斷層密集帶煤礦巷道改進復合支護體系

王曉波

（山西同煤集團朔州煤電公司，山西 朔州038300）

山西西北部礦區斷層密集帶的巷道支護不足已經成為問題。該礦區普遍存在斷層密集的斷裂帶。穿越斷裂帶的巷道常發生嚴重變形，已成為該礦區的關鍵問題之一。斷層密集，眾多巷道嚴重受損。在斷裂帶，嚴重的頂板凹陷和底鼓十分常見，如圖1所示。這類故障需要反復維修，最終會阻礙正常生產，增加總成本。

圖1 礦區裂隙密集巷道的典型破壞模式

1 地質條件

1.1 F104斷裂帶的地質條件

F104斷裂帶由幾條主要斷層組成。該區域巖體裂隙極為嚴重，如圖2所示。最大斷層落差約為80 m。巷道間距離僅30～40 m，加劇了相鄰巷道的開挖擾動。該斷裂帶圍巖主要為砂質泥巖、煤、泥巖、粉砂質泥巖。

圖2 F104斷裂帶已開挖巷道掘進工作面照片

1.2 F104斷裂帶巷道支護困難的關鍵因素

斷層帶巷道的穩定性受多種地質因素的影響。F104斷裂帶的地質條件不利于巷道的穩定性。以下幾個關鍵因素會給巷道支護帶來困難，在設計支護策略時應予以考慮。

1.2.1 裂縫密集，整體性差

裂縫是影響巖體整體強度的重要因素。斷裂帶內的密集裂隙對巷道的穩定性是不利的。研究表明，在破碎巖體中更容易發生剪切破壞。整體性差已成為影響巷道支護的重要因素。

一般情況下，通過注漿可以改善裂縫的整體性。裂縫可以用水泥填充和加固。開挖引起的裂縫可通過注漿管或注漿螺栓/錨索進行后注漿加固。然而，當開挖前地質運動產生密集裂隙時，預注漿是防止巷道大規模變形的有效方法。

1.2.2 構造應力高，圍巖強度低

高構造應力是裂縫密集帶的典型地質特征之一。強烈的地質構造運動使巖層破碎成無數小塊，形成密集的裂隙。巖石主要為砂泥巖、煤、泥巖。巖石又軟又破，這給巷道的支撐帶來了很多困難。高地應力和低強度圍巖是影響巷道變形的重要因素。

1.2.3 裂隙水

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F104斷裂帶的致密裂縫為裂縫水的儲存提供了有利條件。因此，在斷層帶掘進往往伴隨著裂隙水的釋放。眾所周知，水會削弱巖石，甚至導致巖石膨脹。此外，有些類型的巖石，如泥巖，在水中浸泡后會迅速分解。因此，裂縫水是破壞斷層帶巷道穩定性的另一個因素。地下水壓力也是影響注漿效果的重要因素。注漿壓力應克服裂縫水壓力。此外，灌漿水泥的固化也會受到地下水的影響。

2 改進復合支護法

根據對F104斷裂帶巷道支護難點關鍵因素的分析，對改進后的支護體系應采取特殊措施。

2.1 詳細的支持系統

2.1.1 開挖前進行預注漿

在掘進工作面后建有0.8 m厚的混凝土密封墻，在密封墻面上按一定角度和方向鉆幾個直徑為110 mm的注漿孔（見圖3）。設計鉆孔范圍為頂板、側壁約10 m，底板以下約5 m。

設計注漿壓力為12～15 MPa。預灌漿采用水泥硅酸鹽(P.O.42.5，水灰比1:25～1:15.5)。為了加快水泥的固化，在水泥漿中加入工業鹽（0.5%）和三乙醇胺（0.05%）。

