掘進(jìn)工作面過(guò)斷層帶施工技術(shù)和支護(hù)方法研究

曹 東

（新疆天富小溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832026）

我國(guó)大多數(shù)井田開(kāi)采范圍內(nèi)都含有斷層等不良地質(zhì)條件，斷層帶圍巖體一般較為破碎，采掘工作遇到斷層破碎帶時(shí)，應(yīng)采取專(zhuān)門(mén)的施工方法和支護(hù)措施，以安全順利地通過(guò)斷層破碎帶[1-3]。因此，研究掘進(jìn)工作面過(guò)斷層破碎帶時(shí)的施工技術(shù)和支護(hù)方法很有必要[4-5]。

1 工程概況

新疆天富小溝礦業(yè)位于石河子市西南部，距離石河子市區(qū)75km，井田走向長(zhǎng)度3.5km，傾向?qū)挾?.9km，面積約3.47km2。井田范圍內(nèi)有F1、F2、F3三條大的斷層帶。F1斷層傾向南西，傾角60°～65°，南盤(pán)下降，北盤(pán)抬升，F(xiàn)2斷層總體呈285°～115°方位延伸，F(xiàn)3斷層呈50°～230°方向延伸。首采工作面采區(qū)巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇到F1斷層，需采取特定的措施。

2 施工技術(shù)

2.1 超前支護(hù)

掘進(jìn)工作面遇到斷層破碎帶時(shí)，為保證施工的安全，應(yīng)當(dāng)采取專(zhuān)門(mén)的施工技術(shù)和措施，以順利通過(guò)斷層帶。根據(jù)首采掘進(jìn)工作面斷層破碎帶分布范圍較大且圍巖體破碎程度嚴(yán)重、圍巖強(qiáng)度較低的實(shí)際情況，提出采用超前管棚加圍巖體注漿的聯(lián)合超前支護(hù)技術(shù)。管棚的布置參數(shù)如下：在距離斷層30m左右時(shí)，開(kāi)始布置管棚超前支護(hù)，管棚半徑32mm，間距布置為180mm。管棚采用長(zhǎng)短交錯(cuò)布置的方式，長(zhǎng)管棚為30m，短管棚為25m，管棚傾角為15°。管棚布置完成后，需進(jìn)行圍巖體注漿，圍巖體注漿壓力、漿液類(lèi)型、注漿量等參數(shù)直接影響和決定注漿的效果。注漿可使松散破碎的圍巖體膠結(jié)成整體，大大提高圍巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。根據(jù)掘進(jìn)工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，選取水泥單漿作為注漿漿液，注漿壓力2.3MPa。

2.2 施工措施

在完整巖層帶一般采用掘進(jìn)機(jī)或光面爆破的方法全斷面掘進(jìn)，以提高掘進(jìn)速度，但在斷層破碎帶區(qū)則不宜使用該類(lèi)方法。因過(guò)大的斷面會(huì)使原本就破碎的巖層發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而造成事故，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。為避免這種情況的發(fā)生，提出采用臺(tái)階施工法通過(guò)斷層破碎帶。臺(tái)階施工的具體參數(shù)為：采用上下兩臺(tái)階施工。為使施工作業(yè)有足夠的空間，上下臺(tái)階分層高度均取2m，臺(tái)階長(zhǎng)度取2.5m，寬度取3m。當(dāng)上層臺(tái)階施工完成后，應(yīng)對(duì)已經(jīng)施工完畢形成的巷道凈斷面進(jìn)行加固和支護(hù)，采用注漿U型鋼等加固措施，待加固完成后再進(jìn)行下分層的施工。下分層施工完成后同樣需對(duì)揭露的巷道斷面及底板進(jìn)行充分的支護(hù)，如此循環(huán)進(jìn)行，直至穿過(guò)斷層破碎帶，進(jìn)入穩(wěn)定圍巖10～15m距離。圖1為超強(qiáng)管棚支護(hù)示意圖。

圖1 管棚超前支護(hù)

