断层破碎带软岩巷道预注浆复合支护技术研究

亢燕卿

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024； 2.大同煤矿集团有限责任公司矿井建设管理处，山西省大同市，037003)

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断层破碎带软岩巷道预注浆复合支护技术研究

亢燕卿1,2

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024； 2.大同煤矿集团有限责任公司矿井建设管理处，山西省大同市，037003)

针对软岩巷道围岩稳定性问题，以地处区域构造大断层中的南阳坡煤矿巷道为例，提出使用预注浆复合支护新技术，建立“先勘探、预稳定、后施工、强加固、多保险、重测量、准反馈、再优化”的新施工理念。对注浆材料、锚杆规格等进行分析，现场锚杆轴力检测和围岩变形量监测证明了该支护技术的适宜性。结果表明，预注浆锚网喷U型钢架复合支护技术能有效地控制锚杆轴力和围岩变形；新施工理念比较实用，有助于保证巷道施工安全；聚氨酯类非水溶性注浆材料适合于遇水软化围岩的注浆防渗补强；巷道开挖沿纵向主动压力区大致处在25 m范围左右，对于同一断面，巷道开挖对顶板的影响较大。

软岩巷道 注浆 锚网喷 复合支护

煤炭开采过程是工程建设和生产运输的集合体，受巷道围岩地质环境和人类工程活动的影响，巷道开挖后常出现冒顶、片帮、底鼓、渗水、大变形等不良灾害。因此，对开挖巷道围岩进行原位补偿非常关键。特别是随着矿井深度的增加、地质构造更加复杂，巷道的稳定性问题尤为重要。区域地质构造受地层活动的影响，如地层升降、火山喷发、地震作用、爆炸冲击等，制约着区域内的矿业工程建设。大断层破碎带是煤矿巷道施工中经常遇到的不良工程地质体，具有构造复杂、围岩破碎、裂隙发育、应力集中、抗水性能差、泥沙充填、构造应力大、变形大、稳定性差等特点，往往是巷道围岩最不稳定的软弱区段，且支护困难。由于巷道开挖属于隐蔽工程，大断层破碎带的地质特性将会严重影响施工安全。按照常规的断面设计和支护方法很难达到支护效果，有必要采取新的技术方法。

有关断层破碎带软岩巷道支护设计方法的研究主要集中在断面形式、支护方式、开挖设计、施工组织、后期量测、动态优化等方面。不同支护方法之间的方案优化欠缺，使用的注浆材料以水泥、水玻璃-水泥等颗粒型浆液为主，粘度高、收缩大、延性弱，补强效果欠佳。因此，有必要结合具体工程选用较适宜的注浆材料和支护方法。

1 工程概况

南阳坡煤矿区域地层多形成于奥陶系、石炭系、二叠系和第四系，如表1所示。该矿岩层形态为单斜构造，地层走向基本为NE，倾向为NW，倾角为10°左右，断层发育，并有陷落柱和岩浆岩构造。3号煤层所处地质环境复杂，存在区域地质构造大断层，煤层厚度起伏较大，平均约8.13 m，属于稳定可采厚煤层，岩层分布如图1所示。轨道大巷掘进中和断层走向约呈56°相交而过，穿越段呈现裂隙发育、破碎带较多、构造应力大、抗水能力差等特点。

表1 南阳坡煤矿区域地层分布

图1 岩层分布简图

3号煤层分布发育良好，局部含夹石，距离上部2号煤层平均约12.3 m，距离下部底板砂岩层顶部平均约10.9 m，总体呈东南大西北小的变化趋势。煤层岩性分布和岩石的物理力学参数分别见表2和表3。

表2 煤层岩性分布

由表3可知，顶板泥岩孔隙率和软化系数较大，但自身的含水量较低。由于泥岩具有遇水膨胀泥化的特点，因此，施工过程中应避免泥岩遇水。

2 支护方案的选择原则

为保证进度、节约成本，巷道断面原设计为矩形，采用锚网索-液压支架复合支护。然而在施工过程中发现，由于巷道顶板为泥岩，具有遇水膨胀泥化特性，使得锚杆锚固剂和围岩的粘结力达不到设计要求。此外,巷道掘进后出现了严重的片帮破坏现象，如图2所示。因此，有必要采取新的断面形式或支护方式。

