巖溶破碎富水大斷層巷道支護(hù)技術(shù)研究

何遠(yuǎn)富， 邱熠華，董軍庭，姜凡均，張友軒，賴 偉

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家金屬采礦工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.福建馬坑礦業(yè)有限責(zé)任公司, 福建 龍巖市 364021)

巖溶破碎富水大斷層巷道支護(hù)技術(shù)研究

何遠(yuǎn)富1,2， 邱熠華3，董軍庭3，姜凡均1,2，張友軒1,2，賴 偉1,2

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家金屬采礦工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.福建馬坑礦業(yè)有限責(zé)任公司, 福建 龍巖市 364021)

馬坑鐵礦斷裂構(gòu)造發(fā)育，井巷工程穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段。通過對(duì)馬坑鐵礦復(fù)雜水文地質(zhì)條件下巖溶富水大斷層中的巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，提出了聯(lián)合支護(hù)方式，即采用澆筑止?jié){墻注漿的方式提前將破碎巖體進(jìn)行注漿，同時(shí)，聯(lián)合超前管棚支護(hù)，有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。施工結(jié)果表明，聯(lián)合支護(hù)成功實(shí)現(xiàn)了在巖溶破碎富水大斷層中掘進(jìn)巷道，保證了施工質(zhì)量和安全。

巖溶破碎；富水；大斷層；聯(lián)合支護(hù)

0 引 言

在礦井建設(shè)生產(chǎn)過程中，井巷工程難免要穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段，當(dāng)井巷工程穿越斷層破碎帶時(shí)，如果掘進(jìn)過程中不重視巷道支護(hù)，有可能會(huì)引發(fā)如突水、冒頂、坍塌、泥石流等安全事故[1-2]。目前，針對(duì)巷道掘進(jìn)過程中大斷層破碎帶的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，取得了很大的成果，但各個(gè)礦山地質(zhì)情況不同，支護(hù)情況不能一概而論，依然存在很多問題需要解決。

馬坑鐵礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，井巷工程經(jīng)常需要穿過巖溶破碎富水大斷層，支護(hù)過程中，不能簡(jiǎn)單地選用目前常用的礦用工字鋼、U型鋼架棚或錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)[3-5]。需要根據(jù)自身的水文地質(zhì)條件，選擇合適的支護(hù)方式，馬坑鐵礦根據(jù)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)巷道過巖溶富水大斷層破碎帶時(shí)，提出了合理的支護(hù)技術(shù)，并在馬坑鐵礦進(jìn)行了成功運(yùn)用。

1 礦床地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

馬坑鐵礦礦區(qū)位于華南加里東褶皺系華廈褶皺帶，永梅上古坳陷帶東側(cè)。區(qū)域內(nèi)印支運(yùn)動(dòng)，特別是燕山運(yùn)動(dòng)甚為強(qiáng)烈，礦區(qū)所處區(qū)域內(nèi)斷裂、褶皺、巖漿活動(dòng)均很強(qiáng)烈和復(fù)雜，反映了在漫長(zhǎng)的地史中區(qū)內(nèi)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。礦體主要埋藏于本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面+420 m標(biāo)高以下，主礦體賦存于中石炭統(tǒng)經(jīng)畬組(C2j)地層中。以厚度巨大、巖溶發(fā)育、富水性強(qiáng)的船山組一棲霞組(C3c—Plq)碳酸巖鹽(以下統(tǒng)稱灰?guī)r)類為其頂板，礦區(qū)四周均為斷層切割，構(gòu)成自然邊界，外側(cè)均為富水較差的裂隙巖層，側(cè)向補(bǔ)給不裕，以巖溶充水為主，屬水文地質(zhì)條件中等一復(fù)雜的半隱伏巖溶水文地質(zhì)類型礦床。

