摘要：针对袁店一井煤矿 103 采区轨道大巷埋深大、地应力高、构造复杂、岩层破碎、强度较低的特点，为最大限度地减小巷道翻修频率和成本，延长巷道的使用寿命，采取了针对性分段支护方案，收到了预期效果，确保了巷道安全快速穿过地破碎带，取得了良好的围岩控制效果。为大埋深、大断面巷道安全快速穿过大断层，提供了宝贵经验和借鉴价值。
关键词：大断面；大断层；分段治理；联合支护
1 工程概况
103 采区位于袁店井田东部，采区总体上为一走向 NW，倾向 NE 的单斜块段，无明显的褶曲构造，断层走向主要为 NE 向和 NEE 向。区内地层走向 120～150°，倾向 NE，地层倾角较平缓，一般 6～16°，平均倾角 8°，浅部稍缓，深部陡。三维地震控制断层格局，局部钻孔验证，如图 1.1 所示。本采区地质构造类型为Ⅲ类，本采区共揭露断层共10条，均为正断层，其中F1断层落差300~450 米。
103 采区轨道大巷埋深-720~-725m，布置在 10 煤层底板岩石中，巷道内岩石以泥岩、粉砂岩为主，巷道平行于 10 煤，法距在 20m-25m 之间，设计工程量 1400 米，设计断面：宽×高=5.2×4.2m，采用锚网喷砼支护。
2 断层破碎带巷道变形破坏因素分析
断层附近煤岩体一般较为破碎，再加上巷道开挖后围岩应力状态恶化，围岩变得更为破碎。断层附近围岩应力高、围岩的峰后力学特性是围岩变形破坏的重要原因。
（1）围岩应力高
原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的，在巷道开挖的整个过程中，原岩应力一直对开挖起作用。根据实测袁店一井煤矿-470m 回风大巷至 101 采区皮带大巷，垂直应力变化为 12.40~19.33 MPa，中间主应力变化为 12.48~19.22 MPa。可见，随埋深的增加垂直应力也随着增大，中间主应力与垂直应力较为接近，且与埋深基本成正比关系。
通过对袁店一井邻近采区地应力测量，构造应力以水平应力为主且具有较强的方向性，最大主应力为 26.04~26.25MPa，最小主应力为 12.48~14.00MPa，最大主应力是最小主应力的 1.63～2.09 倍，侧压系数为 1.35~1.41。巷道开挖后，在高应力作用下岩块沿结构面剪切滑移，破碎围岩易于发生进一步破坏。
（2）应变软化特性
岩石超出峰值应力后仍具有一定的承载能力，而这一承载能力随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的应变软化现象。对于断层带的破碎岩体，在开挖卸载以后，如果不加以控制，随着变形的增大，承载力的降低，破碎煤岩体将进入摩擦阶段，最终导致煤岩体的破坏而片帮或冒顶。
（3）体积膨胀特性
通过对泥岩和砂岩进行三轴压缩试验可知：无论是低围压还是高围压情况下较大的体积膨胀均是在岩石破坏后立即出现的；在残余强度阶段，即使不增加载荷，体积也会不断增大，这说明巷道围岩的严重变形是岩体变形破坏后的力学行为。对于断层带破碎岩体，其峰后体积应变比峰值前一般大 1～2 个数量级。因此，在一定意义上可以说，控制断层破碎带巷道围岩变形即为控制围岩破碎后的体积膨胀。
3 过断层支护原理
3.1 支护原则
