白垩系软岩斜井综掘机械化施工技术研究

2013-03-15李俊峰

中国煤炭 2013年6期

李明张玮李俊峰

（平煤神马建工集团有限公司，河南省平顶山市，467000）

1 工程概况

内蒙锡林浩特五间房东区煤矿设计生产能力700万t／a，副斜井全长1447m，倾角6°，巷道净宽5.3m，净断面积19.5m2。支护形式为25U 型钢、网喷射混凝土厚300mm 联合支护。井筒施工遇到的最大困难是通过白垩系软岩时极易冒顶，这也是国内斜井软岩施工速度慢、综掘支护速度不同步亟待解决的问题。针对上述问题，研制开发出了拱形盾构掩护支架，采用综掘机械化作业，巷道掘进取得了一定的效果。

2 水文地质

井筒检查钻孔揭露的地层主要为新生界第四系、第三系与中生界白垩系地层，均属陆相沉积地层。第四系全新统（Q4）地层分为二部分，上部为风积砂，下部为冲积湖积砂层，第四系全新统地层总厚度15m 左右。第三系上新统（N2）地层主要为泥岩，底部有一层中砂岩或细砂岩，泥岩为棕红色，块状构造，遇水膨胀，失水干裂，具有可塑性，局部含钙质结核，透水性差，厚度40 m 左右。第三系上新统与下伏地层为不整合接触。白垩系下统巴彦花组（K1b）为本区主要含煤段，软岩普氏系数f=0.8～2，岩性由灰～深灰色泥岩、粉砂岩、中～细粒砂岩夹粗砂岩薄层、炭质泥岩及煤层互层组成，富含动植物化石。白垩系是一套较厚的多旋回的内陆沉积，每个旋回的顶部都有厚层的泥岩、粉砂质泥岩分布，泥岩岩性密实，含水微弱，是良好的隔水层，厚度128m 左右。

3 工程施工

3.1 施工要点

白垩系软岩含水有明显的流变性，并且对应力扰动、施工震动极为敏感。其破坏特征表现一是变形破坏形式多，如拱顶下沉、冒顶、偏帮、底臌；二是变形量大，井筒的收敛变形从几厘米到几十厘米；三是围岩破坏范围大。根据支护原理及要求，治软先治水、治水先治底、让抗结合、释放压力、减少风化、迅速封闭，井筒所采用联合支护方式充分利用了U 型钢支架可缩和网喷支护封闭巷道施工快捷的优点。根据井筒及水文地质特点制定的施工方案关键，一是治水，二是采用综掘机械化作业线快速施工。

软岩施工治水是关键，按井筒上、中、下分段同步采用截、堵、排综合治理。截：井筒壁后注浆，把井筒地表上部潜水堵住封死；堵：重点对含水层超前小管棚注浆封水，形成拱形防水帷幕，提高软岩自身的承压能力；排：在井筒工作面底板中部钻出超前水窝排水，减少水对软岩的影响。

3.2 综掘机械化作业线

作业线包括一台EBZ160掘进机，拱形盾构掩护支架一套两台，配套转载机，一部STB-800型带式输送机，保证了双向连续运输。

3.2.1 拱形盾构掩护支架设计

根据U 型钢支架SAP2000软件计算，钢支架最大弯矩在拱肩位置，为17.6kN·m，最大轴力在直墙位置，为131.9kN，截面最大应力为272 MPa。25U 型钢支架屈服强度335MPa，是截面最大应力272 MPa的1.23倍，满足支架强度要求。拱形盾构掩护支架由支撑结构、液压顶移行走机构、液压升降机构、液压护顶探梁4部分组成。两台掩护支架分别由两台控制台调控。其中，掩护支架支撑结构长1.6 m，主要由25U 型钢支架拼接的拱形钢架和外部的筒壁组成。为了保证掩护支架有足够多的空间，筒壁选用了Q345冷弯帽型钢，它是同规格槽钢抗压能力的2倍，加之内、外还有两层钢板，足以承受巷道顶、侧压力。液压顶移行走系统由装在钢筒两侧的4台千斤顶、内置在钢筒内的顶铁和轨枕、底轮组成。顶铁作为千斤顶的支座可承受较大的顶力，轨枕、底轮的作用一是掩护支架扩大了底面积、可承受较大压力，二是导向、确保快速顶移。液压升降系统由安装在底框梁下部的4台同步升降千斤顶组成。顶移时，调控升降千斤顶，使前移支架的筒壁与岩体分离，大大减少了筒壁与岩体的摩擦力。拱顶液压探梁均匀地布置在掩护支架拱顶，前、后探梁的作用一是顶移到位，同步伸出掩护支架探梁护顶；二是支架回缩油缸时，带动铺网、架棚就位，提高了工作效率。为了拆卸安装方便，整个支架采用高强螺栓连接。油泵通过分配器，可保证千斤顶同步顶进，遇到特殊情况，通过三位四支座通阀，启动一侧顶移千斤顶左右调偏。出现底部 “扎头”时，采取掩护支架前毛石铺底加固纠偏。

3.2.2 掩护支架顶移工艺流程

掩护支架顶移工艺流程见图1，支架1 与支架2 顶移步距与棚距一致，支护、顶移行走交替进行。

第一阶段施工准备。按井筒中心、腰线铺轨，井筒留出临时支护且稍大于掘进荒断面的准备巷道4.2m 组装掩护支架，见图1 （a）。

第二阶段正常施工循环时，掘进机切割巷道中下部掩体时，支架2伸出升降千斤顶油缸掩护支架升起当支座，支架1前移一个棚距，同步伸出后探梁护顶。支架1到位后，井壁等当支座，支架2前移一个棚距，后探梁同步伸出护顶。后探梁收回时，拱形棚梁和金属网一起就位。安装棚腿、打紧背板，见图1 （b）和图1 （c）。

第三阶段掘进机切割巷道上部掩体，支架2后面喷射混凝土。在喷射混凝土前，在两架棚之间安装防尘罩封闭，减少粉尘污染环境。井筒拱顶切割完毕，支架1伸出前探梁护顶，见图1 （d）。整个循环中支架顶移、铺网架棚、喷射混凝土均与掘进机平行作业，充分发挥了掘进机的高效。根据井筒开挖地点岩性水文的实际情况，还可在支架1与支架2之间采取花管注浆、小管棚等固顶预控措施，确保施工安全。