承壓水作用下巷道過(guò)斷層圍巖控制技術(shù)研究

王謨

【摘 要】 為了確保底板承壓水影響巷道過(guò)斷層安全，文章采用數(shù)值模擬技術(shù)手段對(duì)過(guò)斷層期間底板水對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布及圍巖控制影響進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出以分階段圍巖控制策略，實(shí)現(xiàn)了安全巷道過(guò)斷層。主要結(jié)論為：1）在斷層破碎帶兩側(cè)各10m范圍內(nèi)圍巖控制困難，斷層上盤(pán)圍巖破碎程度明顯高于下盤(pán);2）含水層與巷道底板間距越小圍巖變形越為明顯，前期以底鼓變形為主后巷幫及頂板變形逐漸增加;3）采用超前注漿、分次支護(hù)可以有效解決底板含水巷道過(guò)斷層時(shí)圍巖控制難題，6403運(yùn)輸大巷圍巖最大變形量為127mm，應(yīng)用效果顯著。研究成果為其他礦井類(lèi)似巷道掘進(jìn)過(guò)斷層安全技術(shù)措施制定提供一定借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】 水文地質(zhì);巷道掘進(jìn);導(dǎo)水裂隙;錨注;注漿

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）04-0012-04 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

由于斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎、阻水性差，若巷道頂?shù)装逵泻畬訒r(shí)巷道掘進(jìn)過(guò)斷層會(huì)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。眾多的研究學(xué)者從定性調(diào)查分析、斷層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布、斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性等方面對(duì)斷層圍巖控制方面進(jìn)行研究。

1工程概況

山西某礦6403運(yùn)輸大巷主要服務(wù)于2水平開(kāi)采，巷道埋深平均為+560m，巷道掘進(jìn)至680m時(shí)遇到F62斷層（H=87m、287°∠54°）及伴生F62-1斷層（H=14m、302°∠69°）。6403運(yùn)輸大巷底板有多個(gè)灰?guī)r含水層，在掘進(jìn)過(guò)F62斷層時(shí)巷道底板與含水層間距縮短至2.5m，給6403運(yùn)輸大巷掘進(jìn)安全帶來(lái)隱患。

2巷道過(guò)斷層模擬分析

采用FLAC3D對(duì)巷道過(guò)斷層期間的圍巖破壞進(jìn)行分析，構(gòu)建的模擬模型長(zhǎng)、寬、高分別為200m、50m、140m，巖層傾角為10°。模擬的F62斷層、F62-1斷層破碎帶寬度分別為3m、2m。

2.1巷道掘進(jìn)過(guò)斷層圍巖應(yīng)力演化分析

斷層造成垂向應(yīng)力不連續(xù)，破碎帶內(nèi)應(yīng)力一般小于斷層兩盤(pán)。在斷層下盤(pán)隨著與斷層破碎帶距離縮短，垂向應(yīng)力降低明顯;在斷層上盤(pán)隨著與斷層破碎帶距離增加巖層垂向應(yīng)力逐漸恢復(fù)至正常值，斷層破碎帶影響范圍約為斷層上下幫兩側(cè)各10m范圍。在斷層下盤(pán)水平應(yīng)力隨著巷道底板與含水層間距縮小呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，應(yīng)力影響程度隨著與斷層間距縮小而逐漸增加（見(jiàn)圖1）。

6403運(yùn)輸大巷掘進(jìn)之后，在未采取支護(hù)措施情況下在斷層帶附近有一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，具體見(jiàn)圖2，斷層破碎帶附近卸壓顯現(xiàn)明顯，其中F62斷層卸壓區(qū)范圍約為F62-1斷層卸壓區(qū)范圍2倍，兩個(gè)斷層的卸壓區(qū)相互連通，在巷道軸向方向影響距離約為50m。

巷道掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí)淺部巖層處于應(yīng)力降低區(qū)、底板深部巖層應(yīng)力出現(xiàn)一定程度集中，其中6403運(yùn)輸大巷在F62上盤(pán)以及F62-1上盤(pán)距離底板3m位置處出現(xiàn)有應(yīng)力集中，集中系數(shù)約為1.43;巷道圍巖在F62下盤(pán)出現(xiàn)一定應(yīng)力降低，在F62-1上盤(pán)應(yīng)力在頂板出現(xiàn)一定集中。

