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乌尔里希斯塔迪博士(DMT), 阿克塞尔(DMT),弗兰克李(RAG)
Rock mechanical and support technical design of the pit bottom on the 7th floor level, shaft Prosper 10 in 1250 m depth
Dr. Ulrich Stadie (DMT), Axel Studeny (DMT), Frank Lüttig (RAG)
从2005～2010年，德国北部的鲁尔区-汉尼尔,那里煤矿丰富，新风竖井10从深度约1050m内径为8.0m加深了约260m。在深度大约为1220m到1235m的第7水平坑底设计了一个两边截面积为150m2的井道（图1）。
图1 初始状态（灰色：已有的空洞;蓝色：计划空洞）
该岩体由砂岩，粉砂岩，泥岩，夹杂着黏土和有明显顺层与节里煤层所组成,
众多的擦痕和三个大致平行底部轴的断层面反映出构造应力。（图2）
图2 在计划坑底部的区域地质情况
由于竖井10作为矿山的供应竖井，在竖井下沉期间它的运输能力不允许被降低，竖井10不可能同时不间断地运送残渣和材料。出于这个原因，一个新的施工方法应运而生，其中，凹坑底部总长度大约65m，被分为3个施工段。当竖井在下沉的时候，坑底的中间部分被建造完成（第一阶段，第二阶段，第三阶段，图3）。然后北边部分从竖井的外部向着竖井的方向开始修建(第四阶段，图3)。最后南边的上部分为了降低岩体应力我们沿着井道的上冲断层方向开始掘进（见图2）。当第七层的上部被建成后，它的南边下面也开始朝着井道方向动工（第五阶段，图3）。
图3 计划建造顺序（顶部：侧视图；底部：顶部视图）
问题的复杂性是因为坑底的开挖与支护导致了不同的问题
•深度越大，压力就会越大（约31MPa）
•板的附加应力几乎和柱的差不多了
•岩层受断层影响很大
•当竖井底端应力不均衡发展时分开的部分和基坑底部应力会重新分布
•对支座刚性要求比较低
•施工阶段断面划分和坑底的细分需要大量稳定性分析
南段的划分如图4，试验隧道的内壁延伸到设计剖面
图4 南段的施工顺序
为了设计支护结构，创建了几个三维数值模型。图5显示南部地层与断层序列的情况（绿色2平移断层和褐色逆掩断层）。对基坑中段进行了模拟，包括最终支护。
在3个步骤中的巷道掘进的模拟表明，中部的刚性支撑和新开挖的试验隧道之间最大的差异是位移。在该模型（图5底部）中用一个轻型支架作为暂时的支护。所以中部的刚性支撑的这种变形状态是由于荷载过大造成的。这种荷载是由试验隧道变形引起的。为了最大限度地减少隧道的这种变形，我们对较高的支持能力的结构进行计算比较。所以钢性坑底的应力可以减小到一个可接受的值。
图5 地质力学数值模型支护设计
支撑包括两种类型的外壳，暂时的外壳和永久的外壳。临时或原始的外壳具有防止崩塌的作用，以及在非均匀和各向异性岩体中重新分配应力，并限制周围地层的变形。最初壳体是由喷射混凝土组成，为了接触到100至150mm的岩层，它的厚度取决于坑底的部分区域。圆周锚杆长度为3m至5m,抗拉强度为320kN和480kN。岩石锚杆密度通常是1螺栓/平方米，但是有的可以加密到2螺栓/平方米。用螺栓头连接一层强化网格和一个快速喷射混凝土共同构成最初的主体。第二个结构运用了两个高强度的支撑系统。在中间部分的基坑底部计划使用强度为45 N/mm2喷射的钢纤维混凝土。钢纤维混凝土被钢丝束加强。计划的喷射混凝土的厚度在450mm和600mm之间，它厚度取决于哪个部位。
在北部和南部混凝土里面填充已经屈服的钢材。28天养护后填充体强度最低应力达到30 N/mm2。采用双层网格对充填体进行了加固。因为填充最低的强度和钢纤维混凝土相比，它的厚度要达到1000mm在南部的一些逆掩断层地区。
第7水平坑底应用两种不同支撑系统，本质原因是长距离运输的差异性。在中间部分将所制备的钢纤维混凝土输送到竖井，在竖井10那用钢管将混凝土运送到工地。
北部和南部的混凝土需要在矿上运输几公里并准备把面朝向井道的方向。在这种情况下，无法保证混凝土的质量。因此，这些部分支持系统必须改变。
2个不同的支持系统的概况展示于图6。
图6 基坑运用支护系统
施工阶段岩石的变形和支护状况都受到监控，通过大量测量和观察（引伸计，距离测量，钻孔内窥镜）。混凝土的质量和强度通过实验测量。
图第七显示了在施工期（左）和完成后（右）的第七水平坑底的中间部分的最后支撑情况。
图7 坑底部结构。（来源：RAG Deutsche Steinkohle）
参考文献：
[1]Schlüter, H.; Lüttig, F.; Barth, U.:Auffahrung des südlichen Füllortes Schacht 10, 7. Sohle auf dem Bergwerk Prosper-Haniel Glückauf 147 (2011), Nr. 3, pp. 86 - 94
[2] Schlüter, H.; Lüttig, F.; Barth, U.:Weiterauffahrung des südlichen Füllortes Schacht 10, 7. Sohle auf dem Bergwerk Prosper-Haniel Bergbau (11/2010), pp. 494 - 505
[3] Stadie, U.; Wittenberg, D:Ingenieurgeologische und ausbautechnische Planungen von Sonderbauwerken in großer Teufe Glückauf 144 (2008), Nr. 9, pp. 505 - 518
[4]Reinewardt, K.-J.; Rosensträter, M.; Berger, E.:Tieferteufen des Schachts 10 des Bergwerks Prosper-Haniel Glückauf 143 (2007) Nr. 1/2, pp.58 - 68
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