穿断层破碎带巷道围岩破坏特征及其控制

陈文云

（同煤集团晋华宫煤矿，山西 大同 037000）

0 引言

煤矿巷道施工经常穿越断层及其破碎带等不良地质区域，这些区域的岩层具有构造发育、低强度、透水性高、易于变形等软岩特征，因此是巷道围岩控制的重难点区域。晋华宫矿12#层集中轨道上山穿越长沟支五断层破碎带及软弱岩层带，围岩呈现软岩特征。在矿山压力作用下，围岩松动范围大，周围地质构造复杂巷道受动压影响情况较明显，巷道变形，四周来压严重。因此，根据围岩的破坏特性进而进行膨胀性软岩巷道的支护设计，对保证巷道围岩有效控制，满足307区生产时运输、通风、行人等需要，及保障该矿的采掘接替具有重要意义。

1 巷道围岩分类及变形破坏特征

晋华宫矿12#层307盘区集中轨道运输巷按照+10°进入未开采的12#层307盘区，根据地质勘探资料，在掘进过程中会穿越3条断层，其中以长沟支五断层落差为80-280m，穿越地层依次为粉砂质泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂质页岩、炭质页岩、泥质粉砂岩等软弱岩层；断层破碎带围岩裂隙发育，且有断层角粒砂涌出，对巷道围岩稳定性影响很大。如图1所示。

图1 12#层307盘区集中轨道上山破碎带剖面图

根据图1，采用工程岩体分类中GSI（地质因子方法）及岩体完整性系数[1-3]，评定得到GSI的量化值[4-5]，将12#层307盘区集中轨道上山围岩类别分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类，即位于离12#层307盘区开拓巷道起坡点311m、257m、296m处，分别代表粉砂质泥岩（Ⅴ类围岩）、砂泥互层（Ⅳ类围岩），细砂岩（Ⅲ类围岩），依次描述如下：

Ⅴ类围岩：本段为粉砂质泥岩，本层岩层厚度11m，长约29m，用硬物击打易裂成碎片，粉砂质泥岩主要成分为粘土矿物,含少量粉砂质。遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化。围岩变形速度快、变形量大。一般来说，巷道掘进的第1～2天，所取的岩样取出后在地表暴露约一月后的即风化成碎块。在之前的锚网支护下一个月时间巷道还是发生明显的断面收缩，顶板下沉严重。

Ⅳ类围岩：本段为砂泥岩互层，本层岩层厚度12m，长约90m，是粉砂岩中夹有大量浅绿灰色泥岩，水平层理，在巷道开挖扰动后裂纹发育，且遇水具有膨胀性，顶板变形量较大，出现网兜现象，前期用于支护的锚杆锚固力松弛严重。Ⅲ类围岩：本段为细砂岩，本层岩层厚度15m，长约57m，浅灰色，成分石英、长石，钙泥质胶结，虽然细砂岩强度较高，但由于处于断层破碎带，其完整性受到较大的破坏，泥质胶结，属于较软岩。

2 巷道围岩变形破坏因素分析

12#层307盘区集中轨道巷围岩的稳定取决于地质力学环境、围岩强度及巷道支护方法等，根据前述分析，该矿过断层破碎带膨胀性软岩巷道失稳机理如下：

1）围岩裂隙发育。由于12#层307盘区集中轨道上山穿过长沟支五断层，构造区围岩受到断层的张拉、牵引作用，裂隙发育、围岩破碎，自稳能力差。

2）围岩岩性差，遇水泥化。从12#层307盘区集中轨道上山揭露及前期探孔的岩性看，断层带主要由断层泥及泥质岩类组成。受水的影响大，遇水后膨胀泥化，软化性强，，遇水后强度急剧降低，进而失去了承载能力。

3）涌水。该矿顶底砂岩水，为一弱含水层，裂隙储水，受裂隙及构造发育程度控制，不同的地段存在明显的差异，属静储量水。但淋水紧跟迎头，给施工造成一定的不便。

4）原支护系统强度低。原多采用长度1.8m的锚杆，且不能及时施加预紧力，造成围岩过早离层、变形。巷道掘进后，围岩暴露在潮湿的环境中，泥质类岩层吸水后强度降低，膨胀软化，甚至片状或块状脱落，变形量大，造成锚固失效，支架工况恶劣。

5）巷道围岩流变。由于断层带围岩软弱，巷道稳定性指数（巷道所处位置最大主应力与围岩单轴抗压强度的比值）达到0.65左右，围岩在高应力作用下，巷道将会发生较高速率的蠕变变形。

从上述分析可以看出，要控制断层带轨道上山的变形，必须采用主动和被动相结合的方式。

3 巷道围岩支护设计

以Ⅴ类岩（粉砂质泥岩）为研究对象进行支护设计，设计方法如下：钢支架作为基本支护护表，防止破碎围岩的垮落；喷砼封闭围岩，防止围岩表面风化；巷道拱肩、拱脚及两帮、拱顶等易损关键部位注浆改性，提高围岩的整体性及其残余强度，提高了其自承载能力，增强锚杆锚固效果；底拱梁控制底鼓；通过结构补偿锚索将钢支架-锚索进行耦合，形成一个支护整体来控制围岩的变形，发挥主-被动支护各自的优点。

12#层307盘区集中轨道巷上山断面：S掘=11.65m2，S 净 =10.13m2，掘宽 3.72m，净宽 3.6m,墙高1.56m，掘高3.42m，净高3.36m。为便于理论分析，假设巷道断面为圆形，其当量半径为2.12。

