元氏矿井东水仓软岩支护研究

郭英杰， 齐广新

(井陉矿务局元氏矿，河北井陉051134)

元氏矿井原设计有内、外两个水仓，其位置在井底车场东部;由于受G-1大断层的切错，井底车场东部地层为石盒子组第三段(P2S3)底部，该段岩性以暗紫、灰紫、灰绿色及杂色花斑状泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩为主，夹薄层状中细粒砂岩，砂岩为泥质胶结.该段岩性、节理、层理较发育，遇水极易膨胀、泥化.同时受G-1大断层的影响，车场东部地应力较大.巷道掘进中，往往前边掘进，后边巷道间隔不久即被压坏，围岩维护十分困难.以内水仓为例(设计全长284 m)，施工到154 m处停掘，原因就是由于原支护形式无法抵抗巷道的强变形与地压作用，以致巷道被压坏无法进行月度验收，虽经多次返修也达不到预期效果.

由于车场巷道设计密度已很大，若再按原设计位置掘外水仓，势必会出现和内水仓一样的损坏情况，给国家造成巨大的经济损失;鉴于此情况，我们详细分析井底车场东西两侧地层及构造情况，发现井底车场西部地层处于上石盒子组第二段，其内夹有较厚的中-粗粒砂岩，通过召集施工、监理、局进行专题讨论后决定将原外仓(现西水仓)移至车场西部岩石较好的厚层砂岩岩层中.

对于内水仓(现东水仓)已掘段，原设计已无法满足围岩施工条件，需找一种合适的支护方式来解决在软岩中掘巷的施工方法和支护形式.经过难题招标，由井陉矿务局元氏矿和中国矿业大学北京研究生部合作建立了“元氏矿井东水仓巷道软岩支护技术研究”课题组，来解决东水仓140 m软岩巷道的返修支护设计.

根据现场取样试验及井下地质钻孔揭露的地层情况，将东水仓已掘段140 m分成砂岩段、泥岩段和断层破碎带，其粘土矿物含量分别为43.6%、62.1%、83.3%;并通过现场声波测试、点载荷强度试验得出巷道松动圈为2～2.5 m，粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩的抗压强度分别为33.6 Mpa、27.2 Mpa、13 Mpa.由于断层破碎带无法进人取样，故取样的范围主要在水仓下坡后以里约70 m内，根据对所取岩样进行试验结果，得出东水仓巷道所处围岩属易变形、有膨胀性、受水平地应力影响的破碎软岩，围岩的稳定性较差.

1 原设计支护与返修设计比较

1.1 原设计

原设计主断面为4×2.6 m的直墙半圆拱，临时支护为锚喷网支护，锚杆为1.6 m长的管缝式锚杆，间排距800×800 mm布置，砼喷厚为 120 mm，1 000×1 000 mm的金属网，永久支护为300 mm厚的素砼支护.

1.2 返修设计

考虑东水仓所处岩性、地质构造、地下水、地应力及岩体工程质量等因素，东水仓返修设计的技术关键是防水、治水与控制围岩变形.东水仓已掘成巷近一年时间，围岩已发生严重变形与破坏，塑性松动区范围较大，巷道表面围岩显破碎状态，巷道围岩的应力释放与卸压已很充分.因此，设计支护结构必须采用全断面封闭支护形式，而且还需有足够的刚度以控制围岩的变形量，以弥补因未及时支护导致的围岩强度降低.

1)支护设计原则

①断面优化与全断面封闭技术;②防水层支护技术与注浆加固技术;③刚柔性支护技术与预留变形量放压技术;④最佳二次支护时间判断技术;⑤U型钢支护技术与壁后充填技术.

2)支护设计参数

根据现场岩性实查和对岩石所作的碎胀性试验，对此段巷道分为砂岩段、泥岩段、断层破碎带，对不同地段采用不同的支护参数.

(1)砂岩段

①初喷40 mm，复喷50 mm;②注浆锚杆，间排距800 ×800 mm，长度2.2 m，外径21.5 mm，内径15 mm，在0.8 m处焊6.5 mm直径的钢筋挡圈，采用空心树脂药卷封孔，封孔长度至少400，注浆长度800，出浆孔直径8 mm;③钢筋网:纵向与横向筋分别为直径6 mm和10 mm，网孔尺寸100×100 mm，接点点焊;④U型钢支架:作临时支护，棚距800 mm，采用4段可缩性U29型钢组成组成，钢架之间用8组L型拉杆联接，其壁后铺木背板，进行喷砼壁后充填;⑤预留变形量150 mm;⑥底拱:采用粉煤灰与生石灰的混合物;⑦永久支护:现浇300 mm厚的钢筋砼.

