袁店二井106采区断层破碎区巷道锚注支护技术研究

文/林卫国(淮北矿业股份有限公司)

矿井的建设工程中经常遇到地质不良地段，断层破碎区这种不良地质现象在开挖过程中十分常见[1,2]。断层破碎区强度低，透水性大且易变形，巷道穿过断层破碎区时极易发生如突水、冒顶等地质灾害，这使得巷道支护难度极大，若支护不当，在巷道使用过程中易发生大变形从而引起支护结构的失稳破坏[3-5]。

袁店二井106采区北翼回风暗斜井穿过LWF54断层破碎区，岩性较为混杂，主要以泥岩、粉砂岩及少量砂岩为主，局部夹炭质泥岩或煤，挤压和揉皱现象严重。断层构造影响巷道围岩节理、裂隙较为发育，使得岩体强度进一步降低。且巷道埋深-710m，垂直应力大，在高应力作用下，巷道浅部破碎岩体极易产生强烈剪涨变形。对过断层破碎区巷道支护技术进行研究提出相应的巷道支护技术，可为相似工程条件下的巷道支护提供参考。

一、工程概况

袁店二井106采区位于井田东北部，东西宽1900～2700m，南北长约1800～2500m，面积4.74km2。采区平均厚度为264.50m，海拔标高为+28.00m。地层整体呈一单斜构造，走向NW，倾向NE。地层倾角为4～33°。根据钻探、三维地震勘探资料，区内共查出断层115条，均为正断层，断层展布具有明显的方向性：走向以NW向、SN向居多，其次是NE向。采区断层密度为24.47条/km2。其中断层落差大于100 m的有5条，40～100m的有5条，落差10～40 m的有32条，落差5～10m的有18条，落差0～5 m的有55条。

图1 采区巷道平面图

北翼回风暗斜井施工方位角均为N47°，巷道底板标高-710m，施工层位在10煤顶板20m左右位置。106采区暗斜井从10煤顶板砂岩层位向上穿层至51煤，主要揭露铝质泥岩、82煤、81煤、72煤及其层间砂岩、泥岩等。采区巷道平面如图1所示。

二、数值模拟

1.模型建立

根据袁店二井106采区相关地质资料，设计断层宽度为30m，断层倾角为60°，考虑模型的边界效应，尽量让巷道处于模型的中部，让巷道在断层外的长度至少为断层宽度的两倍，最终确定模型尺寸为200m×100m×150m。巷道为直墙半圆拱型断面，直墙高1.5m，半圆拱半径2.5m，巷道宽5m。断层模型如图2所示。

图2 断层模型图

建模时把岩性相近或者岩层厚度比较薄的岩层做适当的归并，断层赋上一种相对较弱的材料。各岩层物理力学参数如表1所示。

2.支护方案分析

建立断层破碎区巷道不同支护方式支护模型，通过对比分析不同支护方案下的巷道围岩应力应变特征，分析断层破碎区内巷道围岩控制的最佳支护方案。

方案1：锚喷索注支护。采用注浆锚杆加注浆锚索联合支护模型。注浆锚杆采用规格为φ25×2500mm的螺纹钢中空注浆锚杆，间排距为1000mm×1200mm；注浆锚索规格为 φ35×7000mm，间排距为 2000mm×1200mm；喷层厚150mm，强度为C20。

方案2：深浅耦合全断面锚注支护。即在方案一的基础上加打底板注浆锚杆，底板注浆锚杆采用和注浆锚杆相同材料的螺纹钢中空注浆锚杆，规格为φ25×2500mm。

方案3：超前注浆加深浅耦合全断面锚注支护。即在方案2的基础上进行超前注浆，通过采用10m的注浆管对断层破碎区顶板进行超前支护，一个断面布置5个注浆孔，注浆孔间距为1500mm。

通过模拟得出不同支护方案下巷道顶底板及两帮移近量如表2所示。

从表2可见，方案3超前注浆加深浅耦合全断面锚注联合支护能够很好地保证断层破碎区巷道的长期稳定。

表1 各岩层物理力学参数表

表2 不同支护方案巷道顶底板及两帮移近量

三、巷道支护方案设计

1.巷道支护原则

针对袁店二井矿106采区巷道断层破碎区构造复杂、岩层破碎、强度较低的特点，采用以“超前注浆加深浅耦合全断面锚注”联合支护方案进行支护。巷道掘进至大断层破碎带时，采用超前注浆对工作面未被暴露的顶板实行超前支护，使注浆段以内的薄层破碎岩石胶结形成整体。在巷道开挖后进行U型钢架设，架棚后采用注浆锚杆加注浆锚索即深浅耦合全断面锚注支护来维持巷道的长期稳定。

2.巷道支护方案

考虑到围岩的渗透性能以及加固范围，在距离拱顶300mm的位置布置5个注浆孔，注浆孔间距为1500mm，外插角25°，终孔间距为5700mm。注浆管规格为直径73mm的花管，花管长度为10m。超前注浆孔布置如图3所示。

待超前注浆浆液固结后，采用U36型钢支架进行架棚支护，再采用注浆锚杆和注浆锚索对巷道顶板和两帮进行锚注支护。注浆锚杆选用规格为φ25×2500mm的螺纹钢中空注浆锚杆，注浆锚杆间排距为1000mm×1200mm；注浆锚索规格为φ35×7000mm，注浆锚索间排距为2000mm×1200mm。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。底板注浆锚杆选用规格为φ25×2500mm的螺纹钢注浆锚杆，每排3根，两边注浆锚杆斜打，与竖直方向成15°角，间排距1600mm×1200mm。巷道施工断面如图4所示。

图3 超前注浆孔布置图

图4 巷道全断面支护图

四、巷道支护效果监测

为了监测设计支护方案效果，在106采区巷道中布设深部位移观测断面监测巷道变形，在50天观测期内巷道顶板围岩深部6m范围内相对位移小于30mm，巷道帮部围岩深部6m范围内相对位移小于40mm。且巷道围岩深部位移已出现收敛，这说明注浆支护后巷道围岩整体强度得到提高，围岩承载能力得到加强，顶板及两帮基本得到了有效的控制，为底臌的控制提供了好的外部环境，进一步说明了该支护方式能够更加有效地维护巷道的稳定。

五、结论

通过对袁店二井106采区回风暗斜井过断层破碎区巷道进行超前注浆+深浅耦合全断面锚注支护后，断层破碎区巷道围岩变形明显减小，变形速度也得到了有效控制，更好地维护了巷道的稳定，为矿井的安全高效生产提供了有力的保障。