2.2巷道掘進(jìn)過(guò)斷層圍巖塑性分析

巷道掘進(jìn)開(kāi)挖后圍巖首先在接近斷層部位出現(xiàn)拉伸-剪切混合破壞，從而引起該部分巖層在臨空方向出現(xiàn)一定撓曲應(yīng)變，由于此部分巖層與斷層相距較近，巖層撓曲變形降低了對(duì)斷層滑移面約束，加劇斷層在滑移面位置處剪切破壞程度，斷層影響附近巖體穩(wěn)定性及承載能力顯著降低，斷層面附近構(gòu)造應(yīng)力得以釋放，圍巖破碎區(qū)向巷道底角以及斷層側(cè)幫快速擴(kuò)展。具體巷道掘進(jìn)過(guò)斷層期間圍巖塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖2。

從圖中看出，巷道在斷層上盤(pán)掘進(jìn)時(shí)頂板塑性區(qū)分布范圍較廣，巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶范圍內(nèi)時(shí)頂板塑性區(qū)范圍有所降低，巷幫塑性區(qū)范圍急劇擴(kuò)張，掘進(jìn)至斷層下盤(pán)時(shí)頂板及巷幫塑性區(qū)范圍有所降低，底板塑性區(qū)分布范圍大幅增加，巷幫塑性破壞類(lèi)型以剪切破壞為主，頂?shù)装逅苄宰冃我岳羝茐臑橹鳌?/p>

2.3水對(duì)圍巖強(qiáng)度影響

由于6403運(yùn)輸大巷底板有灰?guī)r含水層，在承壓含水層作用下接近層壓水區(qū)域內(nèi)巖層較為破碎、裂隙發(fā)育。巷道底板深部巖層破壞裂隙以拉剪破壞為主，底板更容易出現(xiàn)底鼓。斷層上盤(pán)塑性區(qū)范圍大于斷層下盤(pán)。具體含水層與巷道底板間距對(duì)巷道圍巖變形影響見(jiàn)圖3。

從圖3看出，巷道底板與含水層間距在17.5m以上時(shí)底板承壓水沿著裂隙滲透至巷道掘進(jìn)層位水壓較?。ㄋ畨猴@著小于巷道圍巖塑性區(qū)承載強(qiáng)度），底板水引起巷道底板變形量較小，最大為35mm;當(dāng)?shù)装宄袎核c巷道底板間距在17.5m以內(nèi)時(shí)，承壓水沿著底板裂隙向巷道掘進(jìn)層位內(nèi)擴(kuò)散，在滲流達(dá)到平衡后巷道掘進(jìn)層位的孔隙水壓力仍相對(duì)較大，此時(shí)隨著巷道與承壓水層位間距縮小底鼓量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，含水層與底板間距在2.5m時(shí)巷道底鼓最大可達(dá)280mm。巷幫底板水對(duì)巷道頂板影響較小，具體巷道底板水對(duì)巷道圍巖變形影響程度從高到底依次為巷道底板、巷幫及頂板。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

3.1圍巖控制策略

3.1.1區(qū)域注漿加固

通過(guò)區(qū)域注漿滲透或者擠壓至巷道圍巖裂隙內(nèi)并固結(jié)，將裂隙內(nèi)的氣體及自由水排出，并在破碎巖層中形成網(wǎng)絡(luò)骨架，可以在一定程度上提升巷道圍巖物理力學(xué)性能降低滲透性，提升圍巖穩(wěn)定性及強(qiáng)度，從而達(dá)到加固圍巖并封堵導(dǎo)水裂隙目的。

3.1.2分階段支護(hù)

巷道掘進(jìn)斷面擴(kuò)大200mm為巷道變形預(yù)留空間;一次支護(hù)后允許圍巖變形，從而釋放圍巖應(yīng)力，降低圍巖控制難度;采用二次支護(hù)及時(shí)控制巷道圍巖流變。

在斷層構(gòu)造帶內(nèi)掘進(jìn)時(shí)巷道受到較大的構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖本身承載較大的變形能，在巷道開(kāi)挖初期時(shí)錨網(wǎng)提供有效的支柱阻力，錨桿提供的支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于開(kāi)挖后圍巖向開(kāi)挖空間的位移合力，因增加巷道掘進(jìn)斷面并在一次支護(hù)后運(yùn)行巷道圍巖有一定變形。巷道圍巖具有的應(yīng)變能經(jīng)過(guò)前期大量釋放后通過(guò)加固巷道圍巖淺部巖層并充分發(fā)揮深部巖層承載能力，以便避免巷道圍巖在水壓作用下出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間流變，確保巷道穩(wěn)定。

3.2巷道圍巖支護(hù)參數(shù)

3.2.1超前注漿

6403運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)F62斷層及其伴隨生F62-1斷層時(shí)采取以下圍巖支護(hù)方案：

