高承壓水軟碎斷層巷道的施工技術(shù)

黃小忠

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

高承壓水軟碎斷層巷道的施工技術(shù)

黃小忠

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

在巷道開挖過程中斷層及其破碎帶是常見的不良地質(zhì)條件，其斷層破碎性、富水性、圍巖穩(wěn)定性等地質(zhì)條件的確定及支護(hù)難度較大?；赥SP、瞬變電磁等物探與工程鉆探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，分析了馬鋼(集團(tuán))白象山鐵礦-390 m中段巷道F5斷層性質(zhì)，采用地面與工作面預(yù)注漿等綜合注漿技術(shù)，形成注漿堵水帷幕；基于綜合物探預(yù)報(bào)結(jié)果與理論分析，并針對(duì)后期承載和高抗?jié)B性要求，采用合理的二次支護(hù)結(jié)構(gòu)型式與防滲加固措施，較好地解決了斷層破碎帶處巷道掘進(jìn)與支護(hù)難題，為安全高效通過富水?dāng)鄬犹峁┝吮Ｕ稀?/p>

斷層破碎帶 巷道掘進(jìn) 綜合物探 聯(lián)合支護(hù)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

白象山鐵礦區(qū)位于寧蕪斷陷盆地南段，白象山鐵礦南部、西部為長(zhǎng)江沖積一級(jí)階地，地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高6～7 m，分布有高壓線、公路、良田、村莊等。區(qū)內(nèi)地表水系十分發(fā)育，東有石臼湖，西有長(zhǎng)江，南北有長(zhǎng)江支流水陽江與姑溪河。青山河南與水陽江、北與姑溪河相連，由南向北流經(jīng)區(qū)內(nèi)。青山河位于礦區(qū)西部，由南向北流經(jīng)礦區(qū)。

白象山鐵礦地質(zhì)勘探階段確定了F1～F1010條主要斷裂，其中F1～F3為成礦前張性斷裂；F4～F7為成礦后張性斷裂，破壞礦體但未發(fā)生位移；F8～F10為局部平移斷層。

自2006年以來，該礦通過斷層發(fā)生過兩次較大的突水事故。第一次過斷層時(shí)溝通了上部導(dǎo)水層，最大瞬時(shí)涌水量超過928 m3/h，水壓4.3 MPa;第二次巷道掘進(jìn)過斷層80 m后支護(hù)體頂板垮塌，初始涌水量30～40 m3/h，而后水量持續(xù)增大，最后超過800 m3/h, 水壓4.0 MPa。由此可以看出，白象山鐵礦斷層富水性及圍巖不穩(wěn)定性極強(qiáng)，斷層通過難度大。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

為準(zhǔn)確探測(cè)風(fēng)井-390 m中段巷道過F5斷層前方地層與壁后圍巖狀況及含水情況，采用TSP、瞬變電磁對(duì)風(fēng)井-390 m中段巷道進(jìn)行探水[1]，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

2.1 TSP超前預(yù)報(bào)

TSP法是利用地震波反射回波測(cè)量的原理。采用小藥量炸藥激發(fā)地震波震源，震源點(diǎn)位于巷道右側(cè)，設(shè)計(jì)24炮布置一直線，實(shí)際激發(fā)23炮，炮間距為1.5 m。探測(cè)起始位置自井筒中心線256 m處，探測(cè)范圍為0～127 m(沿巷道掘進(jìn)方向)。

2.1.1 超前探測(cè)結(jié)果

用TSP win軟件對(duì)接收到的地震波信號(hào)進(jìn)行處理，得到工作面前方巖體波速、界面及巖體物性參數(shù)等成果。

2.1.2 探測(cè)結(jié)果分析

TSP超前探測(cè)結(jié)果分析見表1。

表1 TSP超前探測(cè)結(jié)果分析

2.2 瞬變電磁探測(cè)

