穿斷層破碎帶巷道圍巖破壞特征及其控制

陳文云

（同煤集團(tuán)晉華宮煤礦，山西 大同 037000）

0 引言

煤礦巷道施工經(jīng)常穿越斷層及其破碎帶等不良地質(zhì)區(qū)域，這些區(qū)域的巖層具有構(gòu)造發(fā)育、低強(qiáng)度、透水性高、易于變形等軟巖特征，因此是巷道圍巖控制的重難點(diǎn)區(qū)域。晉華宮礦12#層集中軌道上山穿越長(zhǎng)溝支五斷層破碎帶及軟弱巖層帶，圍巖呈現(xiàn)軟巖特征。在礦山壓力作用下，圍巖松動(dòng)范圍大，周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造復(fù)雜巷道受動(dòng)壓影響情況較明顯，巷道變形，四周來(lái)壓嚴(yán)重。因此，根據(jù)圍巖的破壞特性進(jìn)而進(jìn)行膨脹性軟巖巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)保證巷道圍巖有效控制，滿足307區(qū)生產(chǎn)時(shí)運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等需要，及保障該礦的采掘接替具有重要意義。

1 巷道圍巖分類(lèi)及變形破壞特征

晉華宮礦12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道運(yùn)輸巷按照+10°進(jìn)入未開(kāi)采的12#層307盤(pán)區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)穿越3條斷層，其中以長(zhǎng)溝支五斷層落差為80-280m，穿越地層依次為粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層；斷層破碎帶圍巖裂隙發(fā)育，且有斷層角粒砂涌出，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大。如圖1所示。

圖1 12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山破碎帶剖面圖

根據(jù)圖1，采用工程巖體分類(lèi)中GSI（地質(zhì)因子方法）及巖體完整性系數(shù)[1-3]，評(píng)定得到GSI的量化值[4-5]，將12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山圍巖類(lèi)別分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類(lèi)，即位于離12#層307盤(pán)區(qū)開(kāi)拓巷道起坡點(diǎn)311m、257m、296m處，分別代表粉砂質(zhì)泥巖（Ⅴ類(lèi)圍巖）、砂泥互層（Ⅳ類(lèi)圍巖），細(xì)砂巖（Ⅲ類(lèi)圍巖），依次描述如下：

Ⅴ類(lèi)圍巖：本段為粉砂質(zhì)泥巖，本層巖層厚度11m，長(zhǎng)約29m，用硬物擊打易裂成碎片，粉砂質(zhì)泥巖主要成分為粘土礦物,含少量粉砂質(zhì)。遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹、崩解和軟化。圍巖變形速度快、變形量大。一般來(lái)說(shuō)，巷道掘進(jìn)的第1～2天，所取的巖樣取出后在地表暴露約一月后的即風(fēng)化成碎塊。在之前的錨網(wǎng)支護(hù)下一個(gè)月時(shí)間巷道還是發(fā)生明顯的斷面收縮，頂板下沉嚴(yán)重。

Ⅳ類(lèi)圍巖：本段為砂泥巖互層，本層巖層厚度12m，長(zhǎng)約90m，是粉砂巖中夾有大量淺綠灰色泥巖，水平層理，在巷道開(kāi)挖擾動(dòng)后裂紋發(fā)育，且遇水具有膨脹性，頂板變形量較大，出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，前期用于支護(hù)的錨桿錨固力松弛嚴(yán)重。Ⅲ類(lèi)圍巖：本段為細(xì)砂巖，本層巖層厚度15m，長(zhǎng)約57m，淺灰色，成分石英、長(zhǎng)石，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，雖然細(xì)砂巖強(qiáng)度較高，但由于處于斷層破碎帶，其完整性受到較大的破壞，泥質(zhì)膠結(jié)，屬于較軟巖。

2 巷道圍巖變形破壞因素分析

12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道巷圍巖的穩(wěn)定取決于地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、圍巖強(qiáng)度及巷道支護(hù)方法等，根據(jù)前述分析，該礦過(guò)斷層破碎帶膨脹性軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理如下：

1）圍巖裂隙發(fā)育。由于12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山穿過(guò)長(zhǎng)溝支五斷層，構(gòu)造區(qū)圍巖受到斷層的張拉、牽引作用，裂隙發(fā)育、圍巖破碎，自穩(wěn)能力差。

