袁店二井106采區(qū)斷層破碎區(qū)巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究

文/林衛(wèi)國(guó)(淮北礦業(yè)股份有限公司)

礦井的建設(shè)工程中經(jīng)常遇到地質(zhì)不良地段，斷層破碎區(qū)這種不良地質(zhì)現(xiàn)象在開(kāi)挖過(guò)程中十分常見(jiàn)[1,2]。斷層破碎區(qū)強(qiáng)度低，透水性大且易變形，巷道穿過(guò)斷層破碎區(qū)時(shí)極易發(fā)生如突水、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害，這使得巷道支護(hù)難度極大，若支護(hù)不當(dāng)，在巷道使用過(guò)程中易發(fā)生大變形從而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞[3-5]。

袁店二井106采區(qū)北翼回風(fēng)暗斜井穿過(guò)LWF54斷層破碎區(qū)，巖性較為混雜，主要以泥巖、粉砂巖及少量砂巖為主，局部夾炭質(zhì)泥巖或煤，擠壓和揉皺現(xiàn)象嚴(yán)重。斷層構(gòu)造影響巷道圍巖節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，使得巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。且巷道埋深-710m，垂直應(yīng)力大，在高應(yīng)力作用下，巷道淺部破碎巖體極易產(chǎn)生強(qiáng)烈剪漲變形。對(duì)過(guò)斷層破碎區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究提出相應(yīng)的巷道支護(hù)技術(shù)，可為相似工程條件下的巷道支護(hù)提供參考。

一、工程概況

袁店二井106采區(qū)位于井田東北部，東西寬1900～2700m，南北長(zhǎng)約1800～2500m，面積4.74km2。采區(qū)平均厚度為264.50m，海拔標(biāo)高為+28.00m。地層整體呈一單斜構(gòu)造，走向NW，傾向NE。地層傾角為4～33°。根據(jù)鉆探、三維地震勘探資料，區(qū)內(nèi)共查出斷層115條，均為正斷層，斷層展布具有明顯的方向性：走向以NW向、SN向居多，其次是NE向。采區(qū)斷層密度為24.47條/km2。其中斷層落差大于100 m的有5條，40～100m的有5條，落差10～40 m的有32條，落差5～10m的有18條，落差0～5 m的有55條。

圖1 采區(qū)巷道平面圖

北翼回風(fēng)暗斜井施工方位角均為N47°，巷道底板標(biāo)高-710m，施工層位在10煤頂板20m左右位置。106采區(qū)暗斜井從10煤頂板砂巖層位向上穿層至51煤，主要揭露鋁質(zhì)泥巖、82煤、81煤、72煤及其層間砂巖、泥巖等。采區(qū)巷道平面如圖1所示。

二、數(shù)值模擬

1.模型建立

根據(jù)袁店二井106采區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)斷層寬度為30m，斷層傾角為60°，考慮模型的邊界效應(yīng)，盡量讓巷道處于模型的中部，讓巷道在斷層外的長(zhǎng)度至少為斷層寬度的兩倍，最終確定模型尺寸為200m×100m×150m。巷道為直墻半圓拱型斷面，直墻高1.5m，半圓拱半徑2.5m，巷道寬5m。斷層模型如圖2所示。

圖2 斷層模型圖

建模時(shí)把巖性相近或者巖層厚度比較薄的巖層做適當(dāng)?shù)臍w并，斷層賦上一種相對(duì)較弱的材料。各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.支護(hù)方案分析

建立斷層破碎區(qū)巷道不同支護(hù)方式支護(hù)模型，通過(guò)對(duì)比分析不同支護(hù)方案下的巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，分析斷層破碎區(qū)內(nèi)巷道圍巖控制的最佳支護(hù)方案。

方案1：錨噴索注支護(hù)。采用注漿錨桿加注漿錨索聯(lián)合支護(hù)模型。注漿錨桿采用規(guī)格為φ25×2500mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，間排距為1000mm×1200mm；注漿錨索規(guī)格為 φ35×7000mm，間排距為 2000mm×1200mm；噴層厚150mm，強(qiáng)度為C20。

