斷層密集帶煤礦巷道改進(jìn)復(fù)合支護(hù)體系

王曉波

（山西同煤集團(tuán)朔州煤電公司，山西 朔州038300）

山西西北部礦區(qū)斷層密集帶的巷道支護(hù)不足已經(jīng)成為問(wèn)題。該礦區(qū)普遍存在斷層密集的斷裂帶。穿越斷裂帶的巷道常發(fā)生嚴(yán)重變形，已成為該礦區(qū)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。斷層密集，眾多巷道嚴(yán)重受損。在斷裂帶，嚴(yán)重的頂板凹陷和底鼓十分常見(jiàn)，如圖1所示。這類(lèi)故障需要反復(fù)維修，最終會(huì)阻礙正常生產(chǎn)，增加總成本。

圖1 礦區(qū)裂隙密集巷道的典型破壞模式

1 地質(zhì)條件

1.1 F104斷裂帶的地質(zhì)條件

F104斷裂帶由幾條主要斷層組成。該區(qū)域巖體裂隙極為嚴(yán)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(kāi)挖擾動(dòng)。該斷裂帶圍巖主要為砂質(zhì)泥巖、煤、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

圖2 F104斷裂帶已開(kāi)挖巷道掘進(jìn)工作面照片

1.2 F104斷裂帶巷道支護(hù)困難的關(guān)鍵因素

斷層帶巷道的穩(wěn)定性受多種地質(zhì)因素的影響。F104斷裂帶的地質(zhì)條件不利于巷道的穩(wěn)定性。以下幾個(gè)關(guān)鍵因素會(huì)給巷道支護(hù)帶來(lái)困難，在設(shè)計(jì)支護(hù)策略時(shí)應(yīng)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(qiáng)度的重要因素。斷裂帶內(nèi)的密集裂隙對(duì)巷道的穩(wěn)定性是不利的。研究表明，在破碎巖體中更容易發(fā)生剪切破壞。整體性差已成為影響巷道支護(hù)的重要因素。

一般情況下，通過(guò)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(kāi)挖引起的裂縫可通過(guò)注漿管或注漿螺栓/錨索進(jìn)行后注漿加固。然而，當(dāng)開(kāi)挖前地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生密集裂隙時(shí)，預(yù)注漿是防止巷道大規(guī)模變形的有效方法。

1.2.2 構(gòu)造應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度低

高構(gòu)造應(yīng)力是裂縫密集帶的典型地質(zhì)特征之一。強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使巖層破碎成無(wú)數(shù)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(lái)了很多困難。高地應(yīng)力和低強(qiáng)度圍巖是影響巷道變形的重要因素。

1.2.3 裂隙水

總而言之，應(yīng)用型本科院校應(yīng)緊緊跟隨新時(shí)代改革的步伐，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的浪潮里勇往直前，成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的領(lǐng)軍者。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是電子商務(wù)課程改革的方向標(biāo)，電子商務(wù)課程改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育互相支撐，時(shí)刻以學(xué)生為本位，促進(jìn)應(yīng)用型本科院校的整體發(fā)展。

F104斷裂帶的致密裂縫為裂縫水的儲(chǔ)存提供了有利條件。因此，在斷層帶掘進(jìn)往往伴隨著裂隙水的釋放。眾所周知，水會(huì)削弱巖石，甚至導(dǎo)致巖石膨脹。此外，有些類(lèi)型的巖石，如泥巖，在水中浸泡后會(huì)迅速分解。因此，裂縫水是破壞斷層帶巷道穩(wěn)定性的另一個(gè)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(yīng)克服裂縫水壓力。此外，灌漿水泥的固化也會(huì)受到地下水的影響。

2 改進(jìn)復(fù)合支護(hù)法

根據(jù)對(duì)F104斷裂帶巷道支護(hù)難點(diǎn)關(guān)鍵因素的分析，對(duì)改進(jìn)后的支護(hù)體系應(yīng)采取特殊措施。

2.1 詳細(xì)的支持系統(tǒng)

2.1.1 開(kāi)挖前進(jìn)行預(yù)注漿

在掘進(jìn)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(gè)直徑為110 mm的注漿孔（見(jiàn)圖3）。設(shè)計(jì)鉆孔范圍為頂板、側(cè)壁約10 m，底板以下約5 m。

設(shè)計(jì)注漿壓力為12～15 MPa。預(yù)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(yè)鹽（0.5%）和三乙醇胺（0.05%）。

