联合支护在巷道断层破碎带的应用

冯长飞 齐 杰

(河北钢铁集团矿业有限公司田兴铁矿)

联合支护在巷道断层破碎带的应用

冯长飞 齐 杰

(河北钢铁集团矿业有限公司田兴铁矿)

田兴铁矿大贾庄进风井-450 m沿脉巷穿过F10断层破碎带，探孔长探40 m，涌水量达到75 m3/h，且钻进过程卡钻严重。为防止掘进过程中出现大涌水，采用工作面预注浆技术，在巷道周边形成帷幕，封堵涌水并加固围岩。试掘后工作面顶板出现冒落，采用超前管棚、钢拱架、锚喷网3种方式联合支护，取得了较好的效果，顺利通过断层破碎带。

断层破碎带 工作面预注浆 超前管棚支护 钢拱架支护 锚网喷支护

田兴铁矿位于河北省唐山市滦县，年设计生产能力为2 000万t/a，是我国最大的在建地下矿山。由于矿区水文地质条件复杂，断层破碎带对平巷掘进影响较大，通过在大贾庄进风井-450 m沿脉巷穿过断层破碎带联合支护的实际应用，取得了预期效果，为快速通过断层破碎带提供了参考经验。

1 工程概况

大贾庄进风井-450 m沿脉巷为在建基建工程，2014年12月5日施工至441.5 m处时遇破碎带，围岩破碎严重，岩体呈碎块状，伴有淋水，并充填有大量泥灰岩，遇水软化。工作面探水至40 m时，单孔涌水量达到75 m3/h。根据TRT6000超前探测仪探测，工作面前方16～40 m段围岩严重破碎，并已进入F10断层的影响范围内，断层走向NE5°～10°,倾向NWW,倾角63°～72°，垂直断距50～140 m，为压扭性逆断层。

2 施工方法

采用工作面预注浆技术，在巷道周边形成注浆帷幕，封堵涌水并加固巷道围岩。注浆完成后先进行超前管棚支护，当超前管棚沿巷道开挖轮廓周边密布时，与注浆加固圈共同作用，形成加固环，并将巷道围岩应力传递到钢拱架上，从而形成前期预支护，有效保证了开挖安全。巷道开挖后立即进行素喷支护，厚30～50 mm，封闭岩石，防止风化，然后进行架设钢拱架和锚网喷支护[1-3]。

3 施工过程

3.1 工作面预注浆

采用分段前进注浆方式堵水，注浆段高45 m。根据裂隙发育程度、浆液有效扩散半径及巷道断面大小确定注浆孔的布设，力争使注浆孔与更多的裂隙交切。该出水点的裂隙发育为与巷道掘进方向垂直，部分斜交，裂隙分布不均，注浆孔按放射状布设，终孔位置超出巷道荒断面轮廓线。孔间距、排间距根据涌水情况确定为1.5 m，呈梅花型布设，注浆孔10个，检查孔1个(11#孔)，共11个孔，注浆孔布设见图1。

图1 工作面预注浆示意(单位：mm)

在巷道迎头底板开凿临时集水坑，在集中出水点埋设导水管，把水引排至临时集水坑内。注浆站布置在距离工作面5 m范围内，安装2台2TGZ60/210型高压注浆泵，3个搅拌罐，输浆管路与注浆泵和孔口管之间用高压胶管连接。注浆泵安装好后，装上混合器，连接好输浆管路压力表，测定水压。

堵水材料选用水泥-水玻璃双液浆为主，加固以单液水泥浆为主。水泥为冀东牌P.O42.5R普通早强硅酸盐水泥，水玻璃浓度为35～40 °Bé，水泥浆与水玻璃的比例为(1∶1)～(1∶0.8)。单液水泥采用冀东牌P.O42.5R普通早强硅酸盐水泥，另掺入水泥重量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂，起速凝早强作用。单液水泥浆配制见表1。

表1 单液水泥浆配制

根据岩层裂隙率、布孔数量及注浆孔深度估算总注浆量。根据《简明建井工程手册》，分段注浆量估算如下：

(1)

式中,Q为总注浆量，m3；λ为浆液损失系数,1.5；R为浆液扩散半径，取1.5倍的孔间距，2.25 m；H为注浆孔深度，45 m；η为岩层裂隙率，3%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，0.9；m为结石率,0.85；N为注浆孔数，10个。

计算得出总注浆量Q=340.81 m3。

注浆压力取地下水压力的2～2.5倍，前期封堵注浆取高值将出水头压入，后期针对小裂隙注浆取低值再到高值。

注浆前进行压水试验，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力，并根据泵压及注入量，进行钻孔吸浆量的测定。试验时尽可能采用大泵量，压力值控制在注浆终压以内，一般压水时间为20min(破碎带压水时间缩短或不压水)，精确测量并记录压水段高、流量和压力，根据压水时间测定的单位钻孔吸水量，确定注浆时浆液的起始浓度，并作为鉴定注浆效果的依据之一。

注浆过程可分为初期、正常及终压3个阶段，当初始浓度确定后，根据注浆压力变化情况，应及时控制浆量，调整浆液浓度及凝胶时间等，使注浆压力平缓升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压和终量，并稳定20 min以上。

注浆作业程序：接通输浆管路→压水试验→注浆→定量压清水→冲洗输浆管路→拆洗注浆管路→清理现场。初注用浓浆，复注时逐渐降低浆液浓度，但每次注浆时，一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段，若压力不升且进浆量也不减时，应逐渐加大浆液浓度；若压力上升快且进浆量减少，应依次降低浆液浓度，每调节一次注浆浓度，一般持续20 min。注浆结束4～6 h后进行压水试验，当耗水量小于20 L/min，可不再注浆，否则应复注。

