破碎带巷道综合支护技术开发及应用

姜定海，褚学超，张 建

（莱钢集团鲁南矿业有限公司，山东 临沂276421）

巷道围岩稳定性主要取决于地质力学环境、支护状况和围岩强度。对于应力状况、地质构造及采动影响等客观方面的因素，采用人工措施的效果并不明显，而是依据巷道断面形状、巷道支护方式和支护结构、施工方式及质量等，采取合理的设计和施工方式来实现围岩变形控制。随着锚杆支护理论的研究深入，围岩的自承能力已经被广泛地认同，如何将围岩作为支护体的一部分是在巷道稳定性控制方面的研究要点。

1 上河矿段工程地质概况

鲁南矿业上河矿段受构造和岩性影响，地质条件差别很大，岩性繁杂，产状变化大，赋存规律性差；不同岩性的岩石，其稳固程度具有显著差别；同一岩性的岩石，因所处地段和构造部位不同，其稳固程度也具有较大差别。因此，需要分区、分水平、分岩性进行详细调查。

根据推断的F1断层影响范围和揭露的岩体情况，在平面上将矿体预分为3个区，一是受F1断层影响区，下盘为43～48线，上盘为47～51线北；二是48～57线区；三是57～62线区，主要是主副井车场及石门巷道。在纵向上，分为-50 m、0 m两个中段。

从区域情况来看，-50 m中段巷道受F1断层影响的范围主要在44～48线，因此该段巷道破坏最为严重。巷道破坏较为严重的地段是55线附近的装载硐室，其次是50、51线附近下盘巷道和主副井车场石门，其他地段巷道围岩较稳定。0 m水平巷道受F1断层影响的程度大、范围广，48线北的下盘、石门、穿脉和51线以北的上盘巷道均破坏严重。其他破坏严重地段为55线附近和副井车场石门的局部地段。

2 巷道破坏原因分析

2.1 岩石特性

从已揭露的岩石看，由于岩性不同，岩石的矿物成分有较大的差别，相应地岩石的物理力学性质也相差较大。以磁铁矿、长石为主要成分的岩浆岩类岩体较稳固，一般情况下不进行支护或者采用喷浆支护形式即可。以斜长石、角闪石、石英为主要成分的变质类岩石或被岩浆侵入的变质岩类岩体稳固性较好，但容易出现局部冒落的情况，对侵入岩石部位需进行加强支护。以绿泥石为主要成分的岩石和破裂严重的岩石稳固性极差，需考虑整体强度及结构的支护形式。

2.2 地质构造

地质构造也是巷道破坏变形的重要原因，岩性相同的岩石，由于构造的影响，岩石的物理力学性质也会存在较大的区别，围岩的稳固性差异较大。对本矿区巷道稳定性影响最大的是F1断层及派生小断层。断层带由于岩石破坏纵深较大，在选择上考虑采用锚索类的深度支护形式。

2.3 围岩构造面

围岩构造面是指地质活动过程中受构造影响形成的节理面、层理面及裂隙等。节理面、层理面发育的岩体在矿体上盘主要为黑云母片岩、角闪斜长片麻岩；在矿体下盘主要为黑云母片岩、角闪斜长片麻岩、角闪绿泥石片岩、绿泥化角闪斜长片麻岩等。这类岩体的破坏主要是由节理面、层理面造成。此类情况主要影响在实施支护的过程中选择的锚固力形成方向，是支护角度选择的关键因素。

3 支护设计

以支护理论、支护技术为依托，充分发挥围岩的自身承载能力，结合本矿山的具体条件，采用锚网喷支护方式，包括素喷，单锚，锚喷，锚喷网，锚喷网、锚索，锚喷网、梯子梁，锚喷网、锚索、梯子梁联合支护等多种支护形式。

3.1 锚杆支护参数

1）锚杆长度。安全系数取1.2，锚杆外露长度取0.05 m，松动圈的厚度值经试验平均取1.2 m，锚杆锚入围岩松动圈外的深度为0.4 m。经计算，锚杆长度不能少于1.98 m，实际使用长度要求2 m以上。