注漿可采用壓力法，有利于擴(kuò)大注漿范圍。預(yù)加固巖體可以使工作環(huán)境更加安全。且較厚的注漿管（圖3-4）可形成管頂結(jié)構(gòu)，有利于開(kāi)挖后巷道的穩(wěn)定。

圖3 超長(zhǎng)預(yù)注漿孔布置示意圖（m）

2.1.2 預(yù)注漿后支護(hù)措施的改進(jìn)

預(yù)注漿改善了斷裂帶裂隙巖體的完整性和強(qiáng)度。當(dāng)預(yù)灌漿水泥達(dá)到規(guī)定的高強(qiáng)度數(shù)天后，巷道開(kāi)挖即可進(jìn)行。根據(jù)預(yù)注漿后圍巖的特點(diǎn)，對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行改進(jìn)，加固效果較好。

與帶式巷道支護(hù)系統(tǒng)相比，主要區(qū)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?yàn)閹较锏涝陂_(kāi)挖前沒(méi)有預(yù)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(jìn)。

注漿電纜的改進(jìn)。注漿錨索是淮南礦區(qū)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的巖石加固技術(shù)。內(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)。雖然以前的產(chǎn)品在某些條件下表現(xiàn)良好，但也有一些缺點(diǎn)。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(huì)降低纜索的強(qiáng)度。因此，在帶巷安裝幾個(gè)月內(nèi)，大量注漿電纜被破壞，如圖4所示。因此，在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行一些改進(jìn)。

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(jié)構(gòu)中增加了實(shí)心鋼絞線(xiàn)，將周?chē)摻g線(xiàn)與心鋼絞線(xiàn)的間隙用作水泥漿體，使水泥漿體以更低的阻力流動(dòng)。鋼芯絞線(xiàn)可以提高鋼索的強(qiáng)度（當(dāng)直徑為21.8 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度可超過(guò)420 kN），比之前的產(chǎn)品提高約20%。新型注漿錨索在斷裂帶具有良好的應(yīng)用效果。

2.1.3 地面注漿電纜

帶式巷道底鼓嚴(yán)重，需要加大支護(hù)強(qiáng)度。后灌漿是防止新裂縫擴(kuò)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(shí)驗(yàn)巷道的支護(hù)效果

3.1 井眼成像

利用鉆孔成像儀器觀(guān)測(cè)圍巖的完整性。圖5-1、5-2中未進(jìn)行預(yù)注漿開(kāi)挖的帶式隧洞圍巖完整性較差。圖5-3、5-4為預(yù)注漿后實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)部圖像。注漿后鉆孔更加完整，證明預(yù)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(zhì)條件十分相似。設(shè)立了幾個(gè)監(jiān)測(cè)站來(lái)監(jiān)測(cè)巷道壁的位移。實(shí)驗(yàn)巷道典型位移曲線(xiàn)如圖6-1、6-2所示，與之前開(kāi)挖的帶式巷道相比，改進(jìn)的支護(hù)策略有效控制了實(shí)驗(yàn)巷道的變形。側(cè)壁位移約為0.3 m，遠(yuǎn)低于帶式巷道。在淮南礦區(qū)，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(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不需要立即修理。開(kāi)挖4個(gè)月后，地表位移率已經(jīng)下降到1.0 mm/d，在這樣的地質(zhì)條件下已經(jīng)比較滿(mǎn)意。

3.3 螺栓和電纜的軸向力

安裝了壓力儀表來(lái)監(jiān)測(cè)螺栓和電纜的軸向力。電纜和螺栓首先用膠囊樹(shù)脂錨定。幾天后進(jìn)行后灌漿時(shí)，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(nèi)增大，錨桿、纜索開(kāi)始限制巷道變形。之后，軸向力逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。

4 結(jié)語(yǔ)

F104斷裂帶巷道穩(wěn)定性與裂縫密集、整體性差、裂隙水、構(gòu)造應(yīng)力高、圍巖強(qiáng)度低等不利因素有關(guān)。采用普通支護(hù)方法開(kāi)挖的巷道變形嚴(yán)重。在分析巷道破壞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的復(fù)合支護(hù)方法，并在試驗(yàn)巷道中實(shí)施。該系統(tǒng)由長(zhǎng)鉆預(yù)注漿管屋面、錨桿、u型鋼支架和噴射混凝土、改進(jìn)注漿錨索和地面錨索組成。改進(jìn)后的方案成功地避免了試驗(yàn)巷道的大變形。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，改進(jìn)后的復(fù)合支護(hù)方法是一種有效的斷裂帶巷道加固方法。