陳文云

（同煤集團(tuán)晉華宮煤礦，山西 大同 037000）

0 引言

煤礦巷道施工經(jīng)常穿越斷層及其破碎帶等不良地質(zhì)區(qū)域，這些區(qū)域的巖層具有構(gòu)造發(fā)育、低強(qiáng)度、透水性高、易于變形等軟巖特征，因此是巷道圍巖控制的重難點(diǎn)區(qū)域。晉華宮礦12#層集中軌道上山穿越長溝支五斷層破碎帶及軟弱巖層帶，圍巖呈現(xiàn)軟巖特征。在礦山壓力作用下，圍巖松動范圍大，周圍地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜巷道受動壓影響情況較明顯，巷道變形，四周來壓嚴(yán)重。因此，根據(jù)圍巖的破壞特性進(jìn)而進(jìn)行膨脹性軟巖巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，對保證巷道圍巖有效控制，滿足307區(qū)生產(chǎn)時運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等需要，及保障該礦的采掘接替具有重要意義。

1 巷道圍巖分類及變形破壞特征

晉華宮礦12#層307盤區(qū)集中軌道運(yùn)輸巷按照+10°進(jìn)入未開采的12#層307盤區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，在掘進(jìn)過程中會穿越3條斷層，其中以長溝支五斷層落差為80-280m，穿越地層依次為粉砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟弱巖層；斷層破碎帶圍巖裂隙發(fā)育，且有斷層角粒砂涌出，對巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大。如圖1所示。

圖1 12#層307盤區(qū)集中軌道上山破碎帶剖面圖

根據(jù)圖1，采用工程巖體分類中GSI（地質(zhì)因子方法）及巖體完整性系數(shù)[1-3]，評定得到GSI的量化值[4-5]，將12#層307盤區(qū)集中軌道上山圍巖類別分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類，即位于離12#層307盤區(qū)開拓巷道起坡點(diǎn)311m、257m、296m處，分別代表粉砂質(zhì)泥巖（Ⅴ類圍巖）、砂泥互層（Ⅳ類圍巖），細(xì)砂巖（Ⅲ類圍巖），依次描述如下：

Ⅴ類圍巖：本段為粉砂質(zhì)泥巖，本層巖層厚度11m，長約29m，用硬物擊打易裂成碎片，粉砂質(zhì)泥巖主要成分為粘土礦物,含少量粉砂質(zhì)。遇水后短時間內(nèi)迅速膨脹、崩解和軟化。圍巖變形速度快、變形量大。一般來說，巷道掘進(jìn)的第1～2天，所取的巖樣取出后在地表暴露約一月后的即風(fēng)化成碎塊。在之前的錨網(wǎng)支護(hù)下一個月時間巷道還是發(fā)生明顯的斷面收縮，頂板下沉嚴(yán)重。

Ⅳ類圍巖：本段為砂泥巖互層，本層巖層厚度12m，長約90m，是粉砂巖中夾有大量淺綠灰色泥巖，水平層理，在巷道開挖擾動后裂紋發(fā)育，且遇水具有膨脹性，頂板變形量較大，出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，前期用于支護(hù)的錨桿錨固力松弛嚴(yán)重。Ⅲ類圍巖：本段為細(xì)砂巖，本層巖層厚度15m，長約57m，淺灰色，成分石英、長石，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，雖然細(xì)砂巖強(qiáng)度較高，但由于處于斷層破碎帶，其完整性受到較大的破壞，泥質(zhì)膠結(jié)，屬于較軟巖。

2 巷道圍巖變形破壞因素分析

12#層307盤區(qū)集中軌道巷圍巖的穩(wěn)定取決于地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、圍巖強(qiáng)度及巷道支護(hù)方法等，根據(jù)前述分析，該礦過斷層破碎帶膨脹性軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理如下：

1）圍巖裂隙發(fā)育。由于12#層307盤區(qū)集中軌道上山穿過長溝支五斷層，構(gòu)造區(qū)圍巖受到斷層的張拉、牽引作用，裂隙發(fā)育、圍巖破碎，自穩(wěn)能力差。

2）圍巖巖性差，遇水泥化。從12#層307盤區(qū)集中軌道上山揭露及前期探孔的巖性看，斷層帶主要由斷層泥及泥質(zhì)巖類組成。受水的影響大，遇水后膨脹泥化，軟化性強(qiáng)，，遇水后強(qiáng)度急劇降低，進(jìn)而失去了承載能力。

