大断面硐室支护设计优化及施工关键工艺研究

刘锡同

（山东兴杨矿业有限责任公司，山东 肥城271608）

1 工程概况

3100 采区绞车房位于-595m 水平，设计荒宽8.7m，荒高5.75m，断面形状为直墙半圆拱，设计净宽8.2m，净高5.5m，顶底板均为细砂岩，稳定程度中等。

2 优化支护方案

2.1 根据锚杆支护的悬吊理论，采用锚杆、金属网可提高围岩强度和整体性，但是在大断面硐室施工中，巷道围岩压力大， 所使用的锚杆长度不能锚入深部稳定岩层中， 不能有效的控制大断面硐室巷道变形，因此在锚网支护的基础上利用锚索增加锚固深度，从而提高围岩的整体强度。

2.2 根据锚杆的挤压加固拱理论，增加岩石节理裂隙面间的摩擦阻力，防止岩块的转动和滑移，提高破碎岩体的强度，改善围岩的应力状态，使岩石处于三向受力状态，提高岩体的强度。

2.3 根据组合拱理论，巷道开挖后，及时喷射混凝土，防止风化， 使喷体与岩石的粘结力和抗剪强度抵抗围岩的局部破坏，防止围岩的滑移，同时锚杆、锚索将数层岩层组合成组合梁，提高了岩层的整体抗弯能力，保持了围岩的稳定性。

2.4 二次支护的理论是从加固围岩出发，充分调动围岩自身的支撑能力，而达到稳定支护的目的，通过二次支护实现了硐室支护特性的转变， 极大地提高了支护结构的承载能力，从而提高了支护结构的稳定性。 利用在一次支护及时控制围岩的基础上，二次支护加固增强硐室的抗压强度，提高了硐室施工经济效益。 应用二次加强支护技术加固硐室围岩，能及时地改变围岩的松散结构，防止围岩松动的扩散，提高了岩体的整体强度，保证施工安全可靠性，从而确保施工质量。

2.5 原岩体在地壳各种力的作用下处于三向受平衡状态,当开掘巷道时破坏了原来的应力平衡状态, 引起岩体内部的应力重新分布,重新分布后的应力超过岩体的极限强度时,使开掘后的巷道产生变形和破坏,并向已掘巷道移动,直到再次形成新的应力平衡状态。 岩体受力后产生变形和破坏的过程分为四个阶段,从压密阶段—弹性阶段—塑性阶段—破坏阶段;进行巷道支护的基本目的就是缓解围岩的移动和破坏, 使巷道断面不至于过度缩小,并防止已破坏围岩的冒落。因此要充分发挥主动支护的作用和围岩的自承能力，从而达到支护要求。

2.6 对深部开掘的巷道分先后两次支护：一次支护采用及时的“让压支护”,限制和减少围岩变形,在围岩已产生一定的变形和能量得到一定的释放后和一次支护不留空隙, 再进行二次强化支护,进一步促进围岩的稳定和安全性,达到联合支护的效果。

3 支护参数选择

3.1 锚杆

采用φ20×2400mm 高强预应力锚杆，每孔装2 卷K2350树脂药卷（树脂药卷长0.5m）。 托盘规格均为150×150×8mm的钢板压制， 间排距为800×800mm， 锚杆的预紧力不小于40KN，锚固力不小于80KN，安装扭矩不低于260Nm。

3.2 锚索

采用φ17.8×6300mm 钢绞线， 间排距为1600×1600mm，由巷中向两边均匀布置，每孔装4 卷树脂药卷，托盘规格为200×200×10mm，锚索的预紧力不小于100KN，锚固力不小于260KN。

3.3 金属网

顶帮铺设φ6mm 冷拔钢筋焊接成的金属网， 规格为1000×1400mm， 网格为100×100mm。 网片搭接压茬不小于100mm，用12# 铁丝双股绑扎联网，采用三角联网法联网，联网间距不大于200mm。

3.4 喷射混凝土

喷射强度为C20，配合比为水：水泥：砂子：石子=0.44:1:2.12:1.72，J85 型速凝剂的掺量为4%，喷厚为150mm。

4 施工工艺

巷道施工采用正台阶式施工方法分层掘进, 由外向里施工拱基线以上部分,及时锚网索喷支护,循环进尺为1200mm,上分层超前下分层6000mm, 而后从外向里掘拱基线以下部分,两帮及时进行锚网索喷支护。 其工艺流程如下:

4.1 施工准备、安全质量检查→打上部眼→检查瓦斯、加强支护→装药检查瓦斯→爆破通风检查瓦斯→敲帮问顶→初喷→耙装出矸→锚网索支护→复喷。

4.2 施工准备、安全质量检查→打下部眼装药爆破→敲帮问顶→耙装出矸→锚网支护→初喷→初凝后复喷至设计厚度。

为了确保巷道成型，减少爆轰波对围岩的破坏,打眼前画好轮廓线，点眼定好眼位，确保炮眼的眼距、深度、角度符合设计要求。周边眼距定为300mm,掏槽眼距为1200m，周边眼全部预留光爆层,周边眼的装药量应视预留光爆层厚度而定,以保证眼痕率在80%以上。

5 支护工艺

5.1 一次支护

使用光面爆破对硐室开挖后， 首先对围岩进行敲帮问顶，立即进行初喷，初喷厚度30-50mm，将围岩与空气及水隔绝。 等待40 分钟， 喷层凝固确认安全情况下及时进行打锚杆、挂网、锚索支护，要求锚杆锚固力不小于80kN，锚索锚固力不小于260kN；锚杆露出托盘长度30～50mm，锚索露出托盘长度150～300mm；锚杆预紧力不低于4T，安装扭矩不低于260N.m，锚索预紧力不低于10T。 复喷至设计厚度150mm,喷浆后及时洒水养护。

5.2 二次支护

一次支护完成后，经过10 天硐室应力释放后，进行二次支护，锚网索喷。

锚杆采用φ20×2400mm 等强锚杆，拱部使用2 卷K2350树脂药卷，帮部使用2 卷K2550 树脂锚杆（每卷树脂药卷长0.5m）。 托盘规格均为150×150×8mm 的钢板压制，间排距为1000×1000mm。 锚索为φ17.8×6300mm 钢绞线， 每孔装3 卷K2350 树脂药卷，由巷中向两边均匀布置，每排为5 根，间排距为3000×3000mm。 铺设φ6mm 冷拔钢筋焊接成的金属网，喷浆厚度150mm，强度为C20，配合比为水：水泥：砂子：石子=0.44:1:2.12:1.72.水泥为P.C32.5R 硅酸盐水泥，砂为河砂，石子粒径3-8mm。

5.3 工程施工标准

5.3.1 巷道开挖后及时初喷，挂网，打设锚杆、锚索,控制顶板变形和松动裂隙的进一步发育。

5.3.2 锚杆（索）的角度、间排距、外露长度严格按照设计要求布置。

5.3.3 锚杆、锚索的安设必须确保预紧力符合设计要求。 锚索要紧跟迎头,避免顶板离层，爆破后,及时对锚杆进行二次预紧,增强锚杆的承载能力,防止出现锚杆不承载。

6 应用效果

对绞车房进行支护优化后，施工质量优良，硐室稳定程度良好。

7 结论

大断面硐室采用锚网索喷支护减少了巷道的开挖工程量，提高了掘进速度，缩短了施工工期，双层锚网索喷支护具有工序简单、易于操作、降低成本、施工方便的特点,在技术上是可行的，在经济上是合理的。