巷道過(guò)極破碎大斷層影響帶綜合加固技術(shù)研究與應(yīng)用

雷猛 劉小雷

摘要：斷層帶內(nèi)圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，巷道支護(hù)困難。某礦西三C組煤中部采區(qū)矸石膠帶機(jī)上山需穿越F24斷層，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，圍巖內(nèi)賦存高水平地應(yīng)力，巷道處于深部大規(guī)模松軟圍巖內(nèi)。為確保施工安全，快速掘進(jìn)，首先采用超前預(yù)注漿、小循環(huán)注漿對(duì)破碎帶深部區(qū)域局部巖體進(jìn)行加固，而后采用錨索網(wǎng)噴和二次注漿加固，有效消除了巷道過(guò)斷層期間的頂板圍巖冒落、片幫等各種不安全因素。結(jié)果表明，采用上述綜合加固技術(shù)后，巷道圍巖變形控制效果良好，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，對(duì)今后類似巷道穿越大斷層影響帶的支護(hù)方法與施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：斷層破碎帶超前預(yù)注漿二次注漿錨索

0 引言

斷層是礦山巷道、隧道及其它巖石地下工程中經(jīng)常遇到的地質(zhì)構(gòu)造，在多數(shù)情況下，是作為一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的[1]。由于其圍巖破碎、松散，受構(gòu)造應(yīng)力影響應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，依靠常規(guī)的巷道支護(hù)技術(shù)和施工方法很難克服開(kāi)挖期的冒頂、突水等地質(zhì)災(zāi)害和運(yùn)行期大變形引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)破裂失穩(wěn)，因此，通過(guò)斷層的施工技術(shù)方案與措施的選擇顯得極為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞斷層影響下巷道、隧洞圍巖變形與破壞問(wèn)題進(jìn)行了深入而廣泛的研究。劉勇[2]通過(guò)合理的注漿工藝和注漿參數(shù)研究，采用化學(xué)注漿加固圍巖的方法，并采用鉆孔窺視，分析了漿液充填規(guī)律，驗(yàn)證了注漿效果；喬健[3]采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿網(wǎng)支護(hù)、小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)、噴漿和U型鋼結(jié)合壁后充填技術(shù)，保證了穿斷層區(qū)域巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定；劉泉生等[4]采用深淺孔注漿配合錨桿錨索支護(hù)對(duì)斷層帶巷道進(jìn)行了加固，并對(duì)施工期和運(yùn)行期巷道圍巖的穩(wěn)定性演化規(guī)律進(jìn)行了研究；薛翊國(guó),李術(shù)才等[5]采用TSP超前探測(cè)方法，對(duì)青島膠州灣海底隧道過(guò)斷層期間，注漿前后的圍巖情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，豐富了斷層的超前預(yù)報(bào)及注漿效果檢驗(yàn)手段；趙毅鑫等采用超前管棚注漿支護(hù)技術(shù)研究了巷道通過(guò)極復(fù)雜斷層帶面臨的破碎圍巖變形控制問(wèn)題。

研究表明[6-7]，采用超前預(yù)測(cè)、超前注漿（水泥漿、化學(xué)漿等）增強(qiáng)斷層帶內(nèi)巖體的自穩(wěn)強(qiáng)度，并在巷道掘進(jìn)期間及運(yùn)行期間加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與必要的計(jì)算和判斷后作出預(yù)測(cè)與反饋，實(shí)現(xiàn)信息化施工，能夠保證巷道施工安全和圍巖穩(wěn)定。本文將介紹超前預(yù)注漿+小循環(huán)頂板注漿+錨索網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)+二次注漿加固技術(shù)在巷道過(guò)斷層的綜合加固技術(shù)，為類似巷道的加固與支護(hù)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程背景 某礦西三采區(qū)受F24逆斷層影響，將該采區(qū)劃分為上、中部采區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)三維地震勘探資料解釋，F(xiàn)24逆斷層落差20～60m，斷層裂隙帶寬度達(dá)40～60m，且?guī)r體破碎，內(nèi)含裂隙水、構(gòu)造煤、泥流等，影響范圍廣。該礦西三C組煤中部采區(qū)矸石膠帶機(jī)上山為系統(tǒng)巷道，需穿越該斷層，巷道設(shè)計(jì)標(biāo)高-601～-788m。鄰近巷道皮帶機(jī)上山通過(guò)該斷層，掘進(jìn)期間采用架棚被動(dòng)支護(hù)，施工工期達(dá)到3個(gè)月，巷道投入使用至今，已進(jìn)行多次巷修，巷道維護(hù)極為困難。剖面圖見(jiàn)圖1。