3）涌水。該礦頂?shù)咨皫r水，為一弱含水層，裂隙儲水，受裂隙及構(gòu)造發(fā)育程度控制，不同的地段存在明顯的差異，屬靜儲量水。但淋水緊跟迎頭，給施工造成一定的不便。

4）原支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度低。原多采用長度1.8m的錨桿，且不能及時施加預(yù)緊力，造成圍巖過早離層、變形。巷道掘進(jìn)后，圍巖暴露在潮濕的環(huán)境中，泥質(zhì)類巖層吸水后強(qiáng)度降低，膨脹軟化，甚至片狀或塊狀脫落，變形量大，造成錨固失效，支架工況惡劣。

5）巷道圍巖流變。由于斷層帶圍巖軟弱，巷道穩(wěn)定性指數(shù)（巷道所處位置最大主應(yīng)力與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度的比值）達(dá)到0.65左右，圍巖在高應(yīng)力作用下，巷道將會發(fā)生較高速率的蠕變變形。

從上述分析可以看出，要控制斷層帶軌道上山的變形，必須采用主動和被動相結(jié)合的方式。

3 巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

以Ⅴ類巖（粉砂質(zhì)泥巖）為研究對象進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法如下：鋼支架作為基本支護(hù)護(hù)表，防止破碎圍巖的垮落；噴砼封閉圍巖，防止圍巖表面風(fēng)化；巷道拱肩、拱腳及兩幫、拱頂?shù)纫讚p關(guān)鍵部位注漿改性，提高圍巖的整體性及其殘余強(qiáng)度，提高了其自承載能力，增強(qiáng)錨桿錨固效果；底拱梁控制底鼓；通過結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索將鋼支架-錨索進(jìn)行耦合，形成一個支護(hù)整體來控制圍巖的變形，發(fā)揮主-被動支護(hù)各自的優(yōu)點(diǎn)。

12#層307盤區(qū)集中軌道巷上山斷面：S掘=11.65m2，S 凈 =10.13m2，掘?qū)?3.72m，凈寬 3.6m,墻高1.56m，掘高3.42m，凈高3.36m。為便于理論分析，假設(shè)巷道斷面為圓形，其當(dāng)量半徑為2.12。

3.1 錨固長度和支護(hù)阻力

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)，將巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)簡化為：容重24kN/m，單軸抗壓強(qiáng)度σc13.86MPa，粘結(jié)力（c）0.67MPa，內(nèi)摩擦角（φ）24°，彈性模量（E）0.221GPa，泊松比（μ）0.25。根據(jù)理論計(jì)算的需要，假設(shè)巷道處于靜水壓力應(yīng)力環(huán)境中，采用理想彈塑性模型，圍巖的剪切擴(kuò)容系數(shù)=1，計(jì)算得到塑性區(qū)半徑R=6.17m，塑性區(qū)厚度L=R-r=4.05m，則錨索長度硬等于塑性區(qū)厚度、錨固長度（通常為2000mm）與錨索端部長度（一般露出長度為300mm）的和，古錨索總長度為6350mm，取6.5m。

支護(hù)阻力Pa與巷道圍巖的徑向位移u的關(guān)系可用修正的芬納公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：c為圍巖內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σz為圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)；μ為泊松比、R為塑性區(qū)半徑。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道施工后支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用發(fā)揮之前圍巖的初始移近量為400mm左右，可知u=200mm，把巖體物理力學(xué)參數(shù)帶入上式，可得到Pa=1.42MPa。

3.2 錨桿-錨索支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

12#層307盤區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶設(shè)計(jì)選用的為高強(qiáng)左旋無縱筋紋鋼錨桿，規(guī)格為：φ22×2400mm，間排距：700×700mm，鉆孔直徑28mm，錨固長度不小于1200mm。錨桿錨固預(yù)緊力不低于80kN，布置如圖2所示；錨索設(shè)計(jì)選用的為7股高強(qiáng)度地松弛鋼紋線錨索，規(guī)格為φ17.8×6500mm，間排距：1400×1400，鉆孔直徑 28mm，錨固長度不小于2000mm。錨桿錨固預(yù)緊力不低于150kN，錨索安裝角度垂直于巷道壁面。則錨桿-錨索支護(hù)強(qiáng)度P錨桿為0.306MPa。

