袁店二井106采區斷層破碎區巷道錨注支護技術研究

文/林衛國(淮北礦業股份有限公司)

礦井的建設工程中經常遇到地質不良地段，斷層破碎區這種不良地質現象在開挖過程中十分常見[1,2]。斷層破碎區強度低，透水性大且易變形，巷道穿過斷層破碎區時極易發生如突水、冒頂等地質災害，這使得巷道支護難度極大，若支護不當，在巷道使用過程中易發生大變形從而引起支護結構的失穩破壞[3-5]。

袁店二井106采區北翼回風暗斜井穿過LWF54斷層破碎區，巖性較為混雜，主要以泥巖、粉砂巖及少量砂巖為主，局部夾炭質泥巖或煤，擠壓和揉皺現象嚴重。斷層構造影響巷道圍巖節理、裂隙較為發育，使得巖體強度進一步降低。且巷道埋深-710m，垂直應力大，在高應力作用下，巷道淺部破碎巖體極易產生強烈剪漲變形。對過斷層破碎區巷道支護技術進行研究提出相應的巷道支護技術，可為相似工程條件下的巷道支護提供參考。

一、工程概況

袁店二井106采區位于井田東北部，東西寬1900～2700m，南北長約1800～2500m，面積4.74km2。采區平均厚度為264.50m，海拔標高為+28.00m。地層整體呈一單斜構造，走向NW，傾向NE。地層傾角為4～33°。根據鉆探、三維地震勘探資料，區內共查出斷層115條，均為正斷層，斷層展布具有明顯的方向性：走向以NW向、SN向居多，其次是NE向。采區斷層密度為24.47條/km2。其中斷層落差大于100 m的有5條，40～100m的有5條，落差10～40 m的有32條，落差5～10m的有18條，落差0～5 m的有55條。

圖1 采區巷道平面圖

北翼回風暗斜井施工方位角均為N47°，巷道底板標高-710m，施工層位在10煤頂板20m左右位置。106采區暗斜井從10煤頂板砂巖層位向上穿層至51煤，主要揭露鋁質泥巖、82煤、81煤、72煤及其層間砂巖、泥巖等。采區巷道平面如圖1所示。

二、數值模擬

1.模型建立

根據袁店二井106采區相關地質資料，設計斷層寬度為30m，斷層傾角為60°，考慮模型的邊界效應，盡量讓巷道處于模型的中部，讓巷道在斷層外的長度至少為斷層寬度的兩倍，最終確定模型尺寸為200m×100m×150m。巷道為直墻半圓拱型斷面，直墻高1.5m，半圓拱半徑2.5m，巷道寬5m。斷層模型如圖2所示。

圖2 斷層模型圖

建模時把巖性相近或者巖層厚度比較薄的巖層做適當的歸并，斷層賦上一種相對較弱的材料。各巖層物理力學參數如表1所示。

2.支護方案分析

建立斷層破碎區巷道不同支護方式支護模型，通過對比分析不同支護方案下的巷道圍巖應力應變特征，分析斷層破碎區內巷道圍巖控制的最佳支護方案。

方案1：錨噴索注支護。采用注漿錨桿加注漿錨索聯合支護模型。注漿錨桿采用規格為φ25×2500mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，間排距為1000mm×1200mm；注漿錨索規格為 φ35×7000mm，間排距為 2000mm×1200mm；噴層厚150mm，強度為C20。

方案2：深淺耦合全斷面錨注支護。即在方案一的基礎上加打底板注漿錨桿，底板注漿錨桿采用和注漿錨桿相同材料的螺紋鋼中空注漿錨桿，規格為φ25×2500mm。

方案3：超前注漿加深淺耦合全斷面錨注支護。即在方案2的基礎上進行超前注漿，通過采用10m的注漿管對斷層破碎區頂板進行超前支護，一個斷面布置5個注漿孔，注漿孔間距為1500mm。

通過模擬得出不同支護方案下巷道頂底板及兩幫移近量如表2所示。

從表2可見，方案3超前注漿加深淺耦合全斷面錨注聯合支護能夠很好地保證斷層破碎區巷道的長期穩定。

表1 各巖層物理力學參數表

表2 不同支護方案巷道頂底板及兩幫移近量

三、巷道支護方案設計

1.巷道支護原則

針對袁店二井礦106采區巷道斷層破碎區構造復雜、巖層破碎、強度較低的特點，采用以“超前注漿加深淺耦合全斷面錨注”聯合支護方案進行支護。巷道掘進至大斷層破碎帶時，采用超前注漿對工作面未被暴露的頂板實行超前支護，使注漿段以內的薄層破碎巖石膠結形成整體。在巷道開挖后進行U型鋼架設，架棚后采用注漿錨桿加注漿錨索即深淺耦合全斷面錨注支護來維持巷道的長期穩定。

2.巷道支護方案

考慮到圍巖的滲透性能以及加固范圍，在距離拱頂300mm的位置布置5個注漿孔，注漿孔間距為1500mm，外插角25°，終孔間距為5700mm。注漿管規格為直徑73mm的花管，花管長度為10m。超前注漿孔布置如圖3所示。

待超前注漿漿液固結后，采用U36型鋼支架進行架棚支護，再采用注漿錨桿和注漿錨索對巷道頂板和兩幫進行錨注支護。注漿錨桿選用規格為φ25×2500mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，注漿錨桿間排距為1000mm×1200mm；注漿錨索規格為φ35×7000mm，注漿錨索間排距為2000mm×1200mm。對巷道底板采用注漿錨桿配合槽鋼梁進行加固，形成有效的支護結構。底板注漿錨桿選用規格為φ25×2500mm的螺紋鋼注漿錨桿，每排3根，兩邊注漿錨桿斜打，與豎直方向成15°角，間排距1600mm×1200mm。巷道施工斷面如圖4所示。

圖3 超前注漿孔布置圖

圖4 巷道全斷面支護圖

四、巷道支護效果監測

為了監測設計支護方案效果，在106采區巷道中布設深部位移觀測斷面監測巷道變形，在50天觀測期內巷道頂板圍巖深部6m范圍內相對位移小于30mm，巷道幫部圍巖深部6m范圍內相對位移小于40mm。且巷道圍巖深部位移已出現收斂，這說明注漿支護后巷道圍巖整體強度得到提高，圍巖承載能力得到加強，頂板及兩幫基本得到了有效的控制，為底臌的控制提供了好的外部環境，進一步說明了該支護方式能夠更加有效地維護巷道的穩定。

五、結論

通過對袁店二井106采區回風暗斜井過斷層破碎區巷道進行超前注漿+深淺耦合全斷面錨注支護后，斷層破碎區巷道圍巖變形明顯減小，變形速度也得到了有效控制，更好地維護了巷道的穩定，為礦井的安全高效生產提供了有力的保障。