高承压水软碎断层巷道的施工技术

黄小忠

(马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司)

高承压水软碎断层巷道的施工技术

黄小忠

(马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司)

在巷道开挖过程中断层及其破碎带是常见的不良地质条件，其断层破碎性、富水性、围岩稳定性等地质条件的确定及支护难度较大。基于TSP、瞬变电磁等物探与工程钻探相结合的综合超前地质预报技术，分析了马钢(集团)白象山铁矿-390 m中段巷道F5断层性质，采用地面与工作面预注浆等综合注浆技术，形成注浆堵水帷幕；基于综合物探预报结果与理论分析，并针对后期承载和高抗渗性要求，采用合理的二次支护结构型式与防渗加固措施，较好地解决了断层破碎带处巷道掘进与支护难题，为安全高效通过富水断层提供了保障。

断层破碎带 巷道掘进 综合物探 联合支护

1 区域地质概况

白象山铁矿区位于宁芜断陷盆地南段，白象山铁矿南部、西部为长江冲积一级阶地，地势平坦，地面标高6～7 m，分布有高压线、公路、良田、村庄等。区内地表水系十分发育，东有石臼湖，西有长江，南北有长江支流水阳江与姑溪河。青山河南与水阳江、北与姑溪河相连，由南向北流经区内。青山河位于矿区西部，由南向北流经矿区。

白象山铁矿地质勘探阶段确定了F1～F1010条主要断裂，其中F1～F3为成矿前张性断裂；F4～F7为成矿后张性断裂，破坏矿体但未发生位移；F8～F10为局部平移断层。

自2006年以来，该矿通过断层发生过两次较大的突水事故。第一次过断层时沟通了上部导水层，最大瞬时涌水量超过928 m3/h，水压4.3 MPa;第二次巷道掘进过断层80 m后支护体顶板垮塌，初始涌水量30～40 m3/h，而后水量持续增大，最后超过800 m3/h, 水压4.0 MPa。由此可以看出，白象山铁矿断层富水性及围岩不稳定性极强，断层通过难度大。

2 综合超前地质预报技术

为准确探测风井-390 m中段巷道过F5断层前方地层与壁后围岩状况及含水情况，采用TSP、瞬变电磁对风井-390 m中段巷道进行探水[1]，并对结果进行综合分析。

2.1 TSP超前预报

TSP法是利用地震波反射回波测量的原理。采用小药量炸药激发地震波震源，震源点位于巷道右侧，设计24炮布置一直线，实际激发23炮，炮间距为1.5 m。探测起始位置自井筒中心线256 m处，探测范围为0～127 m(沿巷道掘进方向)。

2.1.1 超前探测结果

用TSP win软件对接收到的地震波信号进行处理，得到工作面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果。

2.1.2 探测结果分析

TSP超前探测结果分析见表1。

表1 TSP超前探测结果分析

2.2 瞬变电磁探测

2.2.1 探测结果

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间的变化规律，可得到不同深度的地电特征。

采用瞬变电磁，探测-390 m巷道工作面前方10～100 m F5断层破碎带，其超前探视电阻率断面如图1所示。

图1 瞬变电磁超前探视电阻率断面

2.2.2 结果分析

(1)工作面前方30 m范围内阻值相对较低，推断可能为裂隙发育区，富水性相对较弱，巷道在掘进过程中可能会出现少量淋水现象。

(2)工作面前方50～80 m视电阻率阻值不连续，推断可能为岩性变化或裂隙发育区，富水性相对较强，巷道在掘进过程中可能会出现较大的涌水现象。

2.3 井下钻探

(1)钻探结果。为进一步确定F5断层的位置与含水特征，对TSP超前预报及瞬变电磁探测结果进行验证，对井下工作面现场进行钻探。在巷道周边布设5个探水注浆孔，单孔最大出水量为 186 m3/h，水压4.0 MPa，其中在52，65 m处单孔分别出水达121，186 m3/h，并伴有黏泥涌出。

(2)结果分析：①断层含水量较大，富水性强，围岩破碎程度高，断层裂隙发育;②钻探结果验证了TSP及瞬变电磁超前预测的准确性，三者探断层结果较为统一，F5断层在巷道前方50～70 m。

3 过F5断层注浆堵水技术方案

采用地表预注浆与井下工作面注浆相结合的方法进行施工，以保证注浆效果。

3.1 地表预注浆

共布置地面孔4个，断层右侧布设1#、3#注浆孔，左侧布设2#、4#注浆孔，其中1#孔深446.13 m，2#～4#孔深448.63 m。钻孔平面投影如图2所示。

采用水泥-水玻璃浆液和单液水泥浆。巷道充填以双液浆为主，单液浆为辅,其余均采用单液浆。水泥-水玻璃浆液中食盐和三乙醇胺的加入量分别为水泥量(质量)的5‰和0.5‰。