3.3 注漿固結(jié)區(qū)承載能力驗(yàn)算

12#層307盤區(qū)軌道上山注漿加固施工時應(yīng)先安裝注漿錨桿，而后噴射混凝土，再進(jìn)行注漿。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單孔注漿量為 1～1.5m3，注漿壓力 0.1～1.5MPa，注漿流量3.0～3.5m3/h，漿液為水泥－水玻璃單液漿，水灰比0.75：1.525礦渣硅酸鹽水泥，注漿管規(guī)格：φ22×2500mm，注漿孔布置間距1600mm，排距1600mm。則圓形巷道注漿加固圈的承載力由其強(qiáng)度確定：

式中：[σ]為注漿固結(jié)體的有效強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為1MPa；R1為注漿加固圈半徑，對于12#層307盤區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶已知R0=2.12m，R1=2.5m，帶入式子計(jì)算得P1=0.40MPa。

圖2 錨桿、錨索、注漿布置示意圖

3.4 U36型鋼全封閉剛性支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

12#層307盤區(qū)集中軌道上山斷層破碎帶采用主動與馬蹄形全封閉剛性支架耦合支護(hù)方案，即采用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式。采用U36型鋼，支架排距1400mm，噴砼厚度150mm。把U36全封閉支架看做圓形支架進(jìn)行支架強(qiáng)度計(jì)算，公式如下：

式中：S鋼為型鋼的橫截面積，U36型鋼橫截面積為45.7×10-4m2；σ鋼為型鋼的極限強(qiáng)度，U36型鋼極限強(qiáng)度為520N/mm2；r為為圓形巷道半徑，為2.12m；h鋼為型鋼斷面高度尺寸，為0.138m；L鋼為架間距，為1.4m。則支架的支護(hù)強(qiáng)度P2為0.752MPa。

所以，錨網(wǎng)索+注漿+封閉支架支護(hù)系統(tǒng)所提供的支護(hù)強(qiáng)度為：

P=P錨桿+P錨索+P1+P2=0.306+0.102+0.40+0.752=1.56MPa

已知該支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)大于圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)強(qiáng)度1.56MPa，加上噴砼后，采用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式滿足圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)強(qiáng)度。

4 施工工藝及支護(hù)效果

施工工序?yàn)椋壕蜻M(jìn)斷面→臨時支護(hù)→安裝錨桿→初噴砼30mm→安裝U型鋼支架→安裝錨索→噴漿至給定厚度150mm→安裝注漿錨桿→注漿。

在過斷層破碎帶粉砂質(zhì)泥巖段的軌道上山長度為29m，在中間位置布置一個測站，觀測內(nèi)容：頂沉、底鼓、兩幫相對移近量。巷道在掘出10天后，變形速率開始減小，但變形量逐漸增加，3個月后，變形速率降低到0.5mm/d以下；其中頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?6mm，其中，頂沉 38mm，底鼓58mm，兩幫相對移近量為106mm。巷道表面沒有出現(xiàn)混凝土開裂和錨桿斷裂的現(xiàn)象。但由于巷道圍巖松軟、破碎，要加強(qiáng)礦壓觀測，如果發(fā)現(xiàn)巷道變形速度加快，必須要進(jìn)行支架壁后注漿等強(qiáng)化支護(hù)措施。

5 結(jié) 論

1）通過完整性系數(shù)與巖體的風(fēng)化評定從而得到GSI的量化值，采用工程巖體分類中GSI（地質(zhì)因子方法），將12#層307盤區(qū)巷道初步進(jìn)行分為Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖；介紹了原支護(hù)采用錨網(wǎng)噴永久支護(hù)，對于斷層破碎帶各類圍巖的變性破壞進(jìn)行了表征，進(jìn)而分析了12#層307盤區(qū)集中軌道上山過斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞的原因。

2）選用錨網(wǎng)索+噴砼+注漿+封閉支架耦合支護(hù)形式能夠滿足圍巖穩(wěn)定所需要的支護(hù)強(qiáng)度。礦壓觀測表明：采用封閉支架+噴砼+注漿+錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方式能夠滿足斷層帶巷道圍巖控制的要求。