——以土耳其艾尔麦德井工矿为例
Optimization of Construction and Supporting Process of Large Chamber in High Stress Broken Soft Rock:
Taking the Elmede Mine in Turkey as an Example
王炳 WANG Bing；王吉利 WANG Ji-li；何晓峰 HE Xiao-feng；宋维雒 SONG Wei-luo
（中煤第五建设有限公司第二工程处，徐州 221141）
（China Coal No.5 Construction Co.，Ltd. Second Engineering Office，Xuzhou 221141，China）
摘要：高地压、破碎软岩地层中大硐室的施工在矿山建设中一直存在着观感较差、工序繁杂、支护困难等问题，且在前期土耳其艾尔麦德井工矿永久变电所的施工中，以上问题均已显现，而且造成了一定程度的二次翻修。因此，选用传统的施工和支护等工艺，不仅影响施工进度的同时，还造成材料浪费、巷道超挖严重、后期来压明显等现象。为此，在永久泵房的施工过程中，必须对传统的施工和支护等工艺做出优化与创新，以满足高地压、破碎软岩地层中大硐室施工的要求。
Abstract: The construction of large ditches in high ground pressure and broken soft rock formations has always had problems such as poor perception, complicated procedures and difficult support in mine construction. In the construction of the permanent substation of the former Elmede mine in Turkey, all the above problems have appeared, and caused a certain degree of secondary renovation.Therefore, the selection of traditional construction and support processes not only affects the construction progress, but also causes material waste, serious roadway over-excavation, and obvious pressure at the later stage. To this end, in the construction process of the permanent pump house, it is necessary to optimize and innovate the traditional construction and support processes to meet the requirements of large chamber construction in high ground pressure and fractured soft rock formations.
关键词：多层正台阶施工；周边切割眼；支护工艺
Key words: multi-layered positive step construction；peripheral cutting hole；support technology
中图分类号：TD264 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0130-03
0 引言
永久泵房纵、横向跨度大，所处软岩地层地压较大、岩石较破碎、变形严重、支护困难，对施工、支护的要求较高。传统的施工、爆破及支护工艺，对围岩破坏较大、支护强度较低、抗压能力小、巷道成型差；难以满足日后使用要求，亦或造成巷道二次返修；不仅在增加施工安全风险的同时还加大了施工造价，并会直接影响整个矿井排水系统形成的工期，延后矿井投产节点。因此，合理选择安全、可靠、有效的施工、爆破及支护工艺显得尤为重要。艾尔麦德项目部对前期变电所施工时所存在的问题及岩石情况进行深度分析和研究的基础上，吸收其他矿区及公司内部施工软岩地层中大硐室施工的先进理念和成熟经验，尝试多层正台阶施工、增大掘进断面的施工方法、增加周边眼切割眼的爆破方法、增加支护形式等方法，在永久泵房施工的过程中取得了显著成效。
1 工程概况
