三錨聯合支護技術在深井掘進過斷層帶施工中的應用

田海峰，王俊峰

（烏審旗蒙大礦業有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯017307）

1 概述

在斷層破碎帶施工巷道，開挖容易，支護卻極其困難，采用單一支護方式，往往不能奏效。對斷層破碎帶支護方式及施工工藝，煤礦工程技術人員進行了不斷的探索和研究，迄今為止還沒有一種能適應各個礦區的施工方法和支護方式。只有結合工程的具體地質條件，科學運用巷道支護理論，采用先進的支護方式和科學的施工工藝，才有可能比較順利地通過斷層破碎帶，并使巷道易于維護而處于穩定狀態。滕東礦采用錨網噴、錨索、錨注聯合支護技術成功解決了深井高地應力巷道過斷層破碎帶施工及支護難題。

2 工程概況及地質條件

滕東礦是目前棗滕地區設計開采深度最深的礦井。礦井主采下二疊統山西組3下煤層，平均厚度6.2m，埋藏深度在800～1200m之間。3下煤為具有強沖擊傾向性的煤層，其頂板為具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。礦井采用臥式環形井底車場，井底車場埋深921m，設計均位于3下煤層底板細粒砂巖中。

根據礦井精查地質報告及首采區三維物探資料分析，3下煤層及頂底板巖層傾角平緩，層位穩定，井底車場巷道及有關硐室不受斷層影響。

在井底車場實際施工中，揭露了F7斷層及次生斷層，分別穿過井底車場材料車線及3#、5#、6#交岔點、中央泵房管子道、井底煤倉機頭硐室。F7斷層由2條落差分別為10m和13m的正斷層構成，斷層破碎帶總寬約5～10m，由3下煤、泥巖、角礫充填。斷層帶圍巖破碎，裂隙、片滑發育、膠結性差，易崩解，并伴有淋水。斷層帶附近煤體強度極低，且煤體與巖石的膠結性差；在受F7斷層及次生斷層影響，井底車場及3#、5#、6#交岔點相繼穿過3下煤頂板灰黑色粉砂巖、灰白色粗砂巖、灰色砂質泥巖及3上煤層（焦）、3下煤層。

3 支護方案

井底車場巷道及有關硐室埋藏深、地壓大，地質條件復雜。高地應力、構造應力、巷道開挖后的疊加應力交互影響，給井底車場巷道的施工及支護帶來了很大困難。這種情況下要確保支護安全，必須通過改變應力分配，充分利用圍巖自身的承載能力，擴大支護結構的有效承載范圍，來提高支護結構的整體性和承載能力從而達到良好的支護效果。結合現場條件，決定在巷道開挖后立即進行錨網噴、錨索一次支護，然后進行錨注支護加固破碎圍巖，使破碎圍巖成為一個較強的承載體，然后對錨索進行二次緊固，充分將巖石的應力分散到深部巖層，提高了支護的剛度，以確保施工巷道持久穩固。

3.1 錨網噴支護參數

根據大埋深、高地壓及現場地質條件，斷層帶及前后5m范圍內采用?20mm×2200mm高強扭矩應力錨桿支護，全長錨固，錨桿間排距均為800mm；全斷面使用?6.5mm絲徑、網格150mm×150mm焊接鋼筋網；每排錨桿均采用?18mm圓鋼焊接鋼筋梯；噴射砼標號C20，噴射厚度120mm。具體支護設計見圖1。

3.2 錨索支護參數

采用?15.24mm快裝后應力高強錨索，錨索排距不大于1600mm，每排5根，拱部、兩肩窩、兩墻各一根。斷層帶前后5m內錨索長6000mm，斷層帶范圍內錨索長8000mm，均采用加長錨固。斷層帶內的錨索的安裝角度盡可能錨固到斷層破碎帶之外的穩定巖層中。

圖1 井底車場材料線斷面支護圖（單位：mm）

3.3 錨注參數

（1）注漿錨桿。注漿孔深度盡可能深，保證破碎區應完全固結，并超過此區。選用?32mm冷軋無縫鋼管加工的注漿錨桿，長2500mm。

注漿孔間排距要適宜，應使兩孔滲透半徑貫通。注漿錨桿排距3m，每排4根，沿巷道拱幫均勻布置。

錨桿、錨索及注漿錨桿布置斷面圖、平面圖見圖2、圖3。

圖2 巷道支護斷面圖

（2）漿液制作：鑒于注漿目的是加固圍巖，選單液水泥漿，選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水灰比（W/C）取0.6～1.0。為提高可注性，在水泥漿液中加入2.0%～2.5%的高效早強減水劑。注漿過程中，出現跑漿現象嚴重時，選用水泥—水玻璃雙液漿。雙液漿選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，選用30°～40°Be水玻璃，水灰比（W/C）取0.7～1.0，水泥漿∶水玻璃＝1∶1（體積比）。

圖3 巷道支護平面圖

（3）注漿壓力：由于井底車場材料線距副井井筒較近，為防止注漿壓力過大對馬頭門和副井井筒造成破壞，注漿壓力一般不超過巖石單軸抗壓強度的1/3。圍巖嚴重破碎時注漿壓力不超過0.5MPa，較破碎時不超過1.0MPa，裂隙較小時1.0～2.0MPa，最高不超過3MPa。當表壓達到穩定壓力后，注漿泵運行5～7min后停止注漿。