礦山在開拓過程中，斜坡道、斜井的部分地段將穿越F11和F3斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶、溶洞發(fā)育帶和童子巖組、文筆山組泥巖、砂質(zhì)泥巖等工程性質(zhì)較差地段，由于其巖石較破碎，抗壓強(qiáng)度較低，穩(wěn)固性較差，可能發(fā)生硐頂、硐體崩落、坍塌等。斜井、階段平巷、溜井等工程在裂隙發(fā)育帶、溶洞發(fā)育帶等工程性質(zhì)較差地段，也可能發(fā)生井巷崩落、坍塌等。靠近西礦段礦體下盤就是F2’大斷層，巖性為泥巖與粉砂巖互層，斷層角礫巖充填，整體穩(wěn)定性極差。根據(jù)施工的揭露來看，巖石較為破碎，巷道局部有裂隙發(fā)育、出水、工作面巖石呈黃褐色。階段運(yùn)輸穿脈巷道需要多次穿越F2’大斷層，巷道掘進(jìn)支護(hù)非常困難。

2 存在的問題

由于馬坑鐵礦所處區(qū)域內(nèi)斷裂、褶皺、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈和復(fù)雜，其斷層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖石較為破碎，穩(wěn)固性差，巖石透水性和富水性強(qiáng)。在該類巖體中開掘巷道存在極大的安全隱患，大大增加了巷道掘進(jìn)和巷道維護(hù)的難度。其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

(1) 巖體破碎，難以簡(jiǎn)單形成大斷面空間，井巷通過巖體難度大。

(2) 巖溶破碎大斷層巖體富水性強(qiáng)，水源充足，構(gòu)造溝通充分，巖溶水和溶洞中流沙充填物的存在，導(dǎo)致較大泥石流安全隱患。

(3) 永久巷道維護(hù)難度大，成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。地下開采開拓系統(tǒng)主要工程斜坡道、斜井、階段運(yùn)輸平巷等，其斷面規(guī)格大，服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，安全等級(jí)要求高，當(dāng)該類主體開拓工程布置于溶蝕裂隙帶巖體中時(shí)，對(duì)巷道永久支護(hù)方式、支護(hù)材料、支護(hù)參數(shù)、施工工藝等勢(shì)必提出比常規(guī)工程更高的要求，同時(shí)亦須在保證使用安全前提下，控制井巷合適的構(gòu)筑維護(hù)成本，以保證礦山整體經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過對(duì)各種巷道過大斷層破碎帶支護(hù)方法進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，結(jié)合馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層的實(shí)際特點(diǎn)，最終選用聯(lián)合支護(hù)方式，即工作面預(yù)注漿固結(jié)與超前管棚聯(lián)合支護(hù)作為馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層位置巷道的支護(hù)方案。

3 巖溶破碎大斷層富水巷道聯(lián)合支護(hù)工藝

3.1 工作面超前預(yù)注漿工藝

為了能適應(yīng)馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層的實(shí)際特點(diǎn)，施工中預(yù)先對(duì)工作面進(jìn)行超前預(yù)注漿，預(yù)先固結(jié)需掘進(jìn)巷道位置的破碎巖體，使之形成復(fù)合穩(wěn)固的固結(jié)體，預(yù)防掘進(jìn)過程中由于巖體破碎導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)時(shí)間較短，隨掘隨冒，難以簡(jiǎn)單形成大斷面空間，井巷通過巖體困難。同時(shí)，由于馬坑鐵礦是大水礦山，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，而破碎帶大斷層是天然的導(dǎo)水通道，提前預(yù)注漿，可以有效封堵出水裂隙，加固圍巖，預(yù)防突水及泥石流的安全事故[6-9]。

3.1.1 止?jié){墻的施工

施工巷道迎頭過斷層破碎帶工作面位置施工止?jié){墻，并預(yù)埋孔口管3根。全斷面布置3個(gè)注漿孔，終孔深度視斷層破碎帶寬度而定，本處暫定為20 m。止?jié){墻采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑砼與磚墻(俗稱24墻)聯(lián)合作為止?jié){墻，厚度為1000 mm，孔口管采用Φ108 mm×4 mm的無縫鋼管制作，長(zhǎng)為1.5 m，外露0.5 m。具體見圖1。