艾尔麦德井工矿地处土耳其伊兹密尔省可尼克镇。井底车场工程——永久泵房，位于土耳其西部的 Egean 地区 soma 煤田，该地区煤田地质及水文地质结构较为复杂。永久泵房设计净宽5600mm，净高6300mm；根据地层情况尝试在设计荒断面的基础上，整体扩大300mm，给予地压以充足的释压空间。扩大后掘进断面尺寸为：宽6600mm，高6800mm。
永久泵房主要位于基岩和片岩中，少量揭露M1地层。M1地层整合于基岩、片岩地层之上。该地层揭露岩体为页岩，黑色、层理状构造，薄片层状的节理，易碎，岩体较软，有暗淡光泽，局部有方解石充填。岩体走向西南，产状80-85°之间，近乎直立倾斜，未发现断层、陷落柱等构造。KM2褐煤赋于M1地层之上，且其上部为M3、M2灰岩。永久泵房巷道顶板距离KM2煤层最近底板约为74.56m，距M2灰岩含水地层最近距离为96.25m，含水层最大涌水量约为210m3/h。
根据西安煤科院水文资料报告分析：M2+M3含水层平均厚度69.33m，静水压290-320m；含水层渗透系数K值波动比较大，根据钻探钻孔（MO2）抽水试验K值最大为0.26m/d、副井探水注浆计算K值为0.1-0.16m/d、总回风上山出水及水文钻孔下降情况计算K值为1.48-4.08m/d，此次突水K值为副立井探水k值的10-40倍，平均为19倍。
2 施工、爆破及支护工艺方案
2.1 施工工艺
2.1.1 施工方法
采用先拱后墙正台阶多层法施工。将断面分成上、中、下三部分（台阶）进行开挖，上部工作面超前开挖形成正台阶；拱部台阶高度3000mm，中层台阶高度为1800mm，下层台阶高度为2000mm，其宽度为硐室的开挖尺寸6000mm。上、中、下三层台阶工作面的距离根据围岩状态和支护结构形式而定，一般为6-8m。
永久泵房掘进至永久泵房开口位置时，拱部以30°的上坡，在4m范围内掘进至永久泵房顶板，然后将4m段反刷至断面设计尺寸。
2.1.2 施工步骤
如图1所示，拱部打眼爆破通风后，对揭露的岩石进行素喷。用单体液压支柱进行临时支护后，找够拱部断面尺寸，再打下一循环拱部炮眼，然后锚网索喷支护，进行下一循环掘进。待拱部超前中层台阶6m左右时，中层台阶可平行作业。中层台阶掘进采用MWY6/0.2型液压挖机施工，挖掘机挖出中层台阶设计高度后进行锚网索喷支护，待中层台阶超前下层台阶6m左右时，下层台阶可平行作业。下层台阶掘进同样采用MWY6/0.2型液压挖掘机施工，挖掘机挖至掘进底板后进行锚网索喷支护。至此上、中、下三层台阶可同时平行作业完成全断面掘支循环，按照上述方法完成整个永久泵房主体工程的施工。
2.2 爆破工艺
本次拱部爆破炮眼布置在传统炮眼布置形式上，增加周边切割眼，且眼距控制在200-250mm之间，如图2所示。由于岩石条件影响，周边切割眼不参与爆破，待放炮后人工使用风镐沿周边切割眼刷大成型。
在距离周边切割眼250-300mm之间布置辅助炮眼，眼距控制在350-450mm之间。
掏槽眼采用直眼掏槽，在距离上部台阶底部800mm位置布置直眼掏槽。
2.3 支护工艺
2.3.1 超前支护
采用悬吊式超前锚杆支护形式。超前锚杆选用Φ26mm螺纹钢，长度为3000mm，外插角8°-10°之间（一般为6-12°），横向间距为控制在300±50mm。爆破进行永久支护后，在工作面轮廓线以外进行打眼，然后将超前锚杆注入打好的眼孔内。超前锚杆悬吊点选在已永久支护的钢带上，利用12#铁丝将超前锚杆绑扎在钢带上。待下一循环永久支护时，将超前锚杆压在钢带里面，形成后期的顶板纵向抗压能力。
超前锚杆长度计算：
L=L1+L2+L3=1.5+0.4+0.6=3.0m
式中：L——超前锚杆长度，m；
L1——循环进度，m；
L2——杆体外露长度，m，一般为0.1-0.2m；
L3——杆体留在循环进度外岩体中的长度，m， 一般 ≥0.4m。
2.3.2 临时支护
临时支护采用轻型单体液压支柱，柱径为100mm的不得小于90kN，柱径为80mm的不得小于60kN。使用两组（2根/组）轻型单体液压支柱配两根长1.5m、厚50㎜、宽200mm的方木进行巷道临时支护。
2.3.3 永久支护
①支护设计。采用刚柔耦合的两次支护形式：一次支护为柔性设计，以树脂药卷锚索支护＋金属网+钢带＋δ50㎜喷射混凝土；二次支护为刚性设计，以U34型钢拱架+喷射混凝土厚度为150mm，强度等级为C20。
巷道掘进后，对揭露的岩面进行一次支护。二次支护暂缓施工，待巷道释压后，围岩呈稳定状态时，再次进行二次支护施工。
②支护材料选择。钢带采用Φ26mm螺纹钢加工，排距为750mm。锚索采用Φ17.8mm的钢绞线制作，长度为6300mm。菱形布置，全部采用长6300mm锚索按750×750mm的间排距进行支护；垫板采用δ16mm钢板制作，规格为300×300mm；网片采用Φ6.5的盘圆焊接，网度为100×100mm；钢棚采用U34型钢拱架钢棚（5节/副），架设间距500mm，每节采用3副抱卡搭接，搭接长度500mm；δ200mm喷砼，强度等级为C20。