3.2 联合支护

3.2.1 超前管棚搭设

掌子面掘进前对拱顶及侧墙进行超前管棚预支护，采用φ42 mm×4 mm×5 000 mm无缝钢管，环向间距为300 mm，外插角为2°～5°，每一循环搭接不小于1 000 mm。

清理掌子面松渣，以确保施工安全。选择岩石较完整处先立I16a型工字钢一架，沿拱架两侧打设φ20 mm树脂锚杆固定拱架，然后沿工字钢外侧钻孔，选用YT-28气腿式凿岩机钻凿φ70 mm×5 000 mm孔，根据设计的孔位、孔深与角度进行施工，成孔后清除孔内的岩粉及泥浆；然后将钢管端头加工成锥形，慢慢送入孔内，外露段与拱架焊接固定。巷道顶板和两帮全部打设超前管棚，以防止开挖时塌落。超前管棚及钢拱架支护示意见图2。

图2 超前管棚及钢拱架支护示意(单位：mm)

3.2.2 弱爆破开挖

待超前管棚施工完成后开始掘进，掘进采用弱爆破方式，防止因炮振效应对超前管棚及前期深孔注浆加固巷道围岩的帷幕产生扰动。每次掘进循环控制在1 m，4个循环后再次进行超前管棚支护。

3.2.3 架设钢拱架

采用I16a型工字钢拱架，纵向间距为500 mm，每榀之间用φ16 mm钢筋纵向连接，拱架脚用φ20 mm×2 000 mm树脂锚杆锁脚，每架每侧2根。拱架支护好后对集中出水点预埋导水管，将水引至底板，减少淋水对下步喷混凝土支护的影响。

3.2.4 锚网喷支护

初喷5 cm厚混凝土封闭岩体，喷第一层时，应使用加大速凝剂掺量的水泥砂浆，并减少喷射机的工作压力。

初喷结束后，进行锚杆支护。沿拱部及侧墙打径向φ20 mm×2 000 mm树脂锚杆，梅花形布设，并

与临近的拱架焊接。设备选用YT-28气腿式凿岩机，φ40mm一字型钻头，根据设计的孔位、孔深与角度施工。环、纵间距均为500 mm，锚孔距误差控制在100 mm以内；钻孔要保持直线，钻孔深2 000 mm，且要确保达到设计深度，保证锚杆端头推至孔底后，锚杆尾部螺纹能安装螺母，压紧托盘，托盘厚度不小于6 mm；钻孔要垂直于岩面，误差控制在5°以内，成孔后清除岩粉及泥浆。打设顶板中部锚杆孔并清孔，安装树脂药卷和锚杆，用锚杆钻机搅拌至规定时间，搅拌后等待规定的时间，拧紧螺母，达到锚杆设计预紧力。从顶板中部向外依次安装其他顶板锚杆，两侧帮施工同上。

沿拱架内侧铺设φ6.5 mm钢筋网，网孔规格为150 mm×150 mm,并用托盘固定在锚杆上，使得钢筋网与锚杆连接成一整体。

分段、分片由下而上喷射250 mm厚C20混凝土，每段长度控制在5 m左右，喷射混凝土按照试验配合比(水泥∶砂子∶石∶水∶速凝剂=1∶2∶2∶0.44，单位水泥用量450 kg/m3)用强制式搅拌机拌和均匀。喷射工艺流程见图3。

图3 喷射混凝土流程

超前管棚+钢拱架+锚网喷联合支护见图4。

图4 超前管棚+钢拱架+锚网喷联合支护示意(单位：mm)

4 结 语

田兴铁矿大贾庄进风井-450 m沿脉巷掘进过程中遇F10断层破碎带，经工作面预注浆封水后，采用超前管棚+钢拱架+锚网喷联合支护方式，顺利通过了断层破碎带，取得了良好的治理效果。联合支护技术的成功运用为田兴铁矿在各平巷过破碎带时提供了借鉴经验，并在实际应用中取得较好的效果，有力保证了巷道掘进施工进度。

[1] 王俊英.隧道施工中超前管棚支护技术浅析[J].交通建设与管理,2012(10)：82-83.

[2] 朱本斌.管棚支护在软岩巷道施工中的应用[J].煤矿支护,2012(1)：19-22.

[3] 吕俊涛.超前管棚支护在隧洞塌方处理施工中的应用[J].甘肃农业,2011(11)：52-53.

Application of Combined Supporting Scheme in the Fault Fracture Zone of Roadway

Feng Changfei Qi Jie

(Tianxing Iron Mine, Hehei Iron and Steel Group Mining Co., Ltd.)

The -450 m strike drift of Dajiazhuang shaft in Tianxin iron mine gets through the F10fault fracture zone, the drilling hole depth is 40 m, the quantity of water gushing is 75 m3/h, the sticking phenomenon is serious in the process of drilling. In order to deal with the water gushing in the process of tunneling, the working face pre-grouting technology is adopted to form the curtain around the roadway so as to seal the water gushing and reinforce the surrounding rock. The phenomenon of roof caving of working face is appeared after pre-tunneling, the combined supporting scheme based on the advance tubing shield, steel arch shelf and rock bolt-net- shotcreting is adopted to get through the fault fracture zone successfully, and the good effect is obtained.

Fault fracture zone, Working face pre-grouting, Advance tubing shield supporting, Steel arch shelf supporting, Rock bolt-net-shotcreting supporting

2015-05-10)

冯长飞(1986—)，男，助理工程师，063700 河北省唐山市滦县。