注漿可采用壓力法，有利于擴大注漿范圍。預加固巖體可以使工作環境更加安全。且較厚的注漿管（圖3-4）可形成管頂結構，有利于開挖后巷道的穩定。

圖3 超長預注漿孔布置示意圖（m）

2.1.2 預注漿后支護措施的改進

預注漿改善了斷裂帶裂隙巖體的完整性和強度。當預灌漿水泥達到規定的高強度數天后，巷道開挖即可進行。根據預注漿后圍巖的特點，對支護措施進行改進，加固效果較好。

與帶式巷道支護系統相比，主要區別如下：

螺栓：與帶式巷道相比，在螺栓安裝上做了輕微的改變，因為帶式巷道在開挖前沒有預先灌漿。螺栓的距離間隔（Φ22 mm，L=2.5 m）改變了從0.8～1.0，這意味著更少的螺栓安裝后巖體pre-grouting已得到改進。

注漿電纜的改進。注漿錨索是淮南礦區近年來發展起來的一項新的巖石加固技術。內設一塑料管，用于水泥漿料的充填。

流通是以往注漿電纜的主要結構。雖然以前的產品在某些條件下表現良好，但也有一些缺點。首先，塑料管很窄，灌漿往往很慢。此外，塑料管不能承受荷載，必然會降低纜索的強度。因此，在帶巷安裝幾個月內，大量注漿電纜被破壞，如圖4所示。因此，在已有的技術基礎上，還需要進行一些改進。

圖4 斷裂帶注漿電纜的典型破壞模式

研制了一種新型注漿錨索。在注漿電纜的主體結構中增加了實心鋼絞線，將周圍鋼絞線與心鋼絞線的間隙用作水泥漿體，使水泥漿體以更低的阻力流動。鋼芯絞線可以提高鋼索的強度（當直徑為21.8 mm時，拉伸強度可超過420 kN），比之前的產品提高約20%。新型注漿錨索在斷裂帶具有良好的應用效果。

2.1.3 地面注漿電纜

帶式巷道底鼓嚴重，需要加大支護強度。后灌漿是防止新裂縫擴大的重要措施。因此，普通電纜巷道層被灌漿取代電纜（Φ22 mm，L=6.3 m，行距離是2.0 m）灌漿壓力的新地板電纜2～3 MPa。

3 實驗巷道的支護效果

3.1 井眼成像

利用鉆孔成像儀器觀測圍巖的完整性。圖5-1、5-2中未進行預注漿開挖的帶式隧洞圍巖完整性較差。圖5-3、5-4為預注漿后實驗巷道內部圖像。注漿后鉆孔更加完整，證明預注漿的充填效果普遍較好。

3.2 巷道壁位移

A、B遺址的一般地質條件十分相似。設立了幾個監測站來監測巷道壁的位移。實驗巷道典型位移曲線如圖6-1、6-2所示，與之前開挖的帶式巷道相比，改進的支護策略有效控制了實驗巷道的變形。側壁位移約為0.3 m，遠低于帶式巷道。在淮南礦區，穿越斷裂帶的巷道變形小于巷道寬度的10%（約0.5 m）是可以接受的。

滿足這個標準不需要立即修理。開挖4個月后，地表位移率已經下降到1.0 mm/d，在這樣的地質條件下已經比較滿意。

3.3 螺栓和電纜的軸向力

安裝了壓力儀表來監測螺栓和電纜的軸向力。電纜和螺栓首先用膠囊樹脂錨定。幾天后進行后灌漿時，錨索和錨桿全部用水泥錨固。如圖7所示，軸力一般在安裝后的最初10～30 d內增大，錨桿、纜索開始限制巷道變形。之后，軸向力逐漸達到一個穩定的值。

4 結語

F104斷裂帶巷道穩定性與裂縫密集、整體性差、裂隙水、構造應力高、圍巖強度低等不利因素有關。采用普通支護方法開挖的巷道變形嚴重。在分析巷道破壞特點的基礎上，提出了改進的復合支護方法，并在試驗巷道中實施。該系統由長鉆預注漿管屋面、錨桿、u型鋼支架和噴射混凝土、改進注漿錨索和地面錨索組成。改進后的方案成功地避免了試驗巷道的大變形。監測結果表明，改進后的復合支護方法是一種有效的斷裂帶巷道加固方法。