4 施工工藝

4.1 工作面的破巖方式

斷層帶圍巖破碎松散，在斷層帶中掘進巷道，要縮小循環進尺，一般不超過800mm。破巖方法最好以不破壞或少破環巷道圍巖為原則。破巖可采用風鎬或手鎬，若采用鉆眼放炮破巖，也應采用光面爆破。

4.2 錨網噴、錨索施工工序

工作面掘進后立即初噴不低于50mm混凝土，接著安裝鋼筋網、鋼筋梯、錨桿，然后打錨索作為一次支護。待錨注完畢巷道變形基本穩定后二次復噴到設計厚度。

斷層帶附近圍巖松散、破碎，工作面圍巖開挖后，要立即對工作面圍巖進行一次支護，防止圍巖暴露后的冒落、風化和發生較大變形，以確保施工的安全。如圍巖開挖后難以成型，采用分臺階掘砌，及時進行錨網噴支護。

斷層破碎帶內錨索孔有時難以成型，安裝錨索時先采用慢速錨固劑，后用中速錨固劑，避免安裝錨索過程中錨固劑提前固化。由于錨固劑與孔壁圍巖固結力較小，預緊錨桿、初次張拉錨索的預緊力均不要超過30kN，否則錨桿、錨索容易被拉出。待錨注加固圍巖后再二次張拉錨索至設計預緊力。

4.3 錨注工序

錨網噴支護后及時進行錨注支護。如開挖過程中圍巖有可能隨掘隨冒時，必須采用工作面超前預注漿。如斷層帶圍巖裂隙發展變化緩慢，可先采用錨網噴、錨索一次支護，待圍巖裂隙發展變慢前后或進入掘后穩定期不久，進行巷道壁后注漿。

5 工程實施效果

5.1 巷道變形量

一次支護后即進行了巷道圍巖收斂變形觀測，如圖4所示。

圖4 巷道圍巖收斂變形觀測曲線圖

通過觀測結果可以看出，巷道變形持續的時間較長，圍巖變形量較大。采取錨網噴、錨索一次支護后，巷道圍巖移近速度、圍巖移近量依然較大，待采取錨注支護后，巷道圍巖移近速度、圍巖移近量逐漸減小，約一周后基本趨于穩定。

5.2 錨桿、錨索承載狀況

由于斷層破碎帶圍巖松軟、破碎，錨固劑與圍巖之間固結能力差，雖然采取了錨桿全長錨固、錨索加長錨固，但錨桿、錨索初始錨固力一般低于30kN，錨桿、錨索有被拉出現象。采取注漿加固圍巖二次張拉錨索后錨索抗拔力增至67～95kN之間。

5.3 觀感質量

2007年先后采用錨網噴、錨索、錨注聯合支護方式通過了井底車場、管子道、井底煤倉機頭硐室等斷層破碎帶，有出現開裂、變形跡象，觀感質量優良。

6 主要結論

6.1 破碎帶圍巖具有一定的承載能力

現代支護理論認為圍巖既是施載體又是承載體，圍巖與支架應形成一個有機的整體并共同承載，這是三錨聯巷支護理論基礎。

滕東礦斷層破碎帶圍巖松軟破碎，地應力高，圍巖塑性區、破碎區范圍大，此時，巖體處于峰后強度、殘余強度狀態。滕東礦在較大范圍的斷層破碎帶采用先初噴、掛金屬網、使用鋼筋梯，然后安裝錨桿、錨索作為一次支護成功的經驗表明，即使范圍比較大的斷層破碎帶也具有一定的自身承載能力。這也說明斷層帶圍巖雖然松散，在斷層兩盤完整巖體及支護體圍壓的約束下，仍會以較高的殘余強度繼續保持傳遞應力的能力，并且隨著圍壓約束的增加，斷層破碎帶圍巖承載能力提高。

6.2 錨固壓縮拱在斷層破碎帶具有積極作用

根據組合拱理論，對于拱形巷道，一定支護密度的錨桿，通過錨桿預緊力作用，在錨桿及錨固范圍的圍巖將形成壓縮拱，此壓縮拱可以承受外面傳來的載荷。滕東礦在較大范圍的斷層破碎帶采用錨網噴、錨索作為一次支護的成功經驗表明，即使范圍比較大的斷層破碎帶錨固壓縮拱也是存在的，并且，壓縮拱承載能力隨著圍壓的增加而提高。提高錨桿、錨索的安裝應力可以控制圍巖的早期變形和松動圈的進一步發展，增加圍巖自承能力，提高壓縮拱整體的承載能力，它是防止離層發生、減少圍巖變形的關鍵因素。

注漿加固后可以形成一個多層有效組合拱，即錨桿壓縮區組合拱、錨索壓縮區組合拱及漿液擴散區加固拱，從而擴大了支護結構的有效承載范圍，降低了支護結構中產生的拉應力和壓應力，提高了支護結構的整體性和承載能力。

6.3 注漿加固圍巖，提高了圍巖強度與承載能力

采用斷層帶注漿，將松散破碎的圍巖膠結成整體，提高了巖體強度，實現利用圍巖本身作為支護結構的一部分；注漿加固圍巖，改變了圍巖的力學性質，使高地應力、構造應力等比較均勻地作用在圍巖與支護體上，降低了應力集中程度。注漿后使得噴層壁后充填密實，使構造應力、疊加應力等均勻地作用在噴層和支護體上，避免出現應力集中點而首先破壞。

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