过断层段主运输平硐掘进与支护技术

吴永波

(贵州磷化集团马路坪矿，贵州 贵阳 550302)

0 引言

在磷矿的建设过程中，常常出现运输平硐与断层交叉的情况，由于断层附近构造应力较大，往往造成巷道围岩破碎和支护困难，采用传统支护方式的话，在平硐与断层交叉的地方容易出现围岩变形、冒顶等地质灾害，从而导致动力灾害的发生。如何对断层附近平硐进行科学的掘进，并采用合理的支护技术，对于防止断层诱发动力灾害具有重要意义。

1 工程概况

1.1 工程地质

贵州开磷集团没租哨矿区在大地构造位置上位于扬子准地台滇东台褶带西部边缘的嵩明台凹内。根据地表出露及钻孔揭露情况，矿区内地层由新到老分布有第四系、寒武系下统龙王庙组、寒武系下统沧浪铺组、寒武系下统筇竹寺组、寒武系下统渔户村组及震旦系上统灯影组，其中寒武系下统渔户村组为含磷地层。

矿区内断层发育，其中主干断层-法古断裂带将矿区分割成南北两个矿段，北矿段矿层也被分割成3个独立的矿体，其余断层对矿区内矿层均有不同程度的破坏。

1.2 断层情况

总体呈近东西向展布，延伸长度大于5 000 m，于北矿段的中南部横穿而过，破碎带宽达20 m，由断层角砾岩组成，根据断层产状变化可分成东西两段。西段倾向南，倾角约76°，为正断层，于矿体露头以南延伸，对矿体的连续性无影响；东段倾向北，倾角65°～77°，为正断层，对沿线矿体造成切割破坏，并使北盘矿体下降，根据钻孔揭露情况，断层东段在上述钻孔处断距分别为180 m、100 m、120 m、85 m，反映出由西向东断层的断距在逐渐减小。另外，沿断层带有较多的泉水点分布。在断层段的地质情况，见图1。

图1 断层段地质条件

1.3 断层施工条件

矿区工程地质条件属于简单-中等类型，“没租哨磷矿60 万t/a产能接续项目”主运输平硐标段所属井巷工程位于矿层底板白云岩内，巷道长2 190 m，净断面16.13 m2，掘进断面18.03 m2，采用砌碹、锚喷或者喷射混凝土支护，局部不稳固地段需采用加强支护方式。

根据设计施工计划，主运输平硐正常段可揭露F3断层，平距有45 m，大概呈44°斜交穿过断层；围岩受断层构造影响，极为破碎、稳定性差、施工条件难度大，断层在原有地质资料预测基础上整体南移约200 m，断层破碎带在走向上变化，宽度局部变化较大。

2 安全施工技术措施方案

超前帷幕注浆封闭岩体砌碹支护施工方案需要沿巷道轮廓周围间隔200 mm布设注浆孔，将浆液加压注入断层破碎带岩体中，充填断层岩体内裂隙，使之形成一个封闭的帷幕空间，后续作业在此帷幕空间内作业，但是不能确保帷幕注浆的整体性。另一因素在于注浆体凝固时间较长，待终凝时间至少需要16 h；砌碹支护一道工序从基础施工、钢筋绑扎、模板安装到混凝土浇筑按现有作业模式至少需要20 h，平均1 m掘进进度需要36 h。

超前小导管钢拱架全断面锚喷支护施工方案通过施工小导管以钢拱架作为支撑点往前进行延伸掘进，钢拱架塑形变化曲度较混凝土结构大，能有效缓解、分散巷道周围压力，同时采用钢板作为隔绝层，能避免掉渣伤人或损坏设备，钢拱架安装完成即可进入下一作业工序，工序衔接无空隙，平均1 m掘进进度只需要20 h。

从经济性来分析，采用帷幕注浆方式需要重新投入设备(高压力、高强度、高浓度、大功率的注浆机)费用、材料费用、人工费用，以现有施工经验和工程造价预算考虑，井巷工程延米综合单价至少在4.5 万元/m以上；如采用超前导管钢拱架支护方式则不需要投入注浆设备，只需要材料投入和计算人工费用，同比，井巷工程延米综合单价控制在4 万元/m以内。

从施工难易程度来考虑，如果采用帷幕注浆方式，则需要考虑如何能确保注浆体形成有效的隔绝层。如遇极为破碎软化泥质含水岩层注浆效果不好，则需采用冻结法进行施工。

从施工方法难易度、施工安全性、工期进度时间和经济分析比较，采用超前小导管钢拱架支护施工工艺更加合理。因此，通过综合分析比较后，选取采用超前小导管钢拱架全断面锚喷支护施工方案，具体见表1。

表1 断层施工方案综合技术措施比较表

3 施工工艺流程

3.1 施工准备阶段

针对超前小导管钢拱架全断面锚喷支护施工方案，确定施工小组成员名单，并对小组内成员进行详细分工。在施工方案实施的现场，地质条件复杂、任务紧、施工难度大，因此在施工过程中预计存在一些风险点和安全隐患因素。对整个施工过程综合进行安全技术经济风险评估，确保所制定方案安全可靠、技术实用、经济可行。