图2 钻孔平面布置

注浆终压设置为12 MPa，1#孔注浆231 t，2#孔注浆169 t，3#孔注浆266 t，4#孔注浆133 t，注浆量基本满足封堵断层上部含水裂隙的需要。

3.2 井下工作面注浆

地表注浆封堵了大的导水构造后，工作面注浆封堵巷道与断层间围岩内的较小裂隙，在巷道外2～3 m形成一个封闭的堵水帷幕(见图3)，避免断层水通过裂隙，沟通巷道。

图3中1#～16#为注浆钻孔，注浆量共计144 t，注浆终压12 MPa,注浆后施工17#、18#检查孔。

3.3 注浆效果分析

为了验证综合注浆效果，注浆结束后向前掘进6 m，在巷道周边打注浆检验孔，孔深8.5～11.5 m(前期注浆推断的断层带)未出现泥质物涌出现象，单孔出水量在1 m3/h 以下，少量孔出现碎石、塌孔卡钻现象，绝大多数钻孔施工正常，表明注浆浆液与破碎岩体胶结较好，堵水效果明显。

图3 风井-390 m水平巷道工作面钻孔布置

4 过F5断层掘进与支护技术方案

4.1 超前预加固处理

首先在巷道迎面布置超前钻孔，对巷道进行喷浆封闭后，在超前钻孔内安装超前导管进行注浆加固，待浆液凝固后进行巷道的扩修、支护[2]。超前导管一般长16 m，可保证进入巷道断层顶板岩层后约8 m。

4.2 掘进与支护方案

4.2.1 掘进方案

采用短掘短支方案，掘进循环进尺控制在800～1 000 mm，以便于支护。距离突水点3 m时采用台阶法施工，上层高度控制在1.5 m，长度2.2 m，宽度2.8 m。在完成小导管施工与注浆加固后，再进行下分层掘进施工，然后对底板进行支护[3]。

4.2.2 第一次支护方案

在完成巷道掘进2～3 m后，采用U29型钢支架与钢筋网(见图4)进行一次支护，并及时喷浆封闭[4]；在掘进2～3个循环后，对巷道围岩及工作面进行喷浆封闭，并对前方巷道采取超前导管探水注浆，然后再掘进。直至穿越断层破碎带进入稳定地层为止。

图4 型钢支架与喷网支护结构(单位：mm)

4.2.3 巷道二次防渗加固

为防止发生出水、坍塌等情况，在初次支护的基础上浇灌钢筋混凝土衬砌，各部位配筋量根据受力和结构要求进行调整，巷道底角采用螺纹钢，并在面层铺设钢筋网，整体浇灌混凝土。初次支护和二次支护总厚度为500 mm。混凝土浇灌前预绑扎好注浆管，根据赋水情况布置间排距，保证注浆管孔口外露30 mm以上，确保正常注浆。完成衬砌混凝土整体浇灌后通过预埋的注浆管对衬砌壁再注浆加固，防止出现衬砌结构混凝土充填不密实的问题。

风井巷道过F5断层初次支护与二次防渗结构如图5所示。

图5 风井巷道过F5断层支护结构与配筋(单位：mm)

4.2.4 巷道过断层

巷道实际揭露断层位置在本次巷道向前51～72 m，运用该掘进支护方案后每循环进尺平均0.7 m，每12 h一循环，共计15 d完成断层掘进，后期二次支护31 d，共46 d安全通过断层。

5 结 论

结合白象山铁矿过F5断层的实际，通过综合超前地质探测与分析，确定了巷道掘进前方地层中的断层与含水特性，针对断层赋水情况采用地面与工作面预注浆等综合注浆技术，形成了较为完整的堵水帷幕；针对后期巷道承载和抗渗要求，运用二次支护结构型式与防渗加固措施，提出了“初次型钢支架+钢筋混凝土衬砌+二次注浆”的联合支护方案，确保了风井巷道安全、高效的通过了该断层。

[1] 卜万奎,茅献彪.断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):386-394.

[2] 赵毅鑫,姜耀东,孟 磊,等.超前管棚注浆支护技术在极复杂断层带中的应用[J].采矿与安全工程学报,2013,30(2):262-266.

[3] 勾攀峰,胡有光.断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(3):285-288.

[4] 刘泉声,张 伟,卢兴利,等.断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(10):1954-1962.

2015-04-14)

黄小忠(1978—)，男，工程师,243184 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。