在多数情况下，断层破碎带是作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带存在的，与其两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异。巷道穿越断层破碎带地段时，地质条件具有复杂性和突变性，造成围岩压力具有来压迅猛，围岩变形很大，巷道四周同时来压和持续流变，以及对水、扰动等极敏感等特征。因此，必须针对这些特性采取正确的支护原则和措施。鉴于袁店一井 103 采区大巷埋深大、地应力高、构造复杂、岩层破碎、强度较低的特点，采取“分段治理、因地制宜”的支护原则。
1）构造影响区域
巷道掘进至 F1 大断层附近时，受到 F1 大断层及邻近断层带的影响，围岩应力较为集中，为了减少后期巷道围岩的变形，此时应充分释放围岩压力，形成发挥围岩自承能力的内部支承环，刚柔结合，保证稳定。本阶段支护采用锚网喷支护和注浆联合支护等主动支护方法。采用锚网喷支护可以最大限度的释放围岩应力。利用注浆锚杆、注浆锚索对围岩进行注浆加固，可使支护结构和注浆后的围岩形成一个整体承载结构，维持围岩的稳定。
2）断层岩体较稳定区域
巷道掘进到该区域，由于断层带中岩块状胶结程度较高，开挖后围岩具有一定的自稳能力。此时采用以锚注支护为核心，再辅以 U 型钢架棚支护的联合支护方式。通过锚注支护，改善围岩物理力学性能，充分提高围岩自身承载能力；利用 U 型棚拱形可缩支架的可缩性能和一定的支撑能力强化对巷道顶部、两侧的约束能力，从而保证支护结构的稳定。
3）断层岩体破碎区域
巷道掘进到断层破碎带时，顶板岩层胶结程度低，开挖后自稳能力差，空顶自稳时间很短且随掘随冒，以 U 型棚为基础的超前预注浆结合喷棚锚注综合支护技术。采用超前预注浆的方式不仅固结了破碎顶板，还改善了围岩的物理力学性能，为架设 U 型棚赢得了时间，同时为锚注支护创造条件，大大地提高了支护效果。
4 支护方案及参数设计巷道穿过断层区域，围岩较破碎，巷道压力较大，顶板管理较困难，给巷道施工带来较大的难度，造成前掘后修、支护强度不能满足安全生产需求的局面。为此，在考虑到断层处围岩赋存条件变化频繁和差异较大的基础上，根据袁店一矿 103 采区轨道大巷具体工程地质条件，本着“分段治理、因地制宜”的支护原则，为最大限度地减小巷道翻修频率和成本，延长巷道的使用寿命，提出以下针对性分段支护方案：①第一阶段（构造影响区域）： “锚网喷+锚注”联合支护方案；②第二阶段（断层岩体较稳定区域）：“U 型钢+锚注”联合支护方案；③第三阶段（断层岩体破碎区域）：“超前预注浆+ U 型钢+锚注”联合支护方案。
4.1“锚网喷+锚注”联合支护方案
采用全螺纹高强锚杆进行锚梁网喷进行初次支护，采用注浆锚杆和注浆锚索进行二次锚注支护。巷道底板采用螺纹钢注浆锚杆配合 16#槽钢进行加固。巷道支护结构如图 4.1 所示。
1—顶板注浆锚索；2—高强树脂锚杆；3—顶板注浆锚杆；4—帮部注浆锚索； 5—帮部注浆锚杆；6—底角锚杆；7—底角注浆锚杆；8—底板注浆锚杆。（a）巷道全断面锚注图图 4.1 103 采区轨道大巷施工断面图
4.2“U 型钢+锚注”联合支护方案
首先采用U36 型钢支架进行架棚支护，然后再采用注浆锚索和注浆锚杆对巷道顶板和两帮进行锚注支护。对巷道底板采用注浆锚杆配合槽钢梁进行加固，形成有效的支护结构。其支护结构如图4.2 所示。
1—顶板注浆锚索；2—顶板注浆锚杆；3—U36 型钢支架；4—帮部注浆锚杆； 5—底角注浆锚杆；6—底板注浆锚杆；7—16#槽钢。（a）巷道全断面锚注图图 4.2 103 采区轨道大巷施工断面图
4.3“超前预注浆+ U 型钢+锚注”联合支护方案
（1）超前预注浆
