穿斷層破碎帶巷道圍巖破壞特征及其控制

陳文云

（同煤集團晉華宮煤礦，山西 大同 037000）

0 引言

煤礦巷道施工經常穿越斷層及其破碎帶等不良地質區域，這些區域的巖層具有構造發育、低強度、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區域。晉華宮礦12#層集中軌道上山穿越長溝支五斷層破碎帶及軟弱巖層帶，圍巖呈現軟巖特征。在礦山壓力作用下，圍巖松動范圍大，周圍地質構造復雜巷道受動壓影響情況較明顯，巷道變形，四周來壓嚴重。因此，根據圍巖的破壞特性進而進行膨脹性軟巖巷道的支護設計，對保證巷道圍巖有效控制，滿足307區生產時運輸、通風、行人等需要，及保障該礦的采掘接替具有重要意義。

1 巷道圍巖分類及變形破壞特征

晉華宮礦12#層307盤區集中軌道運輸巷按照+10°進入未開采的12#層307盤區，根據地質勘探資料，在掘進過程中會穿越3條斷層，其中以長溝支五斷層落差為80-280m，穿越地層依次為粉砂質泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖、砂質頁巖、炭質頁巖、泥質粉砂巖等軟弱巖層；斷層破碎帶圍巖裂隙發育，且有斷層角粒砂涌出，對巷道圍巖穩定性影響很大。如圖1所示。

圖1 12#層307盤區集中軌道上山破碎帶剖面圖

根據圖1，采用工程巖體分類中GSI（地質因子方法）及巖體完整性系數[1-3]，評定得到GSI的量化值[4-5]，將12#層307盤區集中軌道上山圍巖類別分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類，即位于離12#層307盤區開拓巷道起坡點311m、257m、296m處，分別代表粉砂質泥巖（Ⅴ類圍巖）、砂泥互層（Ⅳ類圍巖），細砂巖（Ⅲ類圍巖），依次描述如下：

Ⅴ類圍巖：本段為粉砂質泥巖，本層巖層厚度11m，長約29m，用硬物擊打易裂成碎片，粉砂質泥巖主要成分為粘土礦物,含少量粉砂質。遇水后短時間內迅速膨脹、崩解和軟化。圍巖變形速度快、變形量大。一般來說，巷道掘進的第1～2天，所取的巖樣取出后在地表暴露約一月后的即風化成碎塊。在之前的錨網支護下一個月時間巷道還是發生明顯的斷面收縮，頂板下沉嚴重。

Ⅳ類圍巖：本段為砂泥巖互層，本層巖層厚度12m，長約90m，是粉砂巖中夾有大量淺綠灰色泥巖，水平層理，在巷道開挖擾動后裂紋發育，且遇水具有膨脹性，頂板變形量較大，出現網兜現象，前期用于支護的錨桿錨固力松弛嚴重。Ⅲ類圍巖：本段為細砂巖，本層巖層厚度15m，長約57m，淺灰色，成分石英、長石，鈣泥質膠結，雖然細砂巖強度較高，但由于處于斷層破碎帶，其完整性受到較大的破壞，泥質膠結，屬于較軟巖。

2 巷道圍巖變形破壞因素分析

12#層307盤區集中軌道巷圍巖的穩定取決于地質力學環境、圍巖強度及巷道支護方法等，根據前述分析，該礦過斷層破碎帶膨脹性軟巖巷道失穩機理如下：

1）圍巖裂隙發育。由于12#層307盤區集中軌道上山穿過長溝支五斷層，構造區圍巖受到斷層的張拉、牽引作用，裂隙發育、圍巖破碎，自穩能力差。

2）圍巖巖性差，遇水泥化。從12#層307盤區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巖類組成。受水的影響大，遇水后膨脹泥化，軟化性強，，遇水后強度急劇降低，進而失去了承載能力。

3）涌水。該礦頂底砂巖水，為一弱含水層，裂隙儲水，受裂隙及構造發育程度控制，不同的地段存在明顯的差異，屬靜儲量水。但淋水緊跟迎頭，給施工造成一定的不便。

4）原支護系統強度低。原多采用長度1.8m的錨桿，且不能及時施加預緊力，造成圍巖過早離層、變形。巷道掘進后，圍巖暴露在潮濕的環境中，泥質類巖層吸水后強度降低，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，巷道穩定性指數（巷道所處位置最大主應力與圍巖單軸抗壓強度的比值）達到0.65左右，圍巖在高應力作用下，巷道將會發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，必須采用主動和被動相結合的方式。

3 巷道圍巖支護設計

以Ⅴ類巖（粉砂質泥巖）為研究對象進行支護設計，設計方法如下：鋼支架作為基本支護護表，防止破碎圍巖的垮落；噴砼封閉圍巖，防止圍巖表面風化；巷道拱肩、拱腳及兩幫、拱頂等易損關鍵部位注漿改性，提高圍巖的整體性及其殘余強度，提高了其自承載能力，增強錨桿錨固效果；底拱梁控制底鼓；通過結構補償錨索將鋼支架-錨索進行耦合，形成一個支護整體來控制圍巖的變形，發揮主-被動支護各自的優點。