巷道底板與底板灰?guī)r含水層間距在17.5m以內(nèi)時(shí)開(kāi)始對(duì)巷道圍巖進(jìn)行預(yù)注漿加固，具體為巷道與F62斷層面相距80m時(shí)開(kāi)始，整個(gè)注漿過(guò)程共分三個(gè)循環(huán)，布置70個(gè)鉆進(jìn)鉆孔，注入水泥量共計(jì)420t。注漿完成后，施工檢查孔，終孔位于巷道底板下方16m位置，檢查孔施工期間出水量均在1m3/h以內(nèi)，表明注漿可以對(duì)巷道底板導(dǎo)水裂隙進(jìn)行有效封堵。

3.2.2一次支護(hù)

從巷道掘進(jìn)過(guò)斷層應(yīng)力分布以及圍巖塑性區(qū)分布變化規(guī)律得知，在斷層面10m范圍內(nèi)應(yīng)力分布異常、圍巖變形嚴(yán)重，因此在該段內(nèi)將巷道掘進(jìn)斷面外擴(kuò)200mm并分次支護(hù)。一次支護(hù)斷面見(jiàn)圖4，錨桿為φ22mm×2400mm左旋螺紋鋼，間排距700mm;錨索為φ17.8mm×6200mm鋼絞線，間排距1200mm×1400mm。兩幫、頂板均用金屬網(wǎng)、雙筋梯子梁補(bǔ)強(qiáng)。

3.2.3二次支護(hù)

二次支護(hù)主要針對(duì)底板反拱、滯后注漿并對(duì)重點(diǎn)位置錨網(wǎng)索進(jìn)行補(bǔ)支護(hù)。巷道底板反拱深度為500mm，并通過(guò)錨網(wǎng)索梁進(jìn)行支護(hù)，底板幫角采用螺紋鋼錨桿規(guī)格為φ22mm×2400mm，支護(hù)錨索規(guī)格為φ17.8mm×6200mm、注漿錨索規(guī)格為φ22mm×6200mm，兩者間布置形式為三花眼，間排距均為1500mm×1400mm。具體巷道底板拱底支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

反拱后錨桿、錨索與梯子梁連接，下側(cè)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。當(dāng)圍巖變形量在80mm以上時(shí)進(jìn)行注漿，頂板/巷幫注漿壓力為1MPa、底板注漿壓力為2MPa，注漿漿液均為超細(xì)水泥漿。在圍巖變形嚴(yán)重區(qū)域施工錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.3圍巖控制效果

巷道掘進(jìn)、支護(hù)完成后即對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)持續(xù)300d，結(jié)果見(jiàn)圖6。巷道開(kāi)挖初期變形速度較快，以結(jié)構(gòu)變形為主，支護(hù)完成20d時(shí)間內(nèi)圍巖變形量速度維持在3～5mm/d，頂?shù)装寮跋飵臀灰屏糠謩e約為57mm、78mm;支護(hù)完成20～80d后圍巖變形能得以明顯釋放圍巖變形速度降低至2～3mm/d，頂?shù)装?、巷幫最大位移量?7mm、92mm;支護(hù)完成80d～200d時(shí)間范圍內(nèi)圍巖變形以流變?yōu)橹鳎冃嗡俣冉档椭?mm/d以內(nèi);支護(hù)完成240d后圍巖變形趨于穩(wěn)定，變速速度在0.02mm/d以內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，在底板含水巷道掘進(jìn)過(guò)斷層采用超前注漿、分段錨注支護(hù)技術(shù)后，可以有效控制巷幫底鼓、巷幫收斂及頂板下沉，確保圍巖穩(wěn)定，巷道支護(hù)效果顯著。

4總結(jié)

6403運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)F62斷層時(shí)水文地質(zhì)條件、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，巷道掘進(jìn)受諸多因素影響，采用FLAC3D對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)斷層期間的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化特征及底板水對(duì)巷道圍巖影響進(jìn)行分析，為后續(xù)采取的圍巖支護(hù)措施提供了指導(dǎo)。

在6403運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)F62斷層時(shí)提出分階段支護(hù)策略，即為：超前支將、一次支護(hù)、二次支護(hù)相結(jié)合，采用超前注漿封堵底板裂隙，降低底板水對(duì)巷道支護(hù)影響;一次支護(hù)釋放圍巖應(yīng)變能;二次支護(hù)控制圍巖流變變形。

6403巷采用提出巷道過(guò)斷層圍巖支護(hù)措施后，圍巖變形得以顯著控制，頂?shù)装?、巷幫最大變形量?12mm、127mm，滿足巷道使用需要。

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