斜井表土粘土层冻结法施工巷道支护方案优化探讨

文/杨广祥

斜井表土粘土层冻结法施工巷道支护方案优化探讨

文/杨广祥

新汶矿业集团内蒙能源公司长城五号矿井井田位于内蒙古自治区鄂托克前旗西约70km处，属内蒙古自治区鄂尔多斯上海庙煤田西部芒哈图勘查区，本区位于毛乌素沙漠西南边缘，呈低缓丘陵地貌，西低东高，最低点位于井田西部，海拔标高为1200m，最高点位于井田中部，海拔标高为1238.7m，最大高差38.70m。本文针对长城五号矿井主、副斜井新近系粘土含水层支护方式提出优化方案，结合冻结法施工工艺，设计并提出以锚网喷代替U型棚支护方案，通过两帮移近量、顶板下沉量、锚杆受力情况的观测来检验支护效果。实践证明，优化方案简化了支护工艺，较好地实现掘砌平行作业，加快了井筒掘砌速度，对于蒙西南地区表土层粘土段冻结井筒施工具有较高的参考价值。

一、地质和工程概况

1．地质概况

新近系(N)。地表未见出露，全层厚度76.00～231.36m，平均厚度164.23m。据钻孔揭露，上、中部为棕红色半胶结红土层，由砂质粘土夹少量砾石组成，下部为棕红色亚粘土夹石膏薄层，底部为浅紫灰色半胶结砂砾层，砾石成分以石英岩、灰岩为主，厚度8.00～20.00m，平均厚度14.92m。与下伏地层为不整合接触。

第四系（Q）。全区广泛发育，厚度为7.70～38.00m，平均21.87m。顶部为现代风积沙丘及沙土层，中部为黄土层，由灰黄色亚粘土、亚沙土组成，底部为河流冲积的松散砂砾石层，其厚度发育不均，一般为0.70～5.50m，井田北部地表为固定沙，南部为半固定沙。与下伏地层为不整合接触。

2．工程概况

主副斜井自埋深113m～208m表土段地层采用冻结法施工。斜井冻结段井筒支护采用双层井壁，外层井壁采用“挂网+U型钢棚+喷浆”支护方式，喷射厚度200mm，喷射混凝土强度C20；内层井壁采用钢筋混凝土砌碹支护，砼强度C55，并掺入水泥用量8%～10%的JQ-P5型早强抗裂防水剂。

二、锚网喷支护方案设计

1．锚杆支护

由于井筒断面较大，工作面按原设计支护方式掘进中暴露出诸多问题，一是25U型钢棚比较重，架设困难；二是架设25U型钢棚跟迎头掘进易被爆破作业打变形，从而出现倒棚现象；三是严重制约施工速度，工期不能按计划进行。通过后位补打锚杆支护实验的效果显示（即在已架设好的U型钢棚之间的巷壁打安锚杆做拉拔力试验），以“锚网喷”替代架设25U型钢棚支护可有效达到设计支护的强度要求。

2．可行性分析

实际的冻结效果为：副斜井冻结段为新近系粉红色粘土、砂质粘土、砂层和砾石层，沿井筒施工方向布置五排冻结孔，两边排孔的孔距为9m，巷道中线距两边排孔4.5 m，冻结壁厚度为顶板6.5m，底板5.5m，两帮3.1m。实际揭露，地层经冻结后冻土冻结良好，迎头爆破开掘后冻土稳定，井壁温度都在-12℃以下，最低温度达到-17℃。

根据以上情况分析认为，井壁冻结后冻土稳定性较好，可采用锚网喷支护，维护到永久井壁浇筑成井。

3．支护参数

采用全螺纹等强锚杆。共布置锚杆17根，拱顶及两肩窝共7根，锚杆规格为Φ20mm×1400mm，锚固深度700mm，间、排距800× 800mm；肩窝向下到墙角两帮井壁各布置5根，锚杆规格Φ20× 800mm，锚固深度700mm，间、排距900×800mm；

采用MSK2370型树脂锚固剂进行锚固；

金属网采用Φ6.5mm钢筋加工而成，规格1m×3m，网格尺寸100mm×100mm，搭接压茬100mm；

喷射混凝土强度为C20，喷射厚度为100mm；

锚杆的锚固力100kN，锚杆预紧力不低于400N·m。

巷道支护断面图如图1所示。

图1巷道支护断面图

4．采取的措施

（1）加强爆破管理，优化爆破参数，减少爆破影响。增加周边孔个数，减少周边眼装药量，尽量达到光面爆破，减少对冻土层影响，尤其是注意减少超挖量。

（2）严格控制锚杆位置和眼深。为防止墙部锚杆施工时打穿边排冻结孔和错用长钻杆，必须严格控制锚杆位置和眼深，打锚杆孔前必须由专人点眼，并固定专人和专用钻杆打锚杆孔。对爆破后超挖或片帮处必须经过喷浆补齐后再打锚杆。

（3）及时进行喷浆支护。锚网后及时进行喷浆，防止冻土层融化后片落。喷浆时与两墙同时喷起来，以增加喷浆面积，提高整体支护效果。

（4）优化施工工序安排，喷浆后进行出矸、打炮眼工作，给喷浆体留出足够凝固时间，凝固好以后再进行爆破作业。

（5）反复多次进行喷浆，达到理想效果。一次喷浆达不到200mm厚度，须进行复喷浆，尤其是对爆破震掉的喷体部位，进行补喷，保证喷浆质量。

（6）要备有注浆管、树脂等堵漏材料。若打破盐水管要及时按上注浆管关闭上部盐水干管阀门，废孔及时用树脂封孔。

三、施工过程及效果

1．施工过程

爆破后先蹬矸对顶板进行锚网喷支护，拖后3～5m对拱肩及两墙上部进行锚网喷支护，拖后5～10m对已出矸石后的两墙下部进行锚网喷支护，以此类推向前随掘进随进行锚网喷支护，迎头后10～20m喷浆达到设计厚度。

2．实施效果

施工中为保证锚网喷支护效果，应尽可能降低冻土层温度，延长冻土暴露的时间，以增加有效施工空间，为大循环平行作业创造条件。

采用“锚网喷+喷浆”支护方式，其优点是减少了架棚施工环节，可实现迎头掘进、复喷工序平行作业，提高施工效率，加快掘进速度。采用该方式，巷道造价比原支护方式降低，且施工速度有显著提高。

四、支护效果现场监测和结论

为检验支护效果，长城五号矿井施工人员对主、副斜井冻结段巷道变形量进行了观测。主副斜井冻结段典型的水平收敛变形历时曲线见图2。

图2开挖后典型收敛变形曲线

巷道的变形监测主要通过收敛计进行井帮移近量的监测。井筒开挖后，在主副斜井粘土层锚网喷支护段每隔一定距离在井帮上布置一组观测点，获得斜井开挖后历时时间与巷道收敛变形值的关系，经对收敛监测数据分析得出，主、副斜井收敛变形速率基本一致。同时，经对冻结壁情况进行实时监测，主副斜井开挖前后冻结壁，以及井帮温度及变化规律基本相同，巷道支护效果完全符合设计要求。从锚网喷支护开始到浇筑成井，锚网喷支护巷道的最长暴露时间达46天，从变形量观测记录可以看出巷道变形量在允许范围以内，支护效果较为理想，充分说明冻结段粘土层采用锚网喷支护可以替代U型钢棚支护。

（作者单位：山东能源新矿集团内蒙能源公司长城五号矿井）

（责任编辑：周琼）