2）锚杆间排距。当锚杆长度为2 m时，锚杆的间排距以0.66～1.0 m为宜。

3）锚固力。根据树脂药卷的长度，考虑到在岩体中锚固，取锚固长度为700 mm。悬吊重量及拉力计算式为G=KγL2D2。其中：G为锚杆悬吊岩石重量，kN/根；K为安全系数，取2；γ为岩体视密度，取27 kN/m3；L2为锚杆有效长度，取1.5 m；D为锚杆间距，取0.9 m。经计算，G=39.7 kN/根。结合现场经验数据确定锚固力≮40 kN。

3.2 锚索支护参数

1）选取规格为φ15.24 mm的锚索，通过设计的锚索抗拉强度以及锚索与锚固剂的设计黏结强度，计算得到锚索的锚固长度为1 070 mm。

2）锚索长度按照英国的计算方法，以潜在的最大破坏高度是巷道宽度的1.5倍为依据，确定潜在破坏高度下盘巷道为6.3 m，上盘巷道为3.9 m。按悬吊作用考虑锚索长度，最小长度下盘巷道为7.6 m，上盘巷道5.2 m。施工取整数分别为8 m、6 m。

3.3 支护方案

依据确定的各种支护材料的参数，结合鲁南矿业上河矿区的各不同工程地质条件确定支护方案。

1）绿泥化角闪斜长片麻岩（绿泥化程度较轻）、角闪绿泥石片岩（绿泥化程度轻）、磁铁矿（裂隙发育）、磁铁矿侵入角闪绿泥石片岩、花岗角闪岩等岩体中的支护。支护方式为锚喷支护；巷道顶板锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，帮部锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。顶板锚杆呈扇形布置。

2）花岗岩等侵入片麻岩岩体（角闪斜长片麻岩中夹带破裂状伟晶花岗岩或其他岩石）的支护。①巷道局部夹层破碎的支护：采取锚杆加钢筋梯子梁的支护方式；锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，锚杆长度2 m，巷道壁分别敷设钢筋网和钢筋梯子梁，梯子梁钢筋直径为14 mm，具体大小依据局部破碎区域大小确定。②局部巷道全断面破碎的支护：支护参数及方式如图1所示。

3）支护围岩主要为断层角砾岩、断层破碎带、绿泥角闪岩、绿泥石片岩、角闪绿泥石片岩（节理非常发育、绿泥化程度重或F1断层附近）、破碎状伟晶花岗岩、破裂（碎）状伟晶花岗岩与花岗角闪岩互侵等。支护方式：锚喷网、梁、锚索联合支护；支护参数：锚杆间排距900 mm×1 000 mm，锚杆直径φ20 mm，锚杆长度2 000 mm；金属网规格1.1 m×1.2 m，网格100 mm×100 mm，钢筋直径6 mm；梯子梁钢筋直径φ14 mm，长度视巷道断面和围岩情况确定；喷浆厚度100 mm，混凝土标号C20。锚索间排距1 500 mm×2 000 mm，巷道断面＜10 m2时，锚索采用单排布置，排距2 000 mm；巷道断面＞10 m2时，锚索采用三花布置。支护方式如图2、图3所示。

图1 局部巷道全断面破碎支护示意图

图2 联合支护剖面示意图

图3 联合支护俯视示意图

4 支护效果

锚网支护巷道的监测是支护成败的重要环节之一，现场监测可以为支护参数的优化和工程质量的管理提供基础数据，更为矿山生产安全提供保障。根据本矿的实际情况，围岩表面收敛监测（表面位移监测）主要监测巷道顶下沉量和两帮移近量。根据巷道围岩表面位移值判断锚杆支护的效果、变形情况及围岩稳定状况。测点布置采用十字布点法。现场量测的数据整理绘制出的位移—时间曲线（u-t曲线）如图4所示。

图4 巷道表面收敛监测情况

巷道在掘进后20 d左右围岩位移量趋于平衡，起到了控制围岩的效果，解决了-50 m以及0 m水平中段矿段北部上盘受断层影响，导致回风巷道无法施工的问题。支护设计方案具有可操作性、易用性、扩展性和高可靠性，并节约材料、降低成本。