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火成岩复杂地质环境巷道交岔点成套施工技术 第六图书馆 马钢集团姑山矿为典型的火成岩复杂地质环境,传统支护不能满足巷道的稳定要求;为采取合理的开拓与支护方案,对后和 睦山矿段-300m水平车场马头门南迎头N14交岔点进行了针对性研究,决定采用导硐施工方法,根据现场地质特点及锚网喷、 锚注、锚索支护机理,采用锚网喷进行一次柔性支护,锚注与锚索联合进行二次加强支护的复合支护方案,取得了良好的技 术效果与经济效益。研究结果表明,对于扰动较大的交岔点施工应及时进行柔性让压支护;对于破碎、易膨胀性围岩应及时 进行封闭处理;对于大断面巷道或大松动圈围岩应进行锚注与锚索联合加强支护。马钢集团姑山矿为典型的火成岩复杂地 质环境,传统支护不能满足巷道的稳定要求;为采取合理的开拓与支护方案,对后和睦山矿段-300m水平车场马头门南迎头 N14交岔点进行了针对性研究,决定采用导硐施工方法,根据现场地质特点及锚网喷、锚注、锚索支护机理,采用锚网喷进行 一次柔性支护,锚注与锚索联合进行二次加强支护的复合支护方案,取得了良好的技术效果与经济效益。研究结果表明,对 于扰动较大的交岔点施工应及时进行柔性让压支护;对于破碎、易膨胀性围岩应及时进行封闭处理;对于大断面巷道或大松 动圈围岩应进行锚注与锚索联合加强支护。巷道 交岔点 导硐施工 锚注支护金属矿山张后全 韩立军 黄兴根 贺永年 王金阁 [1]中国矿业大学,江苏省徐州市221018 [2]山东里能集团新河煤矿2007第六图书 馆 第六图书馆 Se r i e s No 、 3 76 0c t o b e r 2 o 0 7 金 氍 METAL MI NE 总 第 3 7 6期 2 0 0 7 年 第 1 0期 采矿 工 程 火成岩 复杂地质环境巷道交岔点成套施工技术木 张后全 韩立军 黄兴根 贺永年 王金阁 1 ．中国矿业大学； 2 ．山东里能集团新河煤矿 摘要马钢集团姑山矿为典型的火成岩复杂地质环境 ， 传统支护不能满足巷道的稳定要求； 为采取合理的 开拓与支护方案， 对后和睦山矿段 一 3 0 0 m水平车场马头门南迎头N 1 4交岔点进行了针对性研究， 决定采用导硐施 工方法， 根据现场地质特点及锚网喷、 锚注、 锚索支护机理， 采用锚网喷进行一次柔性支护， 锚注与锚索联合进行二 次加强支护的复合支护方案， 取得了良好的技术效果与经济效益。研究结果表明， 对于扰动较大的交岔点施工应 及时进行柔性让压支护； 对于破碎 、 易膨胀性围岩应及时进行封闭处理； 对于大断面巷道或大松动圈围岩应进行锚 注与锚索联合加强支护。 关键 词巷道交岔点导硐施 工锚 注支护 R e s e a r c h o n I n t e g r a t e d C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y f o r T u n n e l C o n j u n c t i o n i n Co mpl e x Ge ol o g i c a l Ci r c ums t a nc e o f I g ne o us Ro c k Z h a n g H o u q u a n H a n L i j u n H u a n g X i n g g e n H e Y o n g n i a n Wa n g J i n g e 1 ，C h i n a U n w e i o fMi n i n g T e c h n o l o g y ； 2 ．X i n h e C o a l Mi n e ， S h a n d o ng L i neng G r o u p Ab s t r ac t Gus h a n I r o n Mi n e o f Ma S t e e l Gr o up i s i n t y p i c a l c o mp l e x g e o l o g i c a l c i r c u ms t a n c e s o f i g n e o u s r o c k a nd t he t r a d i t i o n a l s u p p o rt c a n t me e t w i t h t h e r e q u i r e me n t o n t u n n e l s t a b i l i t y ．