2.2.1 探測(cè)結(jié)果

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

采用瞬變電磁，探測(cè)-390 m巷道工作面前方10～100 m F5斷層破碎帶，其超前探視電阻率斷面如圖1所示。

圖1 瞬變電磁超前探視電阻率斷面

2.2.2 結(jié)果分析

(1)工作面前方30 m范圍內(nèi)阻值相對(duì)較低，推斷可能為裂隙發(fā)育區(qū)，富水性相對(duì)較弱，巷道在掘進(jìn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)少量淋水現(xiàn)象。

(2)工作面前方50～80 m視電阻率阻值不連續(xù)，推斷可能為巖性變化或裂隙發(fā)育區(qū)，富水性相對(duì)較強(qiáng)，巷道在掘進(jìn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)較大的涌水現(xiàn)象。

2.3 井下鉆探

(1)鉆探結(jié)果。為進(jìn)一步確定F5斷層的位置與含水特征，對(duì)TSP超前預(yù)報(bào)及瞬變電磁探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)井下工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆探。在巷道周邊布設(shè)5個(gè)探水注漿孔，單孔最大出水量為 186 m3/h，水壓4.0 MPa，其中在52，65 m處單孔分別出水達(dá)121，186 m3/h，并伴有黏泥涌出。

(2)結(jié)果分析：①斷層含水量較大，富水性強(qiáng)，圍巖破碎程度高，斷層裂隙發(fā)育;②鉆探結(jié)果驗(yàn)證了TSP及瞬變電磁超前預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，三者探斷層結(jié)果較為統(tǒng)一，F(xiàn)5斷層在巷道前方50～70 m。

3 過F5斷層注漿堵水技術(shù)方案

采用地表預(yù)注漿與井下工作面注漿相結(jié)合的方法進(jìn)行施工，以保證注漿效果。

3.1 地表預(yù)注漿

共布置地面孔4個(gè)，斷層右側(cè)布設(shè)1#、3#注漿孔，左側(cè)布設(shè)2#、4#注漿孔，其中1#孔深446.13 m，2#～4#孔深448.63 m。鉆孔平面投影如圖2所示。

采用水泥-水玻璃漿液和單液水泥漿。巷道充填以雙液漿為主，單液漿為輔,其余均采用單液漿。水泥-水玻璃漿液中食鹽和三乙醇胺的加入量分別為水泥量(質(zhì)量)的5‰和0.5‰。

圖2 鉆孔平面布置

注漿終壓設(shè)置為12 MPa，1#孔注漿231 t，2#孔注漿169 t，3#孔注漿266 t，4#孔注漿133 t，注漿量基本滿足封堵斷層上部含水裂隙的需要。

3.2 井下工作面注漿

地表注漿封堵了大的導(dǎo)水構(gòu)造后，工作面注漿封堵巷道與斷層間圍巖內(nèi)的較小裂隙，在巷道外2～3 m形成一個(gè)封閉的堵水帷幕(見圖3)，避免斷層水通過裂隙，溝通巷道。

圖3中1#～16#為注漿鉆孔，注漿量共計(jì)144 t，注漿終壓12 MPa,注漿后施工17#、18#檢查孔。

3.3 注漿效果分析

為了驗(yàn)證綜合注漿效果，注漿結(jié)束后向前掘進(jìn)6 m，在巷道周邊打注漿檢驗(yàn)孔，孔深8.5～11.5 m(前期注漿推斷的斷層帶)未出現(xiàn)泥質(zhì)物涌出現(xiàn)象，單孔出水量在1 m3/h 以下，少量孔出現(xiàn)碎石、塌孔卡鉆現(xiàn)象，絕大多數(shù)鉆孔施工正常，表明注漿漿液與破碎巖體膠結(jié)較好，堵水效果明顯。

圖3 風(fēng)井-390 m水平巷道工作面鉆孔布置

4 過F5斷層掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)方案

4.1 超前預(yù)加固處理

首先在巷道迎面布置超前鉆孔，對(duì)巷道進(jìn)行噴漿封閉后，在超前鉆孔內(nèi)安裝超前導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，待漿液凝固后進(jìn)行巷道的擴(kuò)修、支護(hù)[2]。超前導(dǎo)管一般長(zhǎng)16 m，可保證進(jìn)入巷道斷層頂板巖層后約8 m。