3 支護(hù)方案

為提高對(duì)斷層破碎帶的支護(hù)效果，并對(duì)斷層破碎帶圍巖體進(jìn)行加固，充分減少圍巖體的不良效應(yīng)，經(jīng)過(guò)分析決定采用“U型鋼網(wǎng)噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”聯(lián)合支護(hù)方法。

3.1 U型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件和原巖應(yīng)力經(jīng)計(jì)算，確定采用U29型鋼作為支護(hù)材料，U29型鋼需制作成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。為使U型鋼形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，型鋼采用三節(jié)段制作而成，要求每段搭接長(zhǎng)度不小于300mm，同時(shí)，U型鋼內(nèi)圈采用8根Φ16 mm圓鋼拉桿連接，以充分發(fā)揮承載能力。U29型鋼采用700mm的排距，待U29型鋼和鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)完成后，進(jìn)行初次噴混凝土作業(yè)；之后，再鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行二次噴射混凝土，二次噴射混凝土厚度為50mm。首次支護(hù)的示意圖如圖2所示。

3.2 二次支護(hù)結(jié)構(gòu)

選取鋼筋混凝土襯砌支護(hù)為二次支護(hù)形式。二次支護(hù)具體參數(shù)如下：二次襯砌的轉(zhuǎn)角等應(yīng)力集中部位如拱頂、拱肩及仰拱的底部需采用螺紋鋼進(jìn)行加固。經(jīng)過(guò)計(jì)算，螺紋鋼尺寸選用Φ22mm螺紋鋼，螺紋鋼間距取200mm，鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行整體澆筑，澆筑采用C40的混凝土，保護(hù)層厚度取400mm。二次支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 首次支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖3 二次支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3.3 壁后充填注漿加固

為消除圍巖體表面不平整或支護(hù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則造成的局部應(yīng)力集中或局部支護(hù)阻力不夠等情況，需進(jìn)行圍巖體注漿和壁后充填。壁后充填能消除支護(hù)應(yīng)力分布不均勻的影響，且可充分提高U29型鋼和鋼筋混凝土襯砌的承載力，改善其支護(hù)性能。注漿管應(yīng)提前預(yù)埋，注漿管間距、排距為1.5m×1.4 m，注漿口外露長(zhǎng)度不小于20mm。二次支護(hù)完成后即可通過(guò)預(yù)埋的管道進(jìn)行注漿和壁后充填施工。為避免注漿管堵塞，注漿之前可用鉆頭清孔，清空深度約1m，注漿漿液采用水玻璃。為保障注漿效果，注漿壓力為2～2.5MPa。

4 支護(hù)效果分析

為進(jìn)一步分析和了解所 “U型鋼網(wǎng)噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)斷層破碎帶的支護(hù)效果，在FLAC3D中建立了有限元模型，對(duì)巷道圍巖變形，最大、最小主應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行了分析研究，如圖4所示。

圖4 支護(hù)效果分析

從圖4中分析可知，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖體的總位移量明顯減小，最大位移發(fā)生在底板兩角處，這是由于地應(yīng)力在巷道角部集中所造成的，掘進(jìn)巷道頂板和兩幫的位移量分布較為均勻，且位移量較小，僅為0.1m左右?？梢?jiàn)圍巖和兩幫的位移已得到有效的控制，從最大、最小主應(yīng)力分布圖中可以看出，巷道的圍巖應(yīng)力分布較為均勻，受力情況明顯改善。從以上分析可知，針對(duì)掘進(jìn)工作面過(guò)斷層破碎帶提出的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有較好的支護(hù)效果，可保證掘進(jìn)工作面安全順利地通過(guò)斷層。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)新疆天富小溝礦業(yè)掘進(jìn)工作面遇到斷層的情況，提出了掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶時(shí)采用超前支護(hù)與臺(tái)階施工法相結(jié)合的施工技術(shù)；

（2）提出采用“U型鋼網(wǎng)噴+鋼筋混凝土襯砌+后注漿”對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行永久支護(hù)，并在有限元軟件中對(duì)該支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行了分析，效果良好。