I n o r d e r t o a d o p t a r e a s o n a b l e e x c a v a t i o n a n d s u p p o rt s c h e m e ，r e s e a r c h w a s ma d e f o r t h e N 1 4 t u n n e l c o n j u n c t i o n w h i c h i s n e a r t o t h e s o u t h w o r k i n g f a c e a t t h e s h a f t b o t t o m o f一 3 0 0 m 1 e v e 1 o f HO H He mu h a n mi ne s e c t i o n．I t i S d e c i d e d t o a d o pt t he p i l o t t un ne 1 me t ho d f o r t he e x c a v a t i o n．Ac c o r d i n g t o t h e s i t e g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c a n d t h e s u p p o rt me c h a n i s m o f b o l t i n g - s h o t c r e t i n g ，b o l t i n g - g r o u t i n g a n d p r e - s t r e s s e d a n c h o r c a b l e，i t i s d e c i d e d t o a d o p t a c o mb i n e d s u p p o rt s c h e me c o n s i s t i n g o f b o l t i n g - s h o t c r e t i n g for t h e p r i ma r y fl e x i b l e s u p p o r t a n d b o l t i ng - gro ut i n g a n d p r e - s t r e s s e d a nc h o r c a bl e for t he s e c o n da r y s t r e ng t h e ni n g s u pp o rt，wh i c h h a s a c h i e v e d g o o d t e c hn i c a l e f f e c t an d e c o n o mi c a l b e n e fi t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fle x i b l e s t r e s s - r e l e a s e s u p p o rt s h o u l d b e t i me l y e x e c u t e d for t h e c o n s t r u c t i o n a t t h e c o n j u n c t i o n w i t h gre a t d i s t u r b a n c e ， t h e a c t u r e d a n d d i l a t a b l e s u r r o u n d i n g r o c k b e r a p i d l y s e a l e d ，a n d t he s u pp o rt me t h o d c o mb i n i ng b o l t i n g-gro u t i ng a nd p r e - s t r e s s e d a n c h o r c a b l e b e u s e d f o r l a r g e c r o s s - s e c t i o n a l t u n ne l o r t he s urro un di n g r o c k i n l a r g e l o o s e z o n e． Ke y w o r d s T u n n e l ，C o n j u n c t i o n ， P i l o t t u n n e l ， B o l t i n g - gro u t i n g s u p p o rt 在岩性差异较大 ， 断层 、 裂隙发育完全 ， 构造应 力显著的复杂岩层 中开拓巷道时 ， 常会遇到巷道两 帮变形内敛 、 断面收缩 ， 甚至片帮、 围岩突出等问题 ， 底鼓和 冒顶等 现象 也时有 发生 。如果不 采用合 理的开拓和支护方案 ， 便会严重影响工程质量与施 工安全 ， 造成较大的经济损失 。