(2)泥岩段与断层破碎带支护

由于泥岩段与断层破碎带地层中粘土含量很高，使用注浆锚杆支护效果不佳，故采用树脂锚杆、W钢带、锚索、及U型钢联合支护，断层破碎带中U型钢棚距可适当缩小，其它参数同砂岩段支护.

(3)防水支护

①锚杆注浆加固堵水;②全断面封闭聚乙烯泡沫塑料垫衬和聚乙烯膜板防水层;③永久支护层防水.

2 现场对返修设计的调整

现场施工时由于井下施工条件所限，上述设计方案一些设计细节在现场施工不便操作.由此，我们多次召开东水仓支护专题会，对返修设计中的一些参数及支护形式进行了相应调整，并在施工中实施.

2.1 砂岩段

1)取消砂岩段的U型钢支架，采取其它有效的临时支护.

2)金属网采用现场的直径6.5 mm，1 000×1 000 mm的钢筋网，搭茬150 mm，不再另行加工.

3)取消注浆锚杆堵水，全部采用树脂锚杆，顶部锚杆长度2.5 m，底部锚杆长度2 m，然后根据支护效果再决定是否进行注浆防水.

4)根据现场施工条件及施工经验，取消粉煤灰与生石灰混合物底拱，采用16#槽钢反底拱，排距700 mm，槽钢间用直径18 mm的钢筋焊接，钢筋间距500 mm，然后浇筑砼铺底.

5)永久支护前先全断面封闭防水层，再采用现浇厚度300 mm的素砼.

2.2 泥岩段

1)正顶部加打8 m长锚索、两腮部加打6 m长锚索加固补强.

2)加用W钢带与金属网联合支护，底拱部锚杆长度2 m，底拱以上锚杆长度采用3 m.

3)其它支护参数同砂岩段

2.3 断层破碎带

1)将预留变形量由150 mm增至250 mm.

2)其它参数同泥岩段支护.

3 现场变形量观测及支护效果

为掌握锚网喷临时支护后的效果及确定最佳的二次支护时间，及时掌握巷道的变形动态，我们对砂岩段、泥岩段、断层破碎带采取三角形布点观测法，以掌握巷道在水平与竖直方向的变形，在砂岩段布设二个观测断面，6个测点;泥岩段三个观测断面，9个测点;断层破碎带二个观测断面，6个测点;共收集现场基础数据460多个.经对数据统计得出:砂岩段变形量在开挖后30 d基本达到稳定，泥岩段在临时支护60 d左右达到变形稳定期，断层破碎带临时支护在开挖后90 d基本达到稳定状态，(此期间围岩的收敛变形速率小于 0.1～0.2 mm/d)，据此可确定巷道最佳二次支护时间，可进行永久刚性支护施工.

东水仓剩余124 m段也采用此支护方式进行推广，经竣工验收并进行了充水试验，整个巷道使用状况良好，达到了设计要求.

3 结论

在软岩巷道，尤其是元氏矿井构造复杂、围岩为软岩的地质条件下，采用传统的支护形式往往不能起到良好支护效果，施工与设计时应重点注意以下几点:

1)软岩巷道的支护必须具有足够的支承强度与刚度，支护体要具有一定的变形量.

2)加强施工中对水的控制与管理，借鉴地铁全断面封闭聚乙烯泡沫塑料垫衬和聚乙烯膜板防水层技术，采取防水层全断面对巷道进行封闭和永久支护层防水，既保证水仓水不向围岩渗漏，又保证水不由围岩向水仓渗漏.

3)巷道开挖后及时锚喷进行临时支护，防止围岩风化，以保护围岩的完整性.巷道的临时支护应采取柔性支护，允许巷道变形;并预留一定的变形量，作为支护体的一部分.

4)加强对巷道底板的支护，控制巷道底鼓，必要时可采用做底拱增加巷道底板的强度.

5)巷道进行临时柔性支护后，必须经过一定时间的应力释放与卸压，根据观测结果，当围岩收敛变形量达预留变形量的80% ～90%时，或变形速率为0.1～0.2 mm/d时，为最佳二次支护时间，然后再进行永久刚性支护，刚、柔支护相结合，达到好的支护效果.

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