巖溶破碎富水大斷層巷道支護技術研究

何遠富， 邱熠華，董軍庭，姜凡均，張友軒，賴 偉

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程研究中心，湖南 長沙 410012； 3.福建馬坑礦業有限責任公司, 福建 龍巖市 364021)

巖溶破碎富水大斷層巷道支護技術研究

何遠富1,2， 邱熠華3，董軍庭3，姜凡均1,2，張友軒1,2，賴 偉1,2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程研究中心，湖南 長沙 410012； 3.福建馬坑礦業有限責任公司, 福建 龍巖市 364021)

馬坑鐵礦斷裂構造發育，井巷工程穿越斷層破碎帶等不良地質地段。通過對馬坑鐵礦復雜水文地質條件下巖溶富水大斷層中的巷道支護技術進行研究，提出了聯合支護方式，即采用澆筑止漿墻注漿的方式提前將破碎巖體進行注漿，同時，聯合超前管棚支護，有效提高巷道圍巖的穩定性。施工結果表明，聯合支護成功實現了在巖溶破碎富水大斷層中掘進巷道，保證了施工質量和安全。

巖溶破碎；富水；大斷層；聯合支護

0 引 言

在礦井建設生產過程中，井巷工程難免要穿越斷層破碎帶等不良地質地段，當井巷工程穿越斷層破碎帶時，如果掘進過程中不重視巷道支護，有可能會引發如突水、冒頂、坍塌、泥石流等安全事故[1-2]。目前，針對巷道掘進過程中大斷層破碎帶的問題，國內外學者進行了大量的研究工作，取得了很大的成果，但各個礦山地質情況不同，支護情況不能一概而論，依然存在很多問題需要解決。

馬坑鐵礦水文地質條件極為復雜，井巷工程經常需要穿過巖溶破碎富水大斷層，支護過程中，不能簡單地選用目前常用的礦用工字鋼、U型鋼架棚或錨桿、錨索聯合支護[3-5]。需要根據自身的水文地質條件，選擇合適的支護方式，馬坑鐵礦根據多年的現場實踐和經驗總結，針對巷道過巖溶富水大斷層破碎帶時，提出了合理的支護技術，并在馬坑鐵礦進行了成功運用。

1 礦床地質及水文地質條件

馬坑鐵礦礦區位于華南加里東褶皺系華廈褶皺帶，永梅上古坳陷帶東側。區域內印支運動，特別是燕山運動甚為強烈，礦區所處區域內斷裂、褶皺、巖漿活動均很強烈和復雜，反映了在漫長的地史中區內多期次構造運動作用的結果。礦體主要埋藏于本區最低侵蝕基準面+420 m標高以下，主礦體賦存于中石炭統經畬組(C2j)地層中。以厚度巨大、巖溶發育、富水性強的船山組一棲霞組(C3c—Plq)碳酸巖鹽(以下統稱灰巖)類為其頂板，礦區四周均為斷層切割，構成自然邊界，外側均為富水較差的裂隙巖層，側向補給不裕，以巖溶充水為主，屬水文地質條件中等一復雜的半隱伏巖溶水文地質類型礦床。

礦山在開拓過程中，斜坡道、斜井的部分地段將穿越F11和F3斷層破碎帶、裂隙發育帶、溶洞發育帶和童子巖組、文筆山組泥巖、砂質泥巖等工程性質較差地段，由于其巖石較破碎，抗壓強度較低，穩固性較差，可能發生硐頂、硐體崩落、坍塌等。斜井、階段平巷、溜井等工程在裂隙發育帶、溶洞發育帶等工程性質較差地段，也可能發生井巷崩落、坍塌等。靠近西礦段礦體下盤就是F2’大斷層，巖性為泥巖與粉砂巖互層，斷層角礫巖充填，整體穩定性極差。根據施工的揭露來看，巖石較為破碎，巷道局部有裂隙發育、出水、工作面巖石呈黃褐色。階段運輸穿脈巷道需要多次穿越F2’大斷層，巷道掘進支護非常困難。