而传统的 u型钢架 棚支护根本无法维持此类巷道的稳定 ， 不仅在掘进 期间围岩变形 、 破裂严重， 而且在巷道服务期间需多 次返修 ， 严重影响施工的进度与安排 引。尤其是在 巷道交岔点处 ， 由于其设计断面较大 、 施 工难度高 、 应力集中程度高， 从而由采动引起的裂隙发育充分， 巷道围岩松动圈范围相应较大， 安全隐患多 j 。传 统的架棚支护弊端较多 ， 锚杆支护对于松动圈较大 围岩也很难发挥其应有的支护作用 J 。因此 ， 对事 故多发的巷道交岔点的掘进及支护方法同时进行研 究显得尤为必要 ， 然而这方面的同步研究并不多 见 。 针对研究现状的不足及结合马钢集团姑山铁矿 和睦山矿区水文地质情况 ， 对后和睦山矿段 一3 0 0 m 水平井底车场 马头 门南迎头 N 1 4交岔点进行 了掘 国家 自然科学 基金重大项 目 编号 5 0 4 9 0 2 7 3 。 张后全 1 9 7 9 一 ， 男， 中国矿业大学建筑工程学院， 助教， 博士研究 生 ， 2 2 1 0 1 8江苏 省徐州市 。 25 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 总第3 7 6期 金 砖 2 0 0 7年第 1 0期 进与支护研究 ， 决定采用导硐施工方法 ， 锚网喷初次 柔性支护， 锚注与锚索联合二次加强支护的复合支 护方案 ， 取得了良好的技术与经济效果。 1 水文地质概况 和睦山铁矿床主要赋存于闪长岩与周冲村组岩 接触带和靠近接触带的周冲村组灰岩内。矿体顶板 岩石主要为 白云质灰岩 、 泥质灰岩、 钙质粘土岩及少 数闪长岩或辉绿岩 ， 绿泥岩有泥化现象 ； 底板岩石主 要为闪长岩 ， 次为大理岩、 角岩。岩体主要是灰岩 、 粘土岩 ， 其 T F e 含量一般为 2 0 ％左右。由于其典型 的火成岩成岩环境 J ， 地质条件极 为复杂。岩性受 风化程度不同， 软硬极为不均 图 1 、 大量存在局部 软弱裂隙带 ， 蒙脱石成份含量高 图 2 ， 围岩碎胀特 点明显。矿区含水层厚度大 ， 静水压力高， 透水性及 富水性很不均一。 b高粘土化 图 1 围岩严重风化 C o M ’ 6 嫩 硒燕 3 l 5 2 5 3 5 45 5 5 6 5 衍射角度 ／ 。 图 2 样 品粉末 x一射线衍射 图谱 C一方解石 多 ； M一蒙脱石 多 ； Q一 石英 ； K一高岭石 ； F一长石 少 ； 0一其它 2 实际问题及原因分析 由于该矿区岩石存 在高节理化 图 1 a 、 软化 、 泥化 图 1 b 及膨 胀性等特点 ， 迎头形成较大 冒顶 26 区， 掘进相当困难 ； 加之前期施工初次支护存在诸多 不合理环节 ， 已完成 永久支护的巷道和硐室均出现 混凝土碹体开裂， 两帮变形内敛， 断面收缩， 严重影 响到巷道和硐室的正常使用； 在对已变形巷道的加 固过程中， 大量使用钢拱架和坑木 ， 钢材和木材消耗 较多且影响后期使用 J 。 这些问题的出现， 一方面是由于普通锚杆和架 棚支护不能有效 隔绝空气， 封闭 围岩 ， 防止围岩软 化 、 泥化现象以及膨胀变形的发生 ； 另一方面是由于 普通锚杆和架棚支护等支护阻力有一定限度 ， 不能 有效防止支架 与顶板间隙引起 的顶板早期离层 ， 不 利于顶板下位岩层形成有效的自身承载结构 。大量 工程实践表明， 对于局部破碎带范 围较大或者巷道 开挖造成松动范围较大的巷道 ， 传统的架棚砌碹等 被动支护方式效果欠佳 ， 由于锚杆对松动 围岩的控 制范围有限 ， 锚杆的“ 组合拱” 效应也并不明显。但 因锚索长度一般不受限制， 可根据实际情况需要， 施 加相 当数量级的预应力， 所以当① 巷道顶板破坏深 度超过 2 ． 4 1T I 时 ； ②巷道顶板层理 、 节理较发育 ， 且 有高水平主应力时 ； ③巷道端面较大， 巷道宽大于 4 1T I 时且巷道高超过 3 1T I 时， 根据锚杆 一 锚索支护互 补作用原理。 。。， 宜采用预应力锚索补强支护。 3支护方案的选取 基于该矿出现 的问题 ， 并考虑到工程水文地质 情况 ， 决定采用锚网喷进行初次支护， 并采取锚索与 锚注进行二次加强联合支护 ， 其支护方案的选取原 理为 1 混凝 土喷 层 中加入 金 属 网形成 “ 柔 性 喷 层” ， 可允许围岩有较大的变形 ， 不易于发生喷层开 裂， 片落 、 围离层等现象。 2 混凝土喷层可起到临时支撑围岩、 充填裂 隙与岩面凹穴 、 隔绝空气 、 水作用。 3 注浆可提高围岩松动圈内破碎岩体的强 度。