1.2 巷道加固方案 根據(jù)三維地震勘探資料和實(shí)際揭露情況，F(xiàn)24逆斷層不僅跨度大，且斷層內(nèi)存在構(gòu)造煤、裂隙水、軟巖、泥流等，在吸取以往施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了該巷道過(guò)F24逆斷層的施工方案。

1.2.1 超前預(yù)注漿加固。巷道掘進(jìn)期間，利用前探鉆孔進(jìn)一步探清構(gòu)造情況，當(dāng)巷道施工至預(yù)計(jì)斷層面法距20m時(shí)，在巷道左右兩幫各施工一個(gè)鉆場(chǎng)，其規(guī)格為寬×高×深=5m×3m×3m，并施工超前預(yù)注漿鉆孔4組共14個(gè)，鉆頭直徑不小于94mm；開(kāi)孔位置在拱基線以上、終孔位置在巷道輪廓線外2.5m，全程下鋼制套管注水泥漿，進(jìn)行超前加固巷道頂板。

①鉆孔施工順序：1-3#孔—4-6#孔—7-9#孔—10-14#孔，每組鉆孔施工完畢及時(shí)注漿，并利用下一茬孔查看注漿效果。

②必須做到施工一個(gè)孔，套管下一個(gè)孔，固一個(gè)孔，防止垮孔。

③注漿選用大功率注漿泵，泵壓不小于14MPa，注漿材料選用PO42.5普通硅酸鹽水泥配合水玻璃，注漿液配比按照水：水泥重量比=1:（0.75～1），水玻璃摻入量按照水玻璃：水泥漿體積比=（0.4～1）：1。

1.2.2 小循環(huán)注漿掩護(hù)。巷道預(yù)注漿完成后，巷道繼續(xù)向前施工，根據(jù)巷道揭露巖性變化情況，在法距斷層面3m位置施工第一組頂板循環(huán)注漿鉆孔，鉆孔數(shù)不少于3個(gè)，深度為3m，鉆頭直徑為32mm；開(kāi)孔位置在巷道拱基線以上，終孔位置在巷道輪廓線上300～1000mm。

根據(jù)久米納能夠快速凝結(jié)加固巖體的特性，利用鉆孔注久米納對(duì)施工巷道前方頂板進(jìn)行再次補(bǔ)充加固，注漿以漿液外露或壓力達(dá)到16MPa保持2分鐘以上為標(biāo)準(zhǔn)；鉆孔掩護(hù)長(zhǎng)度不大于3m，兩循環(huán)一施工，確保巷道掘進(jìn)期間頂板安全。

1.2.3 錨索網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)。在超前預(yù)注漿和小循環(huán)注漿的掩護(hù)下，巷道頂板得到較好地控制，巷道支護(hù)選用錨索網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)形式。

高強(qiáng)錨桿規(guī)格為Φ22×2400mm，間排距700×700mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5mm方格型鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為100×100mm，錨索規(guī)格為Φ22×6300mm，間排距為1400×1600mm，每排布置三根，配合T3鋼帶使用，噴射砼標(biāo)號(hào)C20，噴厚200mm，錨索夠一組施工一組，交叉邁步施工，頂板條件差時(shí)錨索緊跟迎頭，確保一次支護(hù)到位。

1.2.4 二次注漿加固巷道，確保支護(hù)有效。對(duì)巷道受壓情況進(jìn)行觀測(cè)，采用Φ22×6300mm中空注漿錨索（間排距為1600×2400mm，不少于3根/排）注漿對(duì)巷道圍