2 存在的問題

由于馬坑鐵礦所處區域內斷裂、褶皺、巖漿活動強烈和復雜，其斷層節理裂隙較為發育，巖石較為破碎，穩固性差，巖石透水性和富水性強。在該類巖體中開掘巷道存在極大的安全隱患，大大增加了巷道掘進和巷道維護的難度。其難點主要體現在：

(1) 巖體破碎，難以簡單形成大斷面空間，井巷通過巖體難度大。

(2) 巖溶破碎大斷層巖體富水性強，水源充足，構造溝通充分，巖溶水和溶洞中流沙充填物的存在，導致較大泥石流安全隱患。

(3) 永久巷道維護難度大，成本高，安全風險大。地下開采開拓系統主要工程斜坡道、斜井、階段運輸平巷等，其斷面規格大，服務時間長，安全等級要求高，當該類主體開拓工程布置于溶蝕裂隙帶巖體中時，對巷道永久支護方式、支護材料、支護參數、施工工藝等勢必提出比常規工程更高的要求，同時亦須在保證使用安全前提下，控制井巷合適的構筑維護成本，以保證礦山整體經濟效益。

經過對各種巷道過大斷層破碎帶支護方法進行技術、經濟對比分析，結合馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層的實際特點，最終選用聯合支護方式，即工作面預注漿固結與超前管棚聯合支護作為馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層位置巷道的支護方案。

3 巖溶破碎大斷層富水巷道聯合支護工藝

3.1 工作面超前預注漿工藝

為了能適應馬坑鐵礦巖溶破碎富水大斷層的實際特點，施工中預先對工作面進行超前預注漿，預先固結需掘進巷道位置的破碎巖體，使之形成復合穩固的固結體，預防掘進過程中由于巖體破碎導致圍巖自穩時間較短，隨掘隨冒，難以簡單形成大斷面空間，井巷通過巖體困難。同時，由于馬坑鐵礦是大水礦山，水文地質條件極其復雜，而破碎帶大斷層是天然的導水通道，提前預注漿，可以有效封堵出水裂隙，加固圍巖，預防突水及泥石流的安全事故[6-9]。

3.1.1 止漿墻的施工

施工巷道迎頭過斷層破碎帶工作面位置施工止漿墻，并預埋孔口管3根。全斷面布置3個注漿孔，終孔深度視斷層破碎帶寬度而定，本處暫定為20 m。止漿墻采用現場澆筑砼與磚墻(俗稱24墻)聯合作為止漿墻，厚度為1000 mm，孔口管采用Φ108 mm×4 mm的無縫鋼管制作，長為1.5 m，外露0.5 m。具體見圖1。

3.1.2 注漿施工

以單液水泥漿為主,封孔時采用水泥-水玻璃雙液漿；若漿液消耗很大時，則采用砂漿注漿。選用普通42.5R硅酸鹽水泥；水玻璃模數M取2.8～3.1，波美度38～40 Be′。單液漿水灰比2∶1，1.5∶1，1∶1，0.8∶1；雙液漿：水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，1∶0.8，1∶0.5；三乙醇胺加入量按0.05%,食鹽加入量按0.5%，砂漿配比為水∶水泥∶砂=1∶1∶2。注漿施工為隱蔽性工程,為保證注漿質量和堵水效果,每一孔段注漿都必須達到終壓、終量和注入量的設計要求。在達到設計終壓后，泵的流量在30 L/min，穩定20～30 min，才可結束該孔段的注漿，并認真做好注漿記錄。

圖1 止漿墻及注漿管布置

3.2 超前管棚支護工藝

根據前期工作面施工止漿墻注漿加固圍巖的工作，待注漿工作完畢，根據巷道圍巖注漿實際情況，再決定巷道掘進及超前管棚支護[10-11]。

3.2.1 架棚背板施工

(1) 型鋼棚采用25U型鋼制作，棚與棚之間用8#槽鋼制作的連桿連接，每兩架棚之間用7根連桿連接，直墻各兩根，拱部三根。每架棚有3個接頭，每個接頭采用1副U型卡纜通過螺栓連接。結構見圖2。

圖2 25U型鋼棚結構

(2) 根據技術部門提供的中腰線先架生根棚。生根棚要用鋼筋與巖幫焊接連接。采用前探梁架設棚梁，前探梁用Φ108 mm×3000 mm無縫鋼管制作，通過鋼筋掛鉤與U型鋼相連。棚梁校正無誤后，固定連接件。