由格里菲斯强度理论可知， 当注浆充分充填或 压密围岩裂隙和节理后 ， 可大大削弱裂隙端部 的应 力集中， 使裂隙附近的岩体从未充填前的二向应力 状态转变为裂隙内充满加固材料或压密后的三向应 力状态， 从而提高破碎岩体强度。 4 由锚杆 一 锚索支护互补作用原理 可知， 锚索可以把下部大松动圈范围内群体锚杆形成的组 合拱或者锚注形成的组合拱及组合拱之内的不稳定 种 瑚 o 。 骥杂 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 张后全等 火成岩复杂地质环境巷道 交岔点成套X- T - - 技术 2 0 0 7年第 1 0期 岩层悬 吊于上部稳定岩层。对于大断面巷道、 硐室 、 交岔点等 ， 锚索支护还起到减跨作用。 4工程实例 这里以后和睦山矿段 一 3 0 0 I I l 水平车场马头 门 南迎头 N 1 4交岔点 为例。该交岔点设计采用三心 拱断面， 最大断面达到 8 4 6 4 I I l I I l 4 7 2 0 l l l l l l 宽 高 ， 联络着主、 副井运输大巷及通往水仓 的巷道 ， 设计断面较大。 由于该交岔点 由小 断面支巷向主巷方向掘进 ， 决定采用反 向正台阶导硐施工方案 ， 实施光面爆 破掘进 。其反向施工顺序参照图 3所示 ， 可将反 向施工 分为两段 Ⅱ、 0 I 。对应 于正 台阶施工 方 法 ， 上分层可采取多次施工 ， 掘进与支护顺序参见 图 4 图 3 N 1 4交岔点 反向施工顺序 示意 I、 Ⅱ、 ⋯ 、 I V一掘进顺序 ； 1 、 2、 3、 4一支护顺序 毯 a上分层 b F 分层 O上分层 一 次施 工 分半施 工 分_ 三 次施工 图 4交岔点正 台阶法施 “ l - J l 序 I、 Ⅱ、 ⋯、 Ⅶ 一掘进与支护顺序 由于该段巷道 围岩较破碎 ， 自稳性能较差 ， 巷道 前期施工常遇到冒顶 、 片帮等问题 ， 在该交岔点刷大 期间应进行必要的临时支护， 其刷大施工与临时支 护参数如下 1 刷大掘进 分段距 离。主巷 断面为断面① ， 自主巷中甩墙起点开始 ， 断面逐步扩大 ， 直至牛鼻子 处 。断面①掘进宽度为 5 4 0 0 I l l lT l ， 则第 Ⅱ段掘进断 面； ②刷大至 6 9 2 6 I I l I I l ， 第 Ⅲ段掘进宽度从断面； ③ 的7 1 4 7 Ill lll 至牛鼻子处。对每一断面， 先进行上分 层施工 ， 然后进行下分层施工。 2 第 Ⅱ段施工参数。第 Ⅱ段上分层分两次爆 破掘进成形 ， 爆破进尺控制在 1 ． 5 I I l 以内， 上分层的 高度为 2 ． 0～ 2 ． 3 5 I I l ， 下分层高度约为 2 ． 0 I I l 。两导 硐断面一致 ， 各 占开挖断面上分层的一半 ， 每一导硐 断面爆破后均要求及时支护， 进行喷浆封闭和喷锚 网支护及锚索加固后 ， 再进行另一导硐 的施工与支 护。 3 第 Ⅲ段 施工参 数。第 Ⅲ段 约 1 1 3 0 0 l l l ll l 长， 其上分层分 3次爆破掘进成形 ， 爆破进尺控制在 1 ． 5 I I l 以内， 上分层的高度为 2 ． 5～ 2 ． 8 I I l ， 下分层高 度约为 2 ． 5 I I l 。3个导硐 中， 先 开挖左侧导硐断面 ， 断面宽度控制在 2 ． 5～ 3 ． 0 m， 再开挖右侧导硐， 断 面宽度也控制在 2 ． 5～ 3 ． 0 I I l ， 最后再开挖 中间导硐 断面。每一导硐断面爆破后也要求及时对支护位置 进行喷浆封闭和喷锚 网支护及锚索加固后 ， 再进行 另一导硐的施工与支护。先开挖导硐仅对需作永久 支护 的拱顶和侧帮进行支护 ， 而对与 中间导硐相邻 的侧帮仅 作喷射混凝土支护。掘进 至牛鼻子断面 处 ， 还需要对迎脸处进行永久支护。 完成整个交岔点段的掘进与支护后 ， 再进行第 4段支巷的掘进与支护 ， 同时可沿主巷进行正常掘 进施工。滞后 1 0～ 2 0 d后进行锚注 索 全断面二 次加固。整个交岔点锚网喷初次支护 ， 锚注 索 二 次支护参数的选取参照文献 [ 6 ] ， 具体参数如下 1 锚网喷支护参数。锚喷初次支护 的锚杆采 用单向左旋无纵筋螺纹钢 2 2 I I l I I l 2 5 0 0 l l l l l 1 ， 锚杆 的问排距 为 7 0 0 l l l l l l 7 0 0 I I l I I l ， 锚 孔直径 为 2 8 I I l I I l ， 采用 1 卷中速 2 5 5 0型和 1卷快速 2 5 5 0型 树脂药卷端锚 ， 锚固长度大于 8 0 0 I I l I I l ， 锚 固力大于 7 0 k N， 预紧力不低于 2 0 k N。