3 效果分析
3.1 施工工艺
3.1.1 采用多层正台阶施工法
在原有的两层正台阶施工方法上增加至三层台阶。按照施工需求将硐室划分成不同高度的施工平台（台阶）。从而达到在围岩不稳定及高度较大硐室的施工中，降低施工风险、增强安全系数的目的；而且可以在各层台阶施工至一定安全距离后实施平行作业，提高施工进度。
3.1.2 采用挖掘机施工下层台阶
在软岩硐室施工中，选择投入挖掘机施工中、下层台阶过程中，在减小人工劳动强度的同时，还能够使围岩不受到由爆破带来的扰动和破坏，也减少超挖，保证围岩的整体性和完整性。在后期的支护过程中，节省支护时间，节约支护成本。
3.2 爆破工艺
3.2.1 辅助炮眼的布置
将里层爆破辅助炮眼布置在外层爆破辅助眼的最小抵抗线以内，确保在爆破过程当中避免了爆破后矸石大小不均，且减少爆破后造成超挖的现象。
W=35D=1330mm；
W—最小抵抗线；
D—炮眼直径（装药半径）38mm。
3.2.2 增加周边切割眼
周边切割眼的主要作用是，在辅助炮眼爆破后形成的围岩压碎圈与塑性区范围之间（冲击波在岩体中作用形成的压碎圈范围在2倍的装药半径，应力波作用下岩体塑性区范围在100倍的装药半径），构成一圈隔离层，不但无形的缓解了爆破后产生的冲击力，而且增加了光面爆破成型率。
3.2.3 采用直眼掏槽
直眼掏槽能保证上层台阶底段基岩达到一定破碎程度，为下一步加快中层台阶的施工和开挖创造有利的条件。
3．3 支护工艺
3.3.1 超前支护
本次施工在原有永久支护设计的基础上增加悬吊式超前锚杆支护形式，在破碎顶板或直接顶为弱层理结构的条件下，围岩未被开挖前，采用锚杆支护技术提前对即将暴露的顶板进行支护，尽量使围岩在开挖后原岩应力被破坏的情况下保持完整，避免围岩产生较大的形变，保证巷道顶板在未离层前得到有效支护。下一循环掘出后，上一循环超前锚杆不进行拆除，作为永久支护，形成永久顶板的抗压能力。
3.3.2 永久支护
在日常掘进施工中，由于揭露的围岩软弱、且较为破碎，现场在原有永久支护形式的钢筋网片上，增加菱形铁丝网（孔径50mm），从根本上制止大块矸石掉落，而且为后期的顶板释压中给予了一定范围的缓冲空间。
3.4 矿压观测分析
为测定对以上工艺优化的结果，利用标记法在巷道全断面做变形观测点，每组观测点主要在顶板、肩窝、墙部和底脚布置，保证以上位置不得少于一个观测点，每5m布置一组。将每个观测点赋予X、Y、Z坐标，每次进行观测后计算各点的空间位移量，进行统计分析。在进行了为期45天的观测后（每5天观测一次），形成位移量（cm）与时间（d）的关系图，如图3所示。
分析结果：在硐室施工结束后，前25d硐室释压程度较为明显，且地压不以正比形式增大；但自30d以后，硐室来压逐渐趋于稳定。分析结果说明，虽在硐室施工结束30d以内有较为明显的来压变化，但30d以后围岩稳定性增强，所以通过对以上工艺的优化与创新，可有效控制地压和巷道变形，且硐室释压后仍可达到设计断面尺寸。
4 巩固措施
4.1 二次支护
根据图3分析，在待一次支护结束40d以后，进行二次U34型钢棚支护及反底拱的安装。钢棚架设过程中，若出现与一次支护体之间存在间隙时过大时，需用半圆木接实。钢棚架设完毕后，进行C20喷射砼支护，以及反底拱C55素砼浇筑。
4.2 围岩加固注浆
①注浆管沿硐室周边轮廓垂直混凝土面菱形交错布置，注浆管采用?准42mm，长3m的无缝钢管制作，间排距为1.5m×1.5m。
②注浆压力是浆液在裂隙中流动、扩散充塞、压实的能量，是控制浆液距离的重要因素之一，注浆压力不大于3MPa，以不引起巷道开裂凸起为原则。
③本次充填注浆以双液浆为主，双液浆主要是水泥浆+水玻璃。水泥选用P0.42.5水泥，水灰比为1:1-1:0.75。水玻璃选用液体硅酸钠型、浓度为40波美度。土耳其采购水玻璃浓度偏高的水玻璃，需经加水稀释成需要的浓度。
④质量标准，注浆孔的布置角度及深度应符合设计要求，孔位与设计位置的允许偏差为±50mm；当注浆压力达到设计终压或注浆量达到设计值的80%以上时，单孔注浆结束；当所有注浆孔均符合单孔结束条件、无漏注情况时，全段注浆结束。
5 结论
高地压、破碎软岩地层中大断面硐室施工，通过对施工的优化，促进生产进度，降低施工强度，提高安全系数；通过对支护工艺的优化，增强围岩的承载结构，有效控制围岩压力，增加硐室使用寿命，降低硐室返修几率；通过对爆破工艺的优化，减少对围岩破坏，增强围岩整体性，提高光爆效果及巷道成型。该成果能够实现技术上可行，经济上合理，具有广泛的推广使用价值。
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