3.1 锚固长度和支护阻力

根据岩石力学试验，将巷道围岩物理力学性质简化为：容重24kN/m，单轴抗压强度σc13.86MPa，粘结力（c）0.67MPa，内摩擦角（φ）24°，弹性模量（E）0.221GPa，泊松比（μ）0.25。根据理论计算的需要，假设巷道处于静水压力应力环境中，采用理想弹塑性模型，围岩的剪切扩容系数=1，计算得到塑性区半径R=6.17m，塑性区厚度L=R-r=4.05m，则锚索长度硬等于塑性区厚度、锚固长度（通常为2000mm）与锚索端部长度（一般露出长度为300mm）的和，古锚索总长度为6350mm，取6.5m。

支护阻力Pa与巷道围岩的径向位移u的关系可用修正的芬纳公式进行计算：

其中：c为围岩内聚力；φ为内摩擦角；σz为围岩的初始应力状态；μ为泊松比、R为塑性区半径。

根据现场监测数据，巷道施工后支护结构的承载作用发挥之前围岩的初始移近量为400mm左右，可知u=200mm，把岩体物理力学参数带入上式，可得到Pa=1.42MPa。

3.2 锚杆-锚索支护强度验算

12#层307盘区集中轨道上山断层破碎带设计选用的为高强左旋无纵筋纹钢锚杆，规格为：φ22×2400mm，间排距：700×700mm，钻孔直径28mm，锚固长度不小于1200mm。锚杆锚固预紧力不低于80kN，布置如图2所示；锚索设计选用的为7股高强度地松弛钢纹线锚索，规格为φ17.8×6500mm，间排距：1400×1400，钻孔直径 28mm，锚固长度不小于2000mm。锚杆锚固预紧力不低于150kN，锚索安装角度垂直于巷道壁面。则锚杆-锚索支护强度P锚杆为0.306MPa。

3.3 注浆固结区承载能力验算

12#层307盘区轨道上山注浆加固施工时应先安装注浆锚杆，而后喷射混凝土，再进行注浆。根据经验单孔注浆量为 1～1.5m3，注浆压力 0.1～1.5MPa，注浆流量3.0～3.5m3/h，浆液为水泥－水玻璃单液浆，水灰比0.75：1.525矿渣硅酸盐水泥，注浆管规格：φ22×2500mm，注浆孔布置间距1600mm，排距1600mm。则圆形巷道注浆加固圈的承载力由其强度确定：

式中：[σ]为注浆固结体的有效强度，根据经验取值为1MPa；R1为注浆加固圈半径，对于12#层307盘区集中轨道上山断层破碎带已知R0=2.12m，R1=2.5m，带入式子计算得P1=0.40MPa。

图2 锚杆、锚索、注浆布置示意图

3.4 U36型钢全封闭刚性支架支护强度验算

12#层307盘区集中轨道上山断层破碎带采用主动与马蹄形全封闭刚性支架耦合支护方案，即采用锚网索+喷砼+注浆+封闭支架耦合支护形式。采用U36型钢，支架排距1400mm，喷砼厚度150mm。把U36全封闭支架看做圆形支架进行支架强度计算，公式如下：

式中：S钢为型钢的横截面积，U36型钢横截面积为45.7×10-4m2；σ钢为型钢的极限强度，U36型钢极限强度为520N/mm2；r为为圆形巷道半径，为2.12m；h钢为型钢断面高度尺寸，为0.138m；L钢为架间距，为1.4m。则支架的支护强度P2为0.752MPa。

所以，锚网索+注浆+封闭支架支护系统所提供的支护强度为：

P=P锚杆+P锚索+P1+P2=0.306+0.102+0.40+0.752=1.56MPa

已知该支护强度已经大于围岩稳定需要的支护强度1.56MPa，加上喷砼后，采用锚网索+喷砼+注浆+封闭支架耦合支护形式满足围岩稳定需要的支护强度。

4 施工工艺及支护效果

施工工序为：掘进断面→临时支护→安装锚杆→初喷砼30mm→安装U型钢支架→安装锚索→喷浆至给定厚度150mm→安装注浆锚杆→注浆。

在过断层破碎带粉砂质泥岩段的轨道上山长度为29m，在中间位置布置一个测站，观测内容：顶沉、底鼓、两帮相对移近量。巷道在掘出10天后，变形速率开始减小，但变形量逐渐增加，3个月后，变形速率降低到0.5mm/d以下；其中顶底板最大变形量为96mm，其中，顶沉 38mm，底鼓58mm，两帮相对移近量为106mm。巷道表面没有出现混凝土开裂和锚杆断裂的现象。但由于巷道围岩松软、破碎，要加强矿压观测，如果发现巷道变形速度加快，必须要进行支架壁后注浆等强化支护措施。

5 结 论

1）通过完整性系数与岩体的风化评定从而得到GSI的量化值，采用工程岩体分类中GSI（地质因子方法），将12#层307盘区巷道初步进行分为Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩；介绍了原支护采用锚网喷永久支护，对于断层破碎带各类围岩的变性破坏进行了表征，进而分析了12#层307盘区集中轨道上山过断层破碎带巷道围岩变形破坏的原因。

2）选用锚网索+喷砼+注浆+封闭支架耦合支护形式能够满足围岩稳定所需要的支护强度。矿压观测表明：采用封闭支架+喷砼+注浆+锚网索耦合支护方式能够满足断层带巷道围岩控制的要求。