① 长孔超前注浆结合巷道掘进进度情况，接近断层破碎区域 10m 时，巷道轮廓线拱顶部位布置 2 个超前预注浆长孔，孔深 8~10m，角度 +15 °~20°，超前深孔注浆密实断层、裂隙，并胶结破碎煤岩。长注浆管布置如图 4.3（a）所示。
② 短孔预注浆控顶施工。在巷道轮廓线拱顶部位布置 5 个超前预注浆锚杆，分别位于正顶位置、距中角度一次为±30°、±60°，与巷道轴向方向倾斜角度为 +20°~30°。注浆最大压力为 2.5MPa。预注浆锚杆的布置形式如图 4.3（b）所示。
（2）“U 型钢+锚注”支护
待浆液固结后架设 U 型钢支护，然后再采用注浆锚索（杆）对 103 采区大巷顶板及两帮进行加强支护设计，两帮底角采用螺纹钢注浆锚杆支护，然后采用注浆锚杆配合 16#槽钢对底板进行加固，使锚注加固圈和原岩体紧密结合，在更大范围内形成有效的支护结构，确保穿断层区域巷道长期稳定，其支护结构如图4.3 所示。
1—顶板注浆锚索；2—U36 型钢支架；3—帮部注浆锚杆； 4—底角注浆锚杆；5—底板注浆锚杆；6—16#槽钢。（a）巷道全断面锚注图图 4.3 103 采区轨道大巷施工断面图
4.4 支护参数
（1）高强树脂锚杆
锚杆为左旋全螺纹高强锚杆，锚杆规格为Φ22×2600mm，间排距为：700×700mm，锚固长度为 1000mm，锚固力不小于 80KN。
（2）注浆锚杆
1）顶帮注浆锚杆选用螺纹钢中空注浆锚杆，规格为φ25× 2500mm，破断力≥15t，杆体上顺序钻有Φ6mm 注浆孔，锚杆间排距：2100×1400mm，每个断面内 4 根顶板注浆锚杆。帮部注浆锚杆到帮部注浆锚索的距离为 1000mm，排距 1400mm。
2）底角注浆锚杆排距为 1400mm，与底板距离为 200mm，与水平方向呈 30°角，每个断面内打 2 根。
3）底板注浆锚杆每排布置 3 根，间排距为 1600×1400mm。
（3）注浆锚索
顶板注浆锚索规格Φ35×7000mm，帮部注浆锚索规格Φ35× 6500mm，间排距：2100×1400mm，每个断面共 5 根，其中顶板 3 根，帮部 2 根。
（4）注浆参数
注浆材料采用普通硅酸盐水泥加添加剂，水泥采用 525#普通硅酸盐水泥，采用 ACZ-1 型水泥添加剂，添加剂用量为水泥重量的 4%～6%。浆液水灰比为 0.7：1～1：1，注浆压力为 2.0～3.0MPa，最大注浆压力为 3.0MPa。
（5）U 型钢棚型号为 U36，棚距 600mm，搭接长度 500mm；
（6）槽钢梁选用 16#槽钢。
5效果分析及结论
通过设置观测站，对 103 采区轨道大巷 F1 断层带进行了表面位移观测。观测结果支护效果比较明显，改善了围岩的结构和物理力学性质，有效的控制了巷道的变形，围岩基本处于稳定状态。
采用“分段治理、因地制宜”的支护手段，采取针对性分段支护方案，收到了预期效果，确保了巷道安全快速穿过地破碎带，有效地提高围岩的自承能力，使围岩位移量减小，巷道变形得到明显控制，改善了巷道状况，提高了矿井的安全性。取得了良好的围岩控制效果。为大埋深、大断面巷道安全快速穿过大断层，提供了宝贵经验和借鉴价值。
参考文献：
［1］陆士良，汤雷.巷道锚注支护机理的研究［J］.工中国矿业大学学报，1996，（2）.
［2］杨新安.软岩巷道锚注支护机理与技术的研究［D］.中国矿业大学博士论文，1995
论文作者:孙全福 李志
论文发表刊物:《环球科学》2017年7期
论文发表时间:2017/9/14
标签：巷道论文; 围岩论文; 断层论文; 注浆论文; 应力论文; 采区论文; 锚杆论文; 《环球科学》2017年7期论文;