炉峪口煤矿9#煤层大断面交岔点设计优化及施工技术探讨(第二版).doc

炉峪口煤矿9#煤层大断面交岔点设计优化
及施工技术探讨
申爱龙1,2
（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.太原煤气化炉峪口煤矿，山西 太原 030024）
摘 要：对炉峪口煤矿9#煤层延伸开拓工程轨道暗斜井1号交岔点进行设计、施工探讨，在满足安全需求前提下，通过合理调整斜墙起点、逐渐降低墙高，减缓了巷道断面增大率，减少了工程开挖量；同时根据本地段原始岩层情况，确定合理的支护方式及参数，确保了交岔点工程的顺利施工和支护稳固。
关键词 岩巷；掘进；大断面；交岔点
中图分类号：TD354 文献标识码：A
井下巷道交岔点是巷道施工中的一个重要项目，如果设计施工不合理，支护参数欠妥，会给以后的生产安全带来极大的不利因素，研究表明，施工交岔点时，会造成围岩应力的再次重新分布，两条交岔巷道两侧的支承压会相互叠加。正在开凿第一巷道时的应力集中系数比开凿前增大10%～15%；交岔点第二巷道掘进后，应力集中系数比开凿前增大40%～50% [1]。
工程中常用的柱墙式交岔点（牛鼻子交岔点）因其承载能力好，服务年限长等优点得以在多数重要巷道施工时普遍采用，但其施工较为复杂，工程量较大，因此如何能够在满足使用要求的前提下尽量缩小工程开挖量，减少对围岩的扰动；并且确保其支护可靠，便成了交岔点工程中最重要的两个要求。
1 工程概况
炉峪口煤矿首采区9#煤层开拓工程于2012年初开工建设，其中作为主要材料运输巷道的9#煤层轨道暗斜井上部平巷最先开工，施工难度也最大。根据设计，需要先施工制作一个标准柱墙式交岔点（1#交岔点），交岔点种类为单轨巷道单侧分岔点，该交岔点在原+945水平东大巷364m处开口施工，开口处为石料砌碹支护，交岔点及分岔支巷设计均为锚网喷支护。
1.1 交岔点斜墙斜率设计
在交岔点设计中，通常是将基本轨起点作为斜墙的起始位置，事实上在某些情况下所取得的交岔点安全距离大大超出实际需求，在本例中选取了一种以道岔分岔段与交岔点斜墙垂直距离为参照标准来确定斜墙起点的方法。
将道岔分岔段到斜墙的垂直间距设为c，c值的确定必须保证道岔前后及曲线段到斜墙有足够的安全间隙以保证行人运输的要求，并要依据巷道转弯时的巷道加宽值、该侧人行道宽度、所运行矿车的宽度等依据进行适当选取。
将道岔分岔段b向外垂直平移一段距离c，该线记为QA线，该平行线与原交岔点主巷的一帮有一个交点Q，即可作为交岔点斜墙的起点。
根据平面几何关系，可求得该类型交岔点各主要参数公式如下：
； （1）
； （2）
； （3）
； （4）
； （5）
； （6）
；（7）
； （8）
（9）
； （10）
式中：
——辙岔角（°）；
——弯道半径；
、、——交岔点主巷1、支巷2、支巷3的净宽；
、、——交岔点主巷1、支巷2、支巷3轨道中心线至柱墩一侧边墙的距离；
——支巷对主巷的转角；

图1 斜墙斜率变更后交岔点各主要参数尺寸标记平面图
1.2 交岔点平面参数优化
在本工程中，该交岔点各部分巷道断面均为直墙半圆拱形，其中交岔点主巷断面规格为：净宽B1＝B2＝3.6m，净高3.3m，内有两趟轨道，轨道中心距为1.25m，主巷在交岔点前后的断面规格一致；交岔点分岔支巷净宽B3＝4.3m，净高3.95m；轨道中心线至柱墩一侧边墙的距离：主巷为b1＝b2＝1.1m，分岔支巷为b3＝3.05m；交岔点主、支巷均设计有水沟，支巷对主巷转角δ＝30°；
交岔点处轨道弯道转弯半径为R＝12m，所用轨道轨型均为30kg/m、轨距600mm的标准矿用窄轨，交岔点轨道分岔处选用标准ZDK630/4/12单开道岔（右开），该道岔各项参数如下：
表1 ZDK630/4/12单开道岔各项参数一览表
道岔
型号
道岔
名称
辙叉角α
主要尺寸（mm）
质量
（kg）
允许行驶机车车辆
允许行驶速度（m/s）
a
b
L
ZDK630/4/12
单开
道岔
14°02’10”
3660
3640
7300
1562
≤3t矿车
≤14t机车
≤3.5
≤3.5
根据断面验算，取道岔分岔端与交叉点斜墙垂直距离c＝1600mm比较合适，再根据上述公式及原始条件，可得计算结果如下：
J＝4281mm；
H＝12625mm；
NT＝3824mm；
NM＝2150mm；
TM＝8114mm；
Y＝1463mm；
L1＝11846mm；
L2＝13996mm；
L＝15996mm；
故而求得交岔点斜墙斜率为i＝0.357。
根据以上原始数据，以交岔点支巷分岔轨道平移线与主巷巷帮相交点为交叉点斜墙起点，将各巷道宽度、轨道位置及道岔、曲线轨道规格作为设计依据，可通过以上计算结果或精确作图得出该交岔点设计平面图如下：单位（mm）