(3) 接下來接棚腿。棚腿與棚梁的搭接長度為400 mm，用兩副U型卡纜鎖住，卡纜的螺栓應擰緊。U型卡纜制作如圖3所示。

圖3 U型卡纜加工

(4) 施工連接桿。采用8#槽鋼制作，長度900 mm，每根連接桿由4個Φ16 mm×250 mm彎鉤螺栓固定。具體見圖4。

圖4 U型鋼棚連接件

(5) U型鋼棚架設好后，進行棚后鋼筋砼背板的架設。砼背板規格 150 mm×600 mm×50 mm，長度方向與U型鋼垂直放置。要密背砼背板，即每兩塊要緊挨放置。背板后的空區用木背板或砼背板填實。

3.2.2 噴射混凝土施工

(1) 檢查U型棚安裝和背板鋪設是否符合設計要求，對工作面的危石進行撬除，并清洗巖面。防止危石或巖面沖洗不良造成混凝土與巖面的粘結力降低，影響支護與圍巖的整體性，以至影響部分或整體的支護效果；

(2) 優化選用噴射混凝土配合比，以保證噴射混凝土滿足強度、回彈、粉塵、粘結效果等施工要求(輸料順暢)。噴混凝土的砂、石選料比較嚴格，要嚴格控制砂、石的粒徑。混凝土拌和過程嚴格控制速凝劑比例；

(3) 噴射過程中嚴格按照規程進行施工。控制好噴射角度和距離、一次噴射混凝土的厚度、分層噴射的時間間隔等[12]；

(4) 噴射混凝土的水泥與細骨料相對較多，同時又摻有速凝劑，因此其收縮變形更為嚴重。因此，混凝土噴射后的7 d內，需要噴水養護，以保證噴射混凝土的強度增長、改善變形性質以及提高混凝土的抗滲能力。

4 工業應用效果

從現在施工情況來看，采用聯合支護技術，取得較好的效果：

(1) 巷道掘進速度大為提高，每次進尺能維持1 m左右，解決了巷道成型困難、圍巖自穩時間短、隨掘隨冒、巷道涌水、施工進度緩慢等問題。

(2) 富水位置的大斷層預注漿固結，有效封堵出水裂隙，加固圍巖，巷道圍巖自承能力得到很大提高。結合超前管棚聯合支護，巷道變形量顯著減少，巷道內的涌入量顯著降低。涌水量由原來的最大涌水量80 m3/h降至2 m3/h，甚至無涌水。

(3) 工作面預注漿后，破碎巖體之間重新形成復合穩定的固結體，掘進過程中無較大垮冒，同時聯合超前管棚支護，短掘短支，使聯合支護形式與巷道圍巖共同受力，進一步提高了巷道圍巖穩定性。目前+100 m階段多條穿越F2’斷層的穿脈運輸巷道，巷道無大面積塌方或嚴重變形現象。

(4) 采用聯合支護方案，西礦段+100 m階段目前共施工了10余條穿脈運輸巷道，每條均成功穿越F2’大斷層；掘進及支護的最長富水大斷層破碎帶約80 m。 經過聯合支護，巷道圍巖穩定，巷道只在局部位置有微小變形。

5 結 論

針對馬坑鐵礦復雜水文地質條件下在巖溶富水大斷層中的巷道掘進與支護，采用澆筑止漿墻注漿的方式提前將破碎巖體進行注漿，使破碎巖體之間重新形成復合穩定的固結體，同時有效的封堵了出水裂隙，聯合超前管棚支護，有效提高了巷道圍巖的穩定性。施工結果表明，對于圍巖松散、破碎、層理、節理和裂隙發育的巖溶破碎帶，容易造成大面積塌方，富水大斷層，容易突水或引發泥石流，通過聯合支護，有效的解決了施工過程的一系列技術難題，并成功運用在礦山不同位置的井巷工程。

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何遠富(1979-)，男，云南昭通人，工程師，主要從事采礦工藝及充填技術研究，Email:383973186@qq.com。