2）圍巖巖性差，遇水泥化。從12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山揭露及前期探孔的巖性看，斷層帶主要由斷層泥及泥質(zhì)巖類(lèi)組成。受水的影響大，遇水后膨脹泥化，軟化性強(qiáng)，，遇水后強(qiáng)度急劇降低，進(jìn)而失去了承載能力。

3）涌水。該礦頂?shù)咨皫r水，為一弱含水層，裂隙儲(chǔ)水，受裂隙及構(gòu)造發(fā)育程度控制，不同的地段存在明顯的差異，屬靜儲(chǔ)量水。但淋水緊跟迎頭，給施工造成一定的不便。

4）原支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度低。原多采用長(zhǎng)度1.8m的錨桿，且不能及時(shí)施加預(yù)緊力，造成圍巖過(guò)早離層、變形。巷道掘進(jìn)后，圍巖暴露在潮濕的環(huán)境中，泥質(zhì)類(lèi)巖層吸水后強(qiáng)度降低，膨脹軟化，甚至片狀或塊狀脫落，變形量大，造成錨固失效，支架工況惡劣。

5）巷道圍巖流變。由于斷層帶圍巖軟弱，巷道穩(wěn)定性指數(shù)（巷道所處位置最大主應(yīng)力與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度的比值）達(dá)到0.65左右，圍巖在高應(yīng)力作用下，巷道將會(huì)發(fā)生較高速率的蠕變變形。

從上述分析可以看出，要控制斷層帶軌道上山的變形，必須采用主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的方式。

3 巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

以Ⅴ類(lèi)巖（粉砂質(zhì)泥巖）為研究對(duì)象進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法如下：鋼支架作為基本支護(hù)護(hù)表，防止破碎圍巖的垮落；噴砼封閉圍巖，防止圍巖表面風(fēng)化；巷道拱肩、拱腳及兩幫、拱頂?shù)纫讚p關(guān)鍵部位注漿改性，提高圍巖的整體性及其殘余強(qiáng)度，提高了其自承載能力，增強(qiáng)錨桿錨固效果；底拱梁控制底鼓；通過(guò)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索將鋼支架-錨索進(jìn)行耦合，形成一個(gè)支護(hù)整體來(lái)控制圍巖的變形，發(fā)揮主-被動(dòng)支護(hù)各自的優(yōu)點(diǎn)。

12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道巷上山斷面：S掘=11.65m2，S 凈 =10.13m2，掘?qū)?3.72m，凈寬 3.6m,墻高1.56m，掘高3.42m，凈高3.36m。為便于理論分析，假設(shè)巷道斷面為圓形，其當(dāng)量半徑為2.12。

3.1 錨固長(zhǎng)度和支護(hù)阻力

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)，將巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)化為：容重24kN/m，單軸抗壓強(qiáng)度σc13.86MPa，粘結(jié)力（c）0.67MPa，內(nèi)摩擦角（φ）24°，彈性模量（E）0.221GPa，泊松比（μ）0.25。根據(jù)理論計(jì)算的需要，假設(shè)巷道處于靜水壓力應(yīng)力環(huán)境中，采用理想彈塑性模型，圍巖的剪切擴(kuò)容系數(shù)=1，計(jì)算得到塑性區(qū)半徑R=6.17m，塑性區(qū)厚度L=R-r=4.05m，則錨索長(zhǎng)度硬等于塑性區(qū)厚度、錨固長(zhǎng)度（通常為2000mm）與錨索端部長(zhǎng)度（一般露出長(zhǎng)度為300mm）的和，古錨索總長(zhǎng)度為6350mm，取6.5m。

支護(hù)阻力Pa與巷道圍巖的徑向位移u的關(guān)系可用修正的芬納公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：c為圍巖內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σz為圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)；μ為泊松比、R為塑性區(qū)半徑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，巷道施工后支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用發(fā)揮之前圍巖的初始移近量為400mm左右，可知u=200mm，把巖體物理力學(xué)參數(shù)帶入上式，可得到Pa=1.42MPa。

3.2 錨桿-錨索支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶設(shè)計(jì)選用的為高強(qiáng)左旋無(wú)縱筋紋鋼錨桿，規(guī)格為：φ22×2400mm，間排距：700×700mm，鉆孔直徑28mm，錨固長(zhǎng)度不小于1200mm。錨桿錨固預(yù)緊力不低于80kN，布置如圖2所示；錨索設(shè)計(jì)選用的為7股高強(qiáng)度地松弛鋼紋線錨索，規(guī)格為φ17.8×6500mm，間排距：1400×1400，鉆孔直徑 28mm，錨固長(zhǎng)度不小于2000mm。錨桿錨固預(yù)緊力不低于150kN，錨索安裝角度垂直于巷道壁面。則錨桿-錨索支護(hù)強(qiáng)度P錨桿為0.306MPa。