3.1.2 注漿施工

以單液水泥漿為主,封孔時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿；若漿液消耗很大時(shí)，則采用砂漿注漿。選用普通42.5R硅酸鹽水泥；水玻璃模數(shù)M取2.8～3.1，波美度38～40 Be′。單液漿水灰比2∶1，1.5∶1，1∶1，0.8∶1；雙液漿：水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，1∶0.8，1∶0.5；三乙醇胺加入量按0.05%,食鹽加入量按0.5%，砂漿配比為水∶水泥∶砂=1∶1∶2。注漿施工為隱蔽性工程,為保證注漿質(zhì)量和堵水效果,每一孔段注漿都必須達(dá)到終壓、終量和注入量的設(shè)計(jì)要求。在達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，泵的流量在30 L/min，穩(wěn)定20～30 min，才可結(jié)束該孔段的注漿，并認(rèn)真做好注漿記錄。

圖1 止?jié){墻及注漿管布置

3.2 超前管棚支護(hù)工藝

根據(jù)前期工作面施工止?jié){墻注漿加固圍巖的工作，待注漿工作完畢，根據(jù)巷道圍巖注漿實(shí)際情況，再?zèng)Q定巷道掘進(jìn)及超前管棚支護(hù)[10-11]。

3.2.1 架棚背板施工

(1) 型鋼棚采用25U型鋼制作，棚與棚之間用8#槽鋼制作的連桿連接，每?jī)杉芘镏g用7根連桿連接，直墻各兩根，拱部三根。每架棚有3個(gè)接頭，每個(gè)接頭采用1副U型卡纜通過螺栓連接。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 25U型鋼棚結(jié)構(gòu)

(2) 根據(jù)技術(shù)部門提供的中腰線先架生根棚。生根棚要用鋼筋與巖幫焊接連接。采用前探梁架設(shè)棚梁，前探梁用Φ108 mm×3000 mm無縫鋼管制作，通過鋼筋掛鉤與U型鋼相連。棚梁校正無誤后，固定連接件。

(3) 接下來接棚腿。棚腿與棚梁的搭接長(zhǎng)度為400 mm，用兩副U型卡纜鎖住，卡纜的螺栓應(yīng)擰緊。U型卡纜制作如圖3所示。

圖3 U型卡纜加工

(4) 施工連接桿。采用8#槽鋼制作，長(zhǎng)度900 mm，每根連接桿由4個(gè)Φ16 mm×250 mm彎鉤螺栓固定。具體見圖4。

圖4 U型鋼棚連接件

(5) U型鋼棚架設(shè)好后，進(jìn)行棚后鋼筋砼背板的架設(shè)。砼背板規(guī)格 150 mm×600 mm×50 mm，長(zhǎng)度方向與U型鋼垂直放置。要密背砼背板，即每?jī)蓧K要緊挨放置。背板后的空區(qū)用木背板或砼背板填實(shí)。

3.2.2 噴射混凝土施工

(1) 檢查U型棚安裝和背板鋪設(shè)是否符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)工作面的危石進(jìn)行撬除，并清洗巖面。防止危石或巖面沖洗不良造成混凝土與巖面的粘結(jié)力降低，影響支護(hù)與圍巖的整體性，以至影響部分或整體的支護(hù)效果；

(2) 優(yōu)化選用噴射混凝土配合比，以保證噴射混凝土滿足強(qiáng)度、回彈、粉塵、粘結(jié)效果等施工要求(輸料順暢)。噴混凝土的砂、石選料比較嚴(yán)格，要嚴(yán)格控制砂、石的粒徑。混凝土拌和過程嚴(yán)格控制速凝劑比例；

(3) 噴射過程中嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行施工?？刂坪脟娚浣嵌群途嚯x、一次噴射混凝土的厚度、分層噴射的時(shí)間間隔等[12]；

(4) 噴射混凝土的水泥與細(xì)骨料相對(duì)較多，同時(shí)又摻有速凝劑，因此其收縮變形更為嚴(yán)重。因此，混凝土噴射后的7 d內(nèi)，需要噴水養(yǎng)護(hù)，以保證噴射混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)、改善變形性質(zhì)以及提高混凝土的抗?jié)B能力。

4 工業(yè)應(yīng)用效果

從現(xiàn)在施工情況來看，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，取得較好的效果：

(1) 巷道掘進(jìn)速度大為提高，每次進(jìn)尺能維持1 m左右，解決了巷道成型困難、圍巖自穩(wěn)時(shí)間短、隨掘隨冒、巷道涌水、施工進(jìn)度緩慢等問題。