根据措施施工方案需要投入断层施工的作业机具、材料、防护用品有：浅孔凿岩台车1台、柴油铲运机1台、挖掘机1台、小型服务车1台、气腿式凿岩钻机2台、切割机1台、交流弧焊机1台、毫米热轧无缝焊接钢管(Q345型，直径50 mm)500支、工字钢150支、Φ20 mm螺纹钢200支、Φ18 mm螺纹钢120支、Φ6 mm 150×150钢筋网200张、4 mm厚钢板20张、40 mm厚钢板100张、安全背夹10付、安全绳5套、呼吸自救器12个、液压支架4个、空气综合气体检测仪1台。

对施工人员进行安全培训，包括呼吸自救器正确使用、劳保用品正确穿戴、气腿式凿岩机使用注意事项、现场安全监护协调注意事项、夜间现场施工注意事项等内容。

3.2 施工作业阶段

施工作业阶段包括超前钻探、测量放线工作、安全确认、超前管棚施工、钢拱架架设、锚网铺设、锚喷支护以及水沟地坪浇筑。

超前小导管钢拱架全断面锚喷支护施工方案巷道断面图，见图2。

图2 超前导管钢拱架锚喷巷道断面

超前钻探的主要目的在于提前控制断层的产状、方位和长度，并及时有效提供较为准确的地质资料，及时修改完善断层的施工方案，及时根据施工方案对每循环作业测量放线工作，主要标识作业面中腰线、拱顶轮廓线以及到断层的距离。在作业前进行安全状况确认，对作业安全隐患、逃生路线、设备设施、现场照明作业进行安全排查。施工超前小导管前使用中深孔凿岩台车沿主运输平硐巷道横截面方向施工长度为6 m、数量为10个超前钻孔(以巷道横截面成45°夹角、超前小导管管体四周钻孔)，进行超前探水泄压工作；中深孔凿岩台车施工超前小导管的施工工作(使用连接套筒接杆施工)的施工技术要求：材质(Q345型号热轧无缝焊接钢管，直径50 mm)；长度(6 000 mm)；间距(150～200 mm)；水平角(±5°)；数量(每米55棵或者以上)；安全措施(四人作业、专人监护、设备完好、照明充足)；超前小导管施工完成后将加工制作好隔泥钢板(宽300 mm、长550 mm、厚4 mm)沿超前导管上嵌入围岩内(呈房瓦梁结构形式)，具备滤水不透沙的效果。超前小导管以及隔泥钢板的施工图，见图3。

图3 超前小导管及隔泥钢板施工图

在超前小导管钢板支撑前提下，根据实际岩性条件采用科学合理掘进方法：对于较为破碎炭质页岩流沙层，采用钻爆法掏槽松动爆破施工(爆破参数：周边眼眼底距控制在150～200 mm范围内，炮孔深度2.4 m，炮孔数量78个，岩石乳化炸药，非电光延时起爆，炸药量24～48 kg，周边眼不装药，采用挖掘机或者人工方式进行巷道成型处理，及时根据岩层条件调整凿岩爆破参数，延米掘进长度根据钢拱架支护安装间距进行现场合理调整)；对于极为破碎胶质泥层，遇水软化极易掉落，采用机械挖掘施工(使用挖掘机沿巷道设计方位往前掘进，延米开挖长度根据钢拱架安装间距进行调整)；对于极为软化泥层，极易渗淌，采用机械或者人工挖掘施工(使用挖掘机或者人工沿巷道设计方位往前掘进，延米开挖长度根据钢拱架安装间距进行调整)。

针对过断层措施施工技术条件的特殊性、复杂性，也是施工的重点和难点，必须在设备配置、安全高效和工程质量上做足保证确保工程建设的安全和质量，钢拱架架设主要目的在于承载围岩压力，作为有效支护的骨架，是确保巷道施工过程和今后运行安全的根本保证措施之一。在架设好的钢拱架采用Φ6 mm钢筋网(长度2 000 m×1 600 mm，网格150 mm×150 mm)铺设到左右两侧帮脚的位置。喷射混凝土按照配料3～4次进行喷砼作业，单次喷砼厚度控制在3～5 mm，后续喷砼作业选用高压风清理喷砼面，确保喷砼质量；断层核心段在钢拱架架设完成后立即采用现浇混凝土支护。

主运输平硐地坪厚度和质量控制，一是严格以混凝土相关施工标准进行施工，二是如遇软化泥层混凝土厚度加到500 mm，混凝土中加一层钢筋网(间距，长度以实际情况而定，横筋间距设计为500 mm，钢筋直径为Φ18 mm)，同时钢拱架立柱横向上采用工字钢进行连接，使之钢拱架在轴向和径向形成整体结构形式。断面施工完成后的现场图，见图4。

图4 断面施工完成现场图

3.3 施工结束阶段

施工结束阶段包括现场资料复核和观测点设置，当超前小导管全断面锚喷支护施工完成后，通过测量实测数据、结合地质剖面空间位置分析，确保井巷掘进锚喷支护施工过程期间地质测量数据真实可靠和巷道位移观察。主运输平硐过断层位置工程每隔10 m沿中线位置设置一组巷道变形观测点(主要观测巷道宽度变形情况、拱顶是否存在下沉)，每五天测量一次。

4 结语

通过对断层段掘进与支护技术的综合分析与施工准备，使用超前小导管钢拱架全断面锚喷支护技术进行作业。该技术具有施工工艺工序简单、延米单价低等特点。在贵州开磷集团没租哨矿区主运输平硐断层段施工表明，超前小导管钢拱架全断面锚喷支护施工方案对施工通过断层段有良好效果。研究结果为类似条件巷道开挖及支护设计提供了思路。