3.3 注漿固結(jié)區(qū)承載能力驗(yàn)算

12#層307盤(pán)區(qū)軌道上山注漿加固施工時(shí)應(yīng)先安裝注漿錨桿，而后噴射混凝土，再進(jìn)行注漿。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單孔注漿量為 1～1.5m3，注漿壓力 0.1～1.5MPa，注漿流量3.0～3.5m3/h，漿液為水泥－水玻璃單液漿，水灰比0.75：1.525礦渣硅酸鹽水泥，注漿管規(guī)格：φ22×2500mm，注漿孔布置間距1600mm，排距1600mm。則圓形巷道注漿加固圈的承載力由其強(qiáng)度確定：

式中：[σ]為注漿固結(jié)體的有效強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為1MPa；R1為注漿加固圈半徑，對(duì)于12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶已知R0=2.12m，R1=2.5m，帶入式子計(jì)算得P1=0.40MPa。

圖2 錨桿、錨索、注漿布置示意圖

3.4 U36型鋼全封閉剛性支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶采用主動(dòng)與馬蹄形全封閉剛性支架耦合支護(hù)方案，即采用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式。采用U36型鋼，支架排距1400mm，噴砼厚度150mm。把U36全封閉支架看做圓形支架進(jìn)行支架強(qiáng)度計(jì)算，公式如下：

式中：S鋼為型鋼的橫截面積，U36型鋼橫截面積為45.7×10-4m2；σ鋼為型鋼的極限強(qiáng)度，U36型鋼極限強(qiáng)度為520N/mm2；r為為圓形巷道半徑，為2.12m；h鋼為型鋼斷面高度尺寸，為0.138m；L鋼為架間距，為1.4m。則支架的支護(hù)強(qiáng)度P2為0.752MPa。

所以，錨網(wǎng)索+注漿+封閉支架支護(hù)系統(tǒng)所提供的支護(hù)強(qiáng)度為：

P=P錨桿+P錨索+P1+P2=0.306+0.102+0.40+0.752=1.56MPa

已知該支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)大于圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)強(qiáng)度1.56MPa，加上噴砼后，采用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式滿足圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)強(qiáng)度。

4 施工工藝及支護(hù)效果

施工工序?yàn)椋壕蜻M(jìn)斷面→臨時(shí)支護(hù)→安裝錨桿→初噴砼30mm→安裝U型鋼支架→安裝錨索→噴漿至給定厚度150mm→安裝注漿錨桿→注漿。

在過(guò)斷層破碎帶粉砂質(zhì)泥巖段的軌道上山長(zhǎng)度為29m，在中間位置布置一個(gè)測(cè)站，觀測(cè)內(nèi)容：頂沉、底鼓、兩幫相對(duì)移近量。巷道在掘出10天后，變形速率開(kāi)始減小，但變形量逐漸增加，3個(gè)月后，變形速率降低到0.5mm/d以下；其中頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?6mm，其中，頂沉 38mm，底鼓58mm，兩幫相對(duì)移近量為106mm。巷道表面沒(méi)有出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂和錨桿斷裂的現(xiàn)象。但由于巷道圍巖松軟、破碎，要加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)巷道變形速度加快，必須要進(jìn)行支架壁后注漿等強(qiáng)化支護(hù)措施。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)完整性系數(shù)與巖體的風(fēng)化評(píng)定從而得到GSI的量化值，采用工程巖體分類(lèi)中GSI（地質(zhì)因子方法），將12#層307盤(pán)區(qū)巷道初步進(jìn)行分為Ⅲ類(lèi)圍巖、Ⅳ類(lèi)圍巖、Ⅴ類(lèi)圍巖；介紹了原支護(hù)采用錨網(wǎng)噴永久支護(hù)，對(duì)于斷層破碎帶各類(lèi)圍巖的變性破壞進(jìn)行了表征，進(jìn)而分析了12#層307盤(pán)區(qū)集中軌道上山過(guò)斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞的原因。

2）選用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式能夠滿足圍巖穩(wěn)定所需要的支護(hù)強(qiáng)度。礦壓觀測(cè)表明：采用封閉支架+噴砼+注漿+錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方式能夠滿足斷層帶巷道圍巖控制的要求。