(2) 富水位置的大斷層預(yù)注漿固結(jié)，有效封堵出水裂隙，加固圍巖，巷道圍巖自承能力得到很大提高。結(jié)合超前管棚聯(lián)合支護(hù)，巷道變形量顯著減少，巷道內(nèi)的涌入量顯著降低。涌水量由原來的最大涌水量80 m3/h降至2 m3/h，甚至無涌水。

(3) 工作面預(yù)注漿后，破碎巖體之間重新形成復(fù)合穩(wěn)定的固結(jié)體，掘進(jìn)過程中無較大垮冒，同時(shí)聯(lián)合超前管棚支護(hù)，短掘短支，使聯(lián)合支護(hù)形式與巷道圍巖共同受力，進(jìn)一步提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。目前+100 m階段多條穿越F2’斷層的穿脈運(yùn)輸巷道，巷道無大面積塌方或嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

(4) 采用聯(lián)合支護(hù)方案，西礦段+100 m階段目前共施工了10余條穿脈運(yùn)輸巷道，每條均成功穿越F2’大斷層；掘進(jìn)及支護(hù)的最長(zhǎng)富水大斷層破碎帶約80 m。 經(jīng)過聯(lián)合支護(hù)，巷道圍巖穩(wěn)定，巷道只在局部位置有微小變形。

5 結(jié) 論

針對(duì)馬坑鐵礦復(fù)雜水文地質(zhì)條件下在巖溶富水大斷層中的巷道掘進(jìn)與支護(hù)，采用澆筑止?jié){墻注漿的方式提前將破碎巖體進(jìn)行注漿，使破碎巖體之間重新形成復(fù)合穩(wěn)定的固結(jié)體，同時(shí)有效的封堵了出水裂隙，聯(lián)合超前管棚支護(hù)，有效提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。施工結(jié)果表明，對(duì)于圍巖松散、破碎、層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育的巖溶破碎帶，容易造成大面積塌方，富水大斷層，容易突水或引發(fā)泥石流，通過聯(lián)合支護(hù)，有效的解決了施工過程的一系列技術(shù)難題，并成功運(yùn)用在礦山不同位置的井巷工程。

[1]何遠(yuǎn)富，姜凡均，盛 佳，等.軟巖巷道破壞機(jī)理及支護(hù)方法研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2009,29(6)：28-30.

[2]劉曉輝，吳愛祥，王貽明，等.急傾斜層狀破碎礦體錨注一體支護(hù)技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2014,34(05)：52-54,98.

[3]張陸彪，柳軍雷,姚 勇.深部破碎圍巖巷道施工與支護(hù)優(yōu)化[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2012(2):93,106.

[4]何滿朝，袁和生，等.中國(guó)煤礦錨桿支付理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]郝曉亮，孫增飛，等.全長(zhǎng)錨固注漿錨索在巷道過極易破碎大斷層支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2010(6)：24-26.

[6]王田民.基于止?jié){墻加固防水技術(shù)的破碎塌方帶處理[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015,554(6):161-162.

[7]楊曉成，曹遠(yuǎn)威，齊文躍，等.高應(yīng)力鄰空巷道全長(zhǎng)錨注加固支護(hù)技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016,36(1)：84-89.

[8]蘇曉建，周世軒，張 鵬，等.巷道過斷層破碎帶注漿防治水技術(shù)研究[J].中洲煤炭,2013,212(8):7-9，13.

[9]張 強(qiáng).大跨度軟巖巷道的錨注修復(fù)[J].采礦技術(shù)，2009,9(02)：36-37.

[10]聶賢海.超前管棚支護(hù)在隧道施工中的應(yīng)用技術(shù)[J].山西建筑，2007,33(10)：314.

[11]董守義.巷道過復(fù)雜斷裂帶管棚支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,41(8):27-29,34.

[12]郭 磊.噴射混凝土配合比優(yōu)化及其施工質(zhì)量控制[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2014,144(06),47-48.(收稿日期：2016-08-09)

何遠(yuǎn)富(1979-)，男，云南昭通人，工程師，主要從事采礦工藝及充填技術(shù)研究，Email:383973186@qq.com。