金属 网采用 6 I I l I I l 圆钢 焊 接 成 矩 形 经 纬 网， 规 格 为 1 5 0 0 I I l I I l 2 9 0 0 I I l I I l ， 网格为 1 0 0 l l l l l l X 1 0 0 I I l I I l ， 网与 网的搭接 长度不少于 1 0 0 I l l lT l ， 搭接处应采用 8 铁丝绑扎 ， 绑 扎点间隔不超过 2 0 0 l l l l l l 。喷射混凝土强度等级为 C 2 0 ， 初次喷厚 5 0～ 6 0 I I l I I l ， 复喷厚度 7 0～ 8 0 I I l I I l 。 2 锚 注支护参数 。内注浆锚杆 2 2 I I l I I l 2 0 0 0 I I l I I 1 采用无缝钢 管滚 丝制作 ， 杆尾制作成麻 花状 ， 沿巷道径向全断面布置。采用 1卷快速 3 5 3 0 型树脂药卷端锚 ， 锚杆 问排距为 1 2 0 0 I I l I I l 1 4 0 0 I I l l I l ， 锚杆的最终锚 固力不低于 6 0 k N， 预 紧力不低 于 1 0 k N 。注浆浆液为单液水泥 一水玻璃浆液 ， 水 灰比控制在 0 ． 8～1 ． 0 ， 水玻璃掺量 为水泥用量 的 3 ％ ～ 5 ％， 注浆压力控制在 2 ． 0 M P a 以内。配标准 螺帽和 高强 度托 盘。复 喷混 凝 土厚 度 为 5 0～6 0 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 总第 3 7 6期 金 2 0 0 7年第 1 O期 mm， 使总喷厚达 2 0 0 mm左右 。 3 锚索支护参数 。预应力锚索布置在交岔点 拱顶和两帮部位 ， 锚索孑 L 深度为 8 ． 0 m， 孔径为 2 8 ln l T l ； 采用 1 卷慢速和 1 卷 中速 2 3 5 0型及 1卷 2 3 3 5 型快速树脂 药卷锚 固， 锚 固长度大于 1 ． 0 m； 采用 1 5 ． 2 4 m m低松弛预应力钢绞线制作 ， 其极限承载 力为 2 6 0 ． 7 k N， 伸长率为 3 ． 5 ％。采用 高强度的垫 板 2 0 0 m m 2 0 0 m m2 0 mm， 中孔为 1 8 m m 和 专用锚具与设备进行张拉 、 固定和切割； 钢绞线的截 取长度为 8 ． 5 m， 锚索的预应力为 1 5 0 k N， 间排距为 2 ． 8 m。 预应力锚索的施工可在断面刷大过程 中及 时安设 ， 以确保对顶板岩层 的控制。第 Ⅱ段布置 3 根锚索， 第 Ⅲ段布置 4根锚索， 第 Ⅳ段布置 5根锚 索， 锚索布置结构形式如图 5所示 。 a 第 1、Ⅳ段锚索加固结构 b 第 Ⅱ 段锚索加固结构 c 第Ⅲ段锚索加固结构 图5 交岔点锚索加固结构示意 5 效果分析 通过采用导硐施工方法 ， 锚 网喷初次柔性支护 ， 锚注与锚索联合二次加强支护后， 相对于传统的架 28 棚支护 ， 不仅降低 了支护成本 ， 提高了施工进度 ， 而 且提高了支护的可靠性 ， 保证了巷道的有效断面 ， 减 少 了巷道维护工程量， 减轻了劳动强度 ， 保证 了建井 周期 ， 实现了矿井的尽快投产。 6 结论 根据实际地质情况， 灵活运用支护理论， 采取合 理的支护方案是保证支护效果的关键所在。本文对 马钢集团姑山铁矿后和睦山矿段 一 3 0 0 m水平车场 马头 门南迎头 N 1 4交岔点采取导硐施工 ， 锚网喷进 行一次柔性支护， 锚注与锚索进行二次加强联合支 护后 ， 取得了良好技术效果与经济效益 ， 并得到如下 结论 1 对于扰动较大的交岔点应采取导硐施工方 法， 及时进行初次柔性让压支护； 2 对于软化 、 泥化 和膨胀性显著的围岩应及 时进行封闭处理 ； 3 对于地质条件复杂的大松动圈围岩 ， 传统 架棚或锚杆支护方式效果欠佳 ， 宜采取锚注与锚索 联合加强支护。 参考文献 [ 1 ] 韩立军 ，王延 宁，周胜利 ， 等．软弱岩层 中大断面硐室施工与 支护技术研究[ J ] ．金属矿山， 2 0 0 6 1 1 2 3 2 6 ． [ 2 ] 段 昌标．大跨度 大断 面软岩 巷道交 岔点锚 杆 索 支护技 术 [ J ] ．煤炭技术 ， 2 0 0 3 ， 2 2 3 5 0 5 1 ． [ 3 ] 张冠洲 ，杨杰 ，舒国铭 ， 等．“ 格栅 一槽钢” 联合 支护技 术的 研究与应用[ J ] ．金属矿山 ， 2 0 0 6 7 2 0 - 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