，托盘规格：150 mm×150 mm×10mm，配调心球垫和减阻尼龙垫圈。采用W型钢护板，规格：450 mm×280 mm×4 mm。

锚杆布置：巷道顶部锚杆在巷中布置一根，然后向两边分布，1-1 断面每排拱部11 根锚杆，每排每帮10根锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm；2-2、3-3 断面锚杆间排距800 mm×800 mm；锚杆预紧力300 Nm，锚杆锚固力为80 kN。

②锚索规格：1-1 断面锚索型号为SKP18-1/1860 φ18.9×8 300 mm，2-2、3-3 断面顶部锚索型号均为SKP18-1/1860φ18.9×7 500 mm，锚固力≥200 kN；2-2断面帮部锚索型号为SKP18-1/1860φ18.9×4 300 mm，预紧力均为200 kN。每根锚索配一支MSCK2350和两支MSK2350 树脂锚固剂。采用高强度拱形可调心托板规格为300 mm×300 mm×14 mm。

锚索布置：2-2、3-3 断面拱部间排距2 400 mm×2 400 mm，拱部3 根锚索；2-2 断面帮部锚索间排距1 000 mm×2 400 mm，每排每帮2 根锚索。1-1 断面锚索间排距1 000 mm×1 000 mm，拱部每排12根锚索；每排每帮布置9根锚索；底板每排布置5根锚索，间排距为2 000 mm×2 000 mm，且制成鸟笼锚索。锚索预紧力不低于200 kN。永久支护设计见图5。

图5 永久支护设计图

4 工程效果

为了确定巷道的支护效果，研究支护参数的合理性，设置了相应的测站。设备换装硐室拱顶1个、硐室左右两帮各1个。离层仪深部基点为8.0 m、浅部基点为2.4 m，分别监测深部锚索支护范围内的变形和浅部锚杆支护范围内的变形。通过现场观测，间隔5d观测一次数据，并及时对观测数据进行分析，历时40d的观测发现，巷道施工后20d 左右顶底板和两帮的围岩变形都趋于稳定，具体位移量见表1、表2。硐室的支护有效的控制了围岩和两帮的变形，说明支护形式和参数是合理的，支护方案取得成功。

表1 顶板位移量

表2 帮部位移量

5 结语

通过对大型设备换装硐室掘进工艺和支护技术研究，可以发现针对大断面换装硐室，充分利用现有设备，采用台阶式分层掘进施工方法，分部分，分阶段掘进，适时反刷顶板，保证施工安全和进度同时达到设计巷道尺寸。利用锚杆、锚索、钢带耦和支护的综合支护技术，增加了巷道强度，达到了巷道稳定的目的。

该种施工技术与支护设计的成功，可在同类条件的设备换装硐室施工中推广应用。