方案2：深淺耦合全斷面錨注支護(hù)。即在方案一的基礎(chǔ)上加打底板注漿錨桿，底板注漿錨桿采用和注漿錨桿相同材料的螺紋鋼中空注漿錨桿，規(guī)格為φ25×2500mm。

方案3：超前注漿加深淺耦合全斷面錨注支護(hù)。即在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行超前注漿，通過(guò)采用10m的注漿管對(duì)斷層破碎區(qū)頂板進(jìn)行超前支護(hù)，一個(gè)斷面布置5個(gè)注漿孔，注漿孔間距為1500mm。

通過(guò)模擬得出不同支護(hù)方案下巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平咳绫?所示。

從表2可見(jiàn)，方案3超前注漿加深淺耦合全斷面錨注聯(lián)合支護(hù)能夠很好地保證斷層破碎區(qū)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 不同支護(hù)方案巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

三、巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

1.巷道支護(hù)原則

針對(duì)袁店二井礦106采區(qū)巷道斷層破碎區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、巖層破碎、強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，采用以“超前注漿加深淺耦合全斷面錨注”聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)。巷道掘進(jìn)至大斷層破碎帶時(shí)，采用超前注漿對(duì)工作面未被暴露的頂板實(shí)行超前支護(hù)，使注漿段以?xún)?nèi)的薄層破碎巖石膠結(jié)形成整體。在巷道開(kāi)挖后進(jìn)行U型鋼架設(shè)，架棚后采用注漿錨桿加注漿錨索即深淺耦合全斷面錨注支護(hù)來(lái)維持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2.巷道支護(hù)方案

考慮到圍巖的滲透性能以及加固范圍，在距離拱頂300mm的位置布置5個(gè)注漿孔，注漿孔間距為1500mm，外插角25°，終孔間距為5700mm。注漿管規(guī)格為直徑73mm的花管，花管長(zhǎng)度為10m。超前注漿孔布置如圖3所示。

待超前注漿漿液固結(jié)后，采用U36型鋼支架進(jìn)行架棚支護(hù)，再采用注漿錨桿和注漿錨索對(duì)巷道頂板和兩幫進(jìn)行錨注支護(hù)。注漿錨桿選用規(guī)格為φ25×2500mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，注漿錨桿間排距為1000mm×1200mm；注漿錨索規(guī)格為φ35×7000mm，注漿錨索間排距為2000mm×1200mm。對(duì)巷道底板采用注漿錨桿配合槽鋼梁進(jìn)行加固，形成有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。底板注漿錨桿選用規(guī)格為φ25×2500mm的螺紋鋼注漿錨桿，每排3根，兩邊注漿錨桿斜打，與豎直方向成15°角，間排距1600mm×1200mm。巷道施工斷面如圖4所示。

圖3 超前注漿孔布置圖

圖4 巷道全斷面支護(hù)圖

四、巷道支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)支護(hù)方案效果，在106采區(qū)巷道中布設(shè)深部位移觀測(cè)斷面監(jiān)測(cè)巷道變形，在50天觀測(cè)期內(nèi)巷道頂板圍巖深部6m范圍內(nèi)相對(duì)位移小于30mm，巷道幫部圍巖深部6m范圍內(nèi)相對(duì)位移小于40mm。且巷道圍巖深部位移已出現(xiàn)收斂，這說(shuō)明注漿支護(hù)后巷道圍巖整體強(qiáng)度得到提高，圍巖承載能力得到加強(qiáng)，頂板及兩幫基本得到了有效的控制，為底臌的控制提供了好的外部環(huán)境，進(jìn)一步說(shuō)明了該支護(hù)方式能夠更加有效地維護(hù)巷道的穩(wěn)定。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)袁店二井106采區(qū)回風(fēng)暗斜井過(guò)斷層破碎區(qū)巷道進(jìn)行超前注漿+深淺耦合全斷面錨注支護(hù)后，斷層破碎區(qū)巷道圍巖變形明顯減小，變形速度也得到了有效控制，更好地維護(hù)了巷道的穩(wěn)定，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了有力的保障。