图2 炉峪口9#煤层轨道暗斜井1号交岔点设计平面图
从此设计图可知，该交岔点设计总长度（从基本轨起点Q到柱墩M点再延长2m）约为16.0mm（图中QM段），最大净断面面积积约为38.3m2，最大净宽度为8.1m（图中TM段），斜墙长度（从巷道变断面起至结束）共计11.8m（图中QN段）。
在以往的砌碹巷道施工时，为简化设计，便于碹胎通用，交岔点斜墙斜率通常选用固定斜率（0.2、0.25、0.3等），这样往往造成交岔点长度增大，以及人力、物力、财力的浪费[2]。本工程由于采用锚喷支护，工艺简单，巷道成型容易，施工成本较低，不再使用固定斜率，可直接从支巷分岔轨道平移线与主巷巷帮相交点开始进行断面扩大直至斜墙终点，共计11.8m，交岔点总长度为16.0m，而断面宽度增大量为4.2m，按照本设计，斜墙TQ的斜率应为i＝0.357；此处如若采用斜墙固定斜率0.3，则交岔点总长度为18.2m，,增加约2.2m，开挖工程量增加约57.3m3；如采用常用的已基本起轨点作为交岔点起点，交岔点长度为17.5m，增加约1.5m，开挖工程量增加约37.4m3。
交岔点斜墙在施工时每往前掘进1m，需向分岔巷道侧扩宽357mm，每一段均需施工成半圆拱形，以满足巷道稳定性及设计要求。

1.3 交岔点墙高的确定
交岔点中间断面拱高的确定方法可由宽度的变化推导出，然而，由于各中间断面的拱高将随巷道宽度的递增而升高。为了提高断面利用率，减少掘、支工程量，在满足安全、生产与技术需求的条件下，可将中间断面的墙高相应递减，使巷道全高的增加幅度不致过大，但应保证运输设备、行人及管线装设应有的安全间隙和距离。
设变断面部分起点处的墙高为,降低后的最低处墙高为，则墙高降低的斜率 为[3]：
（11）
式中：——交岔点变断面起点处的巷道墙高；
——交岔点变断面终点处的巷道墙高；
——交岔点扩大断面的巷道长度；
其中交岔点变断面终点处的巷道墙高与分岔后两巷的墙高的差值应控制在200～500mm，如果过大，对碹体施工和安全都不理想；过小，则降低墙高的意义不大。
本交岔点施工时主巷分岔前后墙高均为1.5m、分岔巷道墙高1.8m，此处取交岔点变断面终点处墙高为1.3mm较为合适，既能够满足使用要求，又能保证过渡自然，型式规整，结构稳定，其墙高降低的斜率计算为：＝0.014，施工时交岔点每向前掘进1m，墙高需降低14mm，采用此项调整可使交岔点最大净断面积缩小为36.4m2，巷道总开挖工程量减少约11.7m3，墙高的变化情况如下图所示：单位（mm）

