掘進工作面過斷層帶施工技術和支護方法研究

曹 東

（新疆天富小溝礦業有限責任公司，新疆 石河子 832026）

我國大多數井田開采范圍內都含有斷層等不良地質條件，斷層帶圍巖體一般較為破碎，采掘工作遇到斷層破碎帶時，應采取專門的施工方法和支護措施，以安全順利地通過斷層破碎帶[1-3]。因此，研究掘進工作面過斷層破碎帶時的施工技術和支護方法很有必要[4-5]。

1 工程概況

新疆天富小溝礦業位于石河子市西南部，距離石河子市區75km，井田走向長度3.5km，傾向寬度0.9km，面積約3.47km2。井田范圍內有F1、F2、F3三條大的斷層帶。F1斷層傾向南西，傾角60°～65°，南盤下降，北盤抬升，F2斷層總體呈285°～115°方位延伸，F3斷層呈50°～230°方向延伸。首采工作面采區巷道掘進過程中遇到F1斷層，需采取特定的措施。

2 施工技術

2.1 超前支護

掘進工作面遇到斷層破碎帶時，為保證施工的安全，應當采取專門的施工技術和措施，以順利通過斷層帶。根據首采掘進工作面斷層破碎帶分布范圍較大且圍巖體破碎程度嚴重、圍巖強度較低的實際情況，提出采用超前管棚加圍巖體注漿的聯合超前支護技術。管棚的布置參數如下：在距離斷層30m左右時，開始布置管棚超前支護，管棚半徑32mm，間距布置為180mm。管棚采用長短交錯布置的方式，長管棚為30m，短管棚為25m，管棚傾角為15°。管棚布置完成后，需進行圍巖體注漿，圍巖體注漿壓力、漿液類型、注漿量等參數直接影響和決定注漿的效果。注漿可使松散破碎的圍巖體膠結成整體，大大提高圍巖體的強度和穩定性。根據掘進工作面的實際地質條件，選取水泥單漿作為注漿漿液，注漿壓力2.3MPa。

2.2 施工措施

在完整巖層帶一般采用掘進機或光面爆破的方法全斷面掘進，以提高掘進速度，但在斷層破碎帶區則不宜使用該類方法。因過大的斷面會使原本就破碎的巖層發生失穩破壞，從而造成事故，嚴重影響礦井安全生產。為避免這種情況的發生，提出采用臺階施工法通過斷層破碎帶。臺階施工的具體參數為：采用上下兩臺階施工。為使施工作業有足夠的空間，上下臺階分層高度均取2m，臺階長度取2.5m，寬度取3m。當上層臺階施工完成后，應對已經施工完畢形成的巷道凈斷面進行加固和支護，采用注漿U型鋼等加固措施，待加固完成后再進行下分層的施工。下分層施工完成后同樣需對揭露的巷道斷面及底板進行充分的支護，如此循環進行，直至穿過斷層破碎帶，進入穩定圍巖10～15m距離。圖1為超強管棚支護示意圖。

圖1 管棚超前支護

3 支護方案

為提高對斷層破碎帶的支護效果，并對斷層破碎帶圍巖體進行加固，充分減少圍巖體的不良效應，經過分析決定采用“U型鋼網噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”聯合支護方法。

3.1 U型鋼支護結構

根據掘進工作面的地質條件和原巖應力經計算，確定采用U29型鋼作為支護材料，U29型鋼需制作成閉環結構。為使U型鋼形成閉環結構，型鋼采用三節段制作而成，要求每段搭接長度不小于300mm，同時，U型鋼內圈采用8根Φ16 mm圓鋼拉桿連接，以充分發揮承載能力。U29型鋼采用700mm的排距，待U29型鋼和鋼筋網鋪設完成后，進行初次噴混凝土作業；之后，再鋪設一層鋼筋網，進行二次噴射混凝土，二次噴射混凝土厚度為50mm。首次支護的示意圖如圖2所示。

3.2 二次支護結構

選取鋼筋混凝土襯砌支護為二次支護形式。二次支護具體參數如下：二次襯砌的轉角等應力集中部位如拱頂、拱肩及仰拱的底部需采用螺紋鋼進行加固。經過計算，螺紋鋼尺寸選用Φ22mm螺紋鋼，螺紋鋼間距取200mm，鋪設一層鋼筋網，進行整體澆筑，澆筑采用C40的混凝土，保護層厚度取400mm。二次支護結構示意圖如圖3所示。

圖2 首次支護結構

圖3 二次支護結構圖

3.3 壁后充填注漿加固

為消除圍巖體表面不平整或支護結構不規則造成的局部應力集中或局部支護阻力不夠等情況，需進行圍巖體注漿和壁后充填。壁后充填能消除支護應力分布不均勻的影響，且可充分提高U29型鋼和鋼筋混凝土襯砌的承載力，改善其支護性能。注漿管應提前預埋，注漿管間距、排距為1.5m×1.4 m，注漿口外露長度不小于20mm。二次支護完成后即可通過預埋的管道進行注漿和壁后充填施工。為避免注漿管堵塞，注漿之前可用鉆頭清孔，清空深度約1m，注漿漿液采用水玻璃。為保障注漿效果，注漿壓力為2～2.5MPa。

4 支護效果分析

為進一步分析和了解所 “U型鋼網噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”聯合支護技術對斷層破碎帶的支護效果，在FLAC3D中建立了有限元模型，對巷道圍巖變形，最大、最小主應力等參數進行了分析研究，如圖4所示。

圖4 支護效果分析

從圖4中分析可知，采用聯合支護技術對斷層破碎帶進行支護后，巷道圍巖體的總位移量明顯減小，最大位移發生在底板兩角處，這是由于地應力在巷道角部集中所造成的，掘進巷道頂板和兩幫的位移量分布較為均勻，且位移量較小，僅為0.1m左右。可見圍巖和兩幫的位移已得到有效的控制，從最大、最小主應力分布圖中可以看出，巷道的圍巖應力分布較為均勻，受力情況明顯改善。從以上分析可知，針對掘進工作面過斷層破碎帶提出的聯合支護技術具有較好的支護效果，可保證掘進工作面安全順利地通過斷層。

5 結論

（1）針對新疆天富小溝礦業掘進工作面遇到斷層的情況，提出了掘進巷道過斷層破碎帶時采用超前支護與臺階施工法相結合的施工技術；

（2）提出采用“U型鋼網噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”對斷層破碎帶進行永久支護，并在有限元軟件中對該支護方案的支護效果進行了分析，效果良好。