巖進(jìn)行二次加固，增加巖體主動(dòng)承載能力，提高支護(hù)效果。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立 為了對(duì)比分析超前注漿與否對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件UDEC3.10進(jìn)行計(jì)算。模型為矩形，整個(gè)模型寬50m，高50m。模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng)，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動(dòng)，模型上表面施加18.7MPa的載荷，用來(lái)模擬上覆巖體的自重邊界，兩側(cè)施加1.2倍自重應(yīng)力水平載荷。材料破壞遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。工程巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，節(jié)理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1巖體力學(xué)參數(shù)

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表2巖體節(jié)理參數(shù)

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2.2 計(jì)算結(jié)果分析 巷道圍巖位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3巷道圍巖最大位移量

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由表1結(jié)合圖3（a）塑性區(qū)分布圖可以看出，過(guò)斷層期間，僅采用錨桿錨索支護(hù)對(duì)巷道圍巖控制效果很差，計(jì)算不收斂，錨桿、錨索間有塊體掉落，底鼓嚴(yán)重，頂?shù)装逡平繛榻?100mm，兩幫移近量為1200mm，巷道空間基本被填實(shí)，巷道周邊10m范圍內(nèi)均產(chǎn)生了塑性破壞；圖3（b）為超前預(yù)注漿及小循環(huán)掩護(hù)注漿后，巷道圍巖塑性區(qū)主要分布在底板6m，頂板2.5m范圍內(nèi)，較未注漿前顯著減小，頂?shù)装逡平考s860mm左右，兩幫230mm，巷道變形仍較大；圖3（c）為錨梁網(wǎng)支護(hù)后，采用中空注漿錨索再次注漿，強(qiáng)化圍巖，巷道塑性區(qū)范圍進(jìn)一步縮小，頂板2m，底板3m范圍內(nèi)產(chǎn)生了塑性區(qū)，巷道頂?shù)装逡平考s為220mm，兩幫移近量約70mm，與后期觀測(cè)結(jié)果一致。

3 實(shí)施效果

①掘進(jìn)期間揭露情況表明，超前預(yù)注漿后，漿液擴(kuò)散半徑2.5m范圍內(nèi)巖體充填完整。

②巷道掘進(jìn)過(guò)程未出現(xiàn)片幫、掉頂事故，巷道一次支護(hù)到位，頂幫有微量位移，局部地點(diǎn)有炸漿皮現(xiàn)象，總體支護(hù)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

③通過(guò)后期對(duì)巷道位移觀測(cè)，巷道穩(wěn)定性得到有效保證，極大提高了巖體的自身承載能力及抗變形能力，開(kāi)挖成型巷道位移量及收斂速率顯著減少，實(shí)現(xiàn)了一次成巷，后期未出現(xiàn)返修現(xiàn)象。

4 結(jié)論

①在探清地質(zhì)構(gòu)造情況下必須提前采取措施，超前長(zhǎng)鉆孔注漿可有效超前加固破碎帶巖體，對(duì)后期主動(dòng)支護(hù)打下基礎(chǔ)。

②對(duì)局部地質(zhì)構(gòu)造不清楚或突然揭露構(gòu)造帶，利用循環(huán)注漿（化學(xué)材料）加固措施可有效實(shí)現(xiàn)短、平、快的控制特殊地質(zhì)情況作用。

③特殊地質(zhì)構(gòu)造帶由于其所處地質(zhì)條件和地應(yīng)力相對(duì)集中，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布，為更好的鞏固主動(dòng)支護(hù)效果，必須進(jìn)行二次注漿加固圍巖，增加巖體自主承載能力。

④通過(guò)巷道實(shí)際揭露情況可以看出，超前預(yù)注漿對(duì)破碎圍巖裂隙進(jìn)行充填膠結(jié)，圍巖裂隙減少，增加了圍巖完整性，提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

雷猛（1986-），男，貴州遵義人，助理工程師，本科，安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦生產(chǎn)技術(shù)科，主要從事礦井設(shè)計(jì)工作。