4.2 掘進(jìn)與支護(hù)方案

4.2.1 掘進(jìn)方案

采用短掘短支方案，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺控制在800～1 000 mm，以便于支護(hù)。距離突水點(diǎn)3 m時(shí)采用臺(tái)階法施工，上層高度控制在1.5 m，長(zhǎng)度2.2 m，寬度2.8 m。在完成小導(dǎo)管施工與注漿加固后，再進(jìn)行下分層掘進(jìn)施工，然后對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)[3]。

4.2.2 第一次支護(hù)方案

在完成巷道掘進(jìn)2～3 m后，采用U29型鋼支架與鋼筋網(wǎng)(見圖4)進(jìn)行一次支護(hù)，并及時(shí)噴漿封閉[4]；在掘進(jìn)2～3個(gè)循環(huán)后，對(duì)巷道圍巖及工作面進(jìn)行噴漿封閉，并對(duì)前方巷道采取超前導(dǎo)管探水注漿，然后再掘進(jìn)。直至穿越斷層破碎帶進(jìn)入穩(wěn)定地層為止。

圖4 型鋼支架與噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

4.2.3 巷道二次防滲加固

為防止發(fā)生出水、坍塌等情況，在初次支護(hù)的基礎(chǔ)上澆灌鋼筋混凝土襯砌，各部位配筋量根據(jù)受力和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)整，巷道底角采用螺紋鋼，并在面層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，整體澆灌混凝土。初次支護(hù)和二次支護(hù)總厚度為500 mm。混凝土澆灌前預(yù)綁扎好注漿管，根據(jù)賦水情況布置間排距，保證注漿管孔口外露30 mm以上，確保正常注漿。完成襯砌混凝土整體澆灌后通過預(yù)埋的注漿管對(duì)襯砌壁再注漿加固，防止出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土充填不密實(shí)的問題。

風(fēng)井巷道過F5斷層初次支護(hù)與二次防滲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 風(fēng)井巷道過F5斷層支護(hù)結(jié)構(gòu)與配筋(單位：mm)

4.2.4 巷道過斷層

巷道實(shí)際揭露斷層位置在本次巷道向前51～72 m，運(yùn)用該掘進(jìn)支護(hù)方案后每循環(huán)進(jìn)尺平均0.7 m，每12 h一循環(huán)，共計(jì)15 d完成斷層掘進(jìn)，后期二次支護(hù)31 d，共46 d安全通過斷層。

5 結(jié) 論

結(jié)合白象山鐵礦過F5斷層的實(shí)際，通過綜合超前地質(zhì)探測(cè)與分析，確定了巷道掘進(jìn)前方地層中的斷層與含水特性，針對(duì)斷層賦水情況采用地面與工作面預(yù)注漿等綜合注漿技術(shù)，形成了較為完整的堵水帷幕；針對(duì)后期巷道承載和抗?jié)B要求，運(yùn)用二次支護(hù)結(jié)構(gòu)型式與防滲加固措施，提出了“初次型鋼支架+鋼筋混凝土襯砌+二次注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案，確保了風(fēng)井巷道安全、高效的通過了該斷層。

[1] 卜萬奎,茅獻(xiàn)彪.斷層傾角對(duì)斷層活化及底板突水的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(2):386-394.

[2] 趙毅鑫,姜耀東,孟 磊,等.超前管棚注漿支護(hù)技術(shù)在極復(fù)雜斷層帶中的應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013,30(2):262-266.

[3] 勾攀峰,胡有光.斷層附近回采巷道頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(3):285-288.

[4] 劉泉聲,張 偉,盧興利,等.斷層破碎帶大斷面巷道的安全監(jiān)控與穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(10):1954-1962.

2015-04-14)

黃小忠(1978—)，男，工程師,243184 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣太白鎮(zhèn)。