12#層307盤區集中軌道巷上山斷面：S掘=11.65m2，S 凈 =10.13m2，掘寬 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，假設巷道斷面為圓形，其當量半徑為2.12。

3.1 錨固長度和支護阻力

根據巖石力學試驗，將巷道圍巖物理力學性質簡化為：容重24kN/m，單軸抗壓強度σc13.86MPa，粘結力（c）0.67MPa，內摩擦角（φ）24°，彈性模量（E）0.221GPa，泊松比（μ）0.25。根據理論計算的需要，假設巷道處于靜水壓力應力環境中，采用理想彈塑性模型，圍巖的剪切擴容系數=1，計算得到塑性區半徑R=6.17m，塑性區厚度L=R-r=4.05m，則錨索長度硬等于塑性區厚度、錨固長度（通常為2000mm）與錨索端部長度（一般露出長度為300mm）的和，古錨索總長度為6350mm，取6.5m。

支護阻力Pa與巷道圍巖的徑向位移u的關系可用修正的芬納公式進行計算：

其中：c為圍巖內聚力；φ為內摩擦角；σz為圍巖的初始應力狀態；μ為泊松比、R為塑性區半徑。

根據現場監測數據，巷道施工后支護結構的承載作用發揮之前圍巖的初始移近量為400mm左右，可知u=200mm，把巖體物理力學參數帶入上式，可得到Pa=1.42MPa。

3.2 錨桿-錨索支護強度驗算

12#層307盤區集中軌道上山斷層破碎帶設計選用的為高強左旋無縱筋紋鋼錨桿，規格為：φ22×2400mm，間排距：700×700mm，鉆孔直徑28mm，錨固長度不小于1200mm。錨桿錨固預緊力不低于80kN，布置如圖2所示；錨索設計選用的為7股高強度地松弛鋼紋線錨索，規格為φ17.8×6500mm，間排距：1400×1400，鉆孔直徑 28mm，錨固長度不小于2000mm。錨桿錨固預緊力不低于150kN，錨索安裝角度垂直于巷道壁面。則錨桿-錨索支護強度P錨桿為0.306MPa。

3.3 注漿固結區承載能力驗算

12#層307盤區軌道上山注漿加固施工時應先安裝注漿錨桿，而后噴射混凝土，再進行注漿。根據經驗單孔注漿量為 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度確定：

式中：[σ]為注漿固結體的有效強度，根據經驗取值為1MPa；R1為注漿加固圈半徑，對于12#層307盤區集中軌道上山斷層破碎帶已知R0=2.12m，R1=2.5m，帶入式子計算得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強度驗算

12#層307盤區集中軌道上山斷層破碎帶采用主動與馬蹄形全封閉剛性支架耦合支護方案，即采用錨網索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護形式。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行支架強度計算，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鋼為型鋼的極限強度，U36型鋼極限強度為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。則支架的支護強度P2為0.752MPa。

所以，錨網索+注漿+封閉支架支護系統所提供的支護強度為：

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

已知該支護強度已經大于圍巖穩定需要的支護強度1.56MPa，加上噴砼后，采用錨網索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護形式滿足圍巖穩定需要的支護強度。

4 施工工藝及支護效果

施工工序為：掘進斷面→臨時支護→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。

在過斷層破碎帶粉砂質泥巖段的軌道上山長度為29m，在中間位置布置一個測站，觀測內容：頂沉、底鼓、兩幫相對移近量。巷道在掘出10天后，變形速率開始減小，但變形量逐漸增加，3個月后，變形速率降低到0.5mm/d以下；其中頂底板最大變形量為96mm，其中，頂沉 38mm，底鼓58mm，兩幫相對移近量為106mm。巷道表面沒有出現混凝土開裂和錨桿斷裂的現象。但由于巷道圍巖松軟、破碎，要加強礦壓觀測，如果發現巷道變形速度加快，必須要進行支架壁后注漿等強化支護措施。

5 結 論

1）通過完整性系數與巖體的風化評定從而得到GSI的量化值，采用工程巖體分類中GSI（地質因子方法），將12#層307盤區巷道初步進行分為Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖；介紹了原支護采用錨網噴永久支護，對于斷層破碎帶各類圍巖的變性破壞進行了表征，進而分析了12#層307盤區集中軌道上山過斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞的原因。

2）選用錨網索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護形式能夠滿足圍巖穩定所需要的支護強度。礦壓觀測表明：采用封閉支架+噴砼+注漿+錨網索耦合支護方式能夠滿足斷層帶巷道圍巖控制的要求。