图3 炉峪口煤矿9#煤层轨道暗斜井1号交岔点拱高降低示意图
通过以上设计及改进，尤其是对巷道宽度及高度增大率的控制，有效减少了该交岔点的设计长度及施工工程量。
2 作业方式：（作业顺序及施工方法）
2.1 掘进方式
交岔点施工时必须严格按照激光指示方向及设计断面尺寸要求，采用前进式施工方法进行施工，先把交岔点处的主巷按照设计规格进行拆碹、扩断面，再施工支巷。由于该交岔点施工断面较大，施工时必须控制装药量，保证巷道成型和减少围岩破坏。为防止每循环无支护围岩面积过大，放炮时扩帮、挑顶进尺需控制在1m以下，并要及时进行锚索、锚网及混凝土初喷支护，覆盖网片搭接及锚杆尾部。
2.2 工艺流程
施工时要遵循先安全检查（顶板、瓦斯、工程量、探头位置），后进行施工准备及施工的原则。
其中，掘进班作业流程为：打眼→装药→放炮→敲帮问顶→锚杆、锚索支护、铺设钢筋网→出矸→收尾（文明施工、工程质量）。
喷浆班作业流程为：拌料→喷浆→施工水沟→出矸→清理机具→ 收尾（文明施工、工程质量）。
工作面使用人工装矸至1吨固定车箱式矿车，再由电机车牵引矸车至井底车场，通过副井提升绞车运输到地面。
3 支护设计
根据该处地质资料，本交岔点所处的岩石为砂岩，层理较发育，顶板稳定性一般，而交岔点断面大，高度高，悬顶面积多大，经调研设计采用直墙半圆拱形锚网喷联合支护，锚网喷支护技术是目前对岩层适应性较为宽泛，施工简单、方便实用的一种支护形式，其中锚索、锚杆可以发挥悬吊及加强拱的作用。喷射混凝土能及时封闭围岩和隔离水。网不仅可以支承锚杆之间的围岩，并将单个锚杆连接成整个锚杆群，和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢筋混凝土支护圈 [4] 。
该交岔点各具体支护参数如下：
1）锚杆采用φ20mm，长度为2.2m的左旋螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm, 每根锚杆均使用Z2360及K2335树脂药卷各一卷，锚杆抗拉拔力不得小于105KN。
2）金属网采用φ6mm钢筋加工，长×宽＝2.0×1.0m，网格为100×100mm，网孔的漏焊率不超过2%，钢筋网铺设时，每排按照相同的顺序纵向铺设并相互搭接，搭接长度100mm，钢筋网相互搭接的部位每隔300mm用16#铁丝绑扎一道。
3）锚索采用φ17.8mm、长度为8.0m，1×7股高强度预应力钢绞线，锚索间排距为2.0m×2.0mm，每根锚索采用一支K2355和两支Z2360树脂药卷进行锚固，锚索托板为300×300×10mm钢板，锚索安装后抗拉力不得小于200KN。
4）喷射砼厚度为100mm，标号为C20，初喷厚度为30～50mm，复喷后需达到设计厚度120mm。
5）砼筑牛鼻子柱墩时，要特别注意将基础放在实底岩石上，柱墩基础深500mm，柱墩宽度为500mm，使用C20混凝土浇筑，柱墩是交岔点一个主要受力支点以承受顶板压力，必须保证施工质量，牛鼻子柱墩向后部主、支两巷延伸均不小于2000mm。
4 矿压观测
交岔点施工完成后，采用“十”字布点法，观测顶板及两帮围岩表面位移，共计布设3个观测断面，布设间隔约6m，使用LBY-2型顶板离层仪监测顶板离层情况，每个测孔设2个观测基点，其中深部基点深8.0m、浅部基点深2.0m，安装后每周观测一次，经三周后观测数据显示，顶板及两帮累计移近量最大为约6mm，围岩变形量在工程允许范围内。
5 经济效益分析
在9#煤层暗斜井1号交岔点的设计施工过程中，通过斜墙斜率和拱高变化的优化和调整，在满足安全及规范要求的情况下尽可能地减少了工程量，共计缩短交岔点工程长度约2m，缩小工程开挖量至少约50m3，同时根据本地段岩层情况，适时采用断面利用率较高的锚网喷支护，最大限度地保证了交岔点大断面施工的规整和其支护的稳定性，充分发挥机械施工设备的优势，提高了掘进施工的生产效率，缩短了施工工期，取得了较好的经济技术效果。
6 结论
1）巷道的交岔点是巷道施工的重点，应做到提前设计，根据两相交巷道的支护方式及主、支巷道的断面要求确定交岔点各部分规格参数，然后在原始设计的基础上进行适当修改，通过调整斜墙斜率及逐渐降低交岔点拱基线墙高以尽可能地缩小设计工程长度及开挖量，也减少了对围岩的扰动。
2）在一般稳定岩层中交岔点采用锚网喷支护技术性能优越，适应性好，预应力锚索可以起到很好的悬吊作业，防止顶板离层，锚杆对围岩可以产生主动的横向和纵向预应力，增加了围岩的强度和稳定性，抑制了高应力因素对巷道的影响，支护效果明显，喷浆具有补强作用[5]。因此采用锚网喷支护技术可以有效地控制大断面破碎围岩的变形，改善井下作业环境，提高安全可靠性，施工速度加快。
3）施工完成后，通过对该交岔点的围岩变形实测可知，其顶板深部位移及变形均很少，这反馈出原支护设计及参数的合理性，确保了交岔点的使用安全，也为该工程后续项目的施工提供了重要的参考依据。

参考文献：
[1] 张荣立,何国纬,李铎.采矿工程设计手册（下册）[M].北京:煤炭工业出版社,2005.
[2] 郝华杰.交岔点斜墙斜率设计的探讨[J].河北煤炭,1994,7(3):36-37.
[3] 东兆星,吴士良.井巷工程[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.
[4] 钱鸣高,石平伍.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.
[5] 沈永祥.大断面多交岔点破碎围岩巷道锚梁网索支护[J].煤,2005,14(6):15-17.
收稿日期：2014年06月23日

作者简介：申爱龙（1982—），男，山西灵石人，在读工程硕士研究生，助理工程师，从事煤矿采掘技术工作。
联系方式：0351-5179602，13934548584，alan54188@。