表3 岩石的物理力学参数

巷道的支护方式有外部被动式、内部主动式和内外混合式，如：衬砌结构、注浆加固、锚网喷支护等。考虑到断层破碎带裂隙发育，构造应力大、抗水能力差，且顶板泥岩遇水易膨胀泥化，严重影响施工过程中的安全，不利于锚杆和围岩的粘结，故初步将断面设计成受力较为平衡的曲墙拱，锚网索+U型钢架复合支护，以降低巷道两帮的侧向压力，进而减小顶板下沉和两帮片帮。结果表明，巷道仍存在安全隐患，如图3所示。

图2 矩形断面锚网索-液压支架复合支护

图3 曲墙拱断面锚网索U型钢架支护

经过上述分析可知，采取预注浆方法首先对断层破碎带围岩一定范围进行预稳定，然后选用锚网喷+U型钢架复合支护，可以为巷道掘进提供安全的施工空间，如图4所示。之前采用的超前支护为液压支柱+Π型钢梁+工字钢，占用施工空间、增加施工难度，且支护效果不好，拆卸复杂。实测结果表明，锚网喷+U型钢架复合支护有效地控制了锚杆轴力和围岩变形。

图4 曲墙拱“马蹄形”断面预注浆复合支护

3 预注浆复合支护设计

支护设计主要包括预注浆设计和锚网喷+U型钢架设计。预注浆主要包括注浆材料选择和注浆工艺制定，锚网喷+U型钢架设计主要包括各元素的规格尺寸。

3.1 注浆材料和施工工艺设计

为预先保证开挖岩体的稳定性，提供安全施工空间，采取超前预注浆方式进行加固。考虑到顶板岩体富含裂隙、遇水易软化等特点，可选用裂隙渗透扩散形式注浆。之前采用水泥、水玻璃-水泥等注浆材料，虽然强度高、成本低，但也存在粘度高、收缩大、易离析、脆性大等缺点，并不适用于存在动压的遇水泥化煤巷围岩。因此，经过对不同注浆材料的可注性、流动性、可控性、强度、抗渗性、耐久性、环保性等指标的比选，结合工程经验，选用新型化学注浆材料聚氨酯类非水溶性注浆材料，具有可注性好、粘度低、流动性好、诱导期可控、收缩小、强度高等特点，该注浆材料遇水发生反应二次加固土体，且具有一定的韧性，可随土层发生同等变形，不易发生破坏。注浆加固采用注浆管预先将浆液注入欲开挖的岩层中，注浆深度为4 m，注浆时间为20 min，注浆完毕后停留15 min即可开始开挖，具体施工工艺如图5所示。

图5 注浆施工工艺布置

3.2 锚网喷+U型钢架设计

锚网喷+U型钢架设计主要涉及锚杆的设计，菱形钢筋网、喷层厚度、U型钢架、托盘、W型钢带等均使用标准规格。锚杆长度设计主要根据松动圈直径、锚固段、锁具端、煤层厚度等综合确定，锚杆间排距设计主要根据锚固力、抗拉强度、锚杆直径等进行计算。计算结果为：锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2.6 m，排间距为1.0 m，锚固力为60 kN，抗拉强度为190 MPa。另外，钢筋网尺寸为3000 mm×3000 mm×4 mm(长×宽×厚)，托盘尺寸为250 mm×250 mm×10 mm(长×宽×厚)，混凝土为80 mm厚的C30抗渗混凝土。巷道松动圈和支护布置如图6所示。

图6 松动圈和支护布置示意图

3.3 施工组织设计

施工组织设计是指导现场施工的依据，对于地下隐蔽型工程，多存在不确定性，有必要制定一定的施工原则。结合地下工程建设的全过程，涉及的主要元素有工程勘察、开挖、支护、监测、反馈和优化。该软岩巷道支护主要涉及地质勘察、超前支护、分步开挖、锚网喷支护、U型钢架巩固、锚杆轴力检测、围岩变形量测等。因此，根据对应关系制定出“先勘探、预稳定、后施工、强加固、多保险、重量测、准反馈、再优化”的施工理念，具有很好的新颖性和实用性。

4 支护效果评价

为保证巷道施工安全，评价曲墙拱断面和预注浆+锚网喷+U型钢架复合支护的有效性，有必要围绕质量和安全，对锚杆轴力和围岩变形进行量测。

4.1 锚杆轴力检测

锚杆轴力检测是为了验证锚杆抗拔力的准确性，以及不同施工工况下轴力的变化及其和围岩变形之间的关系。该检测使用MJ-40锚杆测力计，设置两个测站，每个测站断面布置4个锚杆测力计，如图7所示。其中，两个测站相距30 m，均在已完成支护的断面进行。测站2在测站1监测19 d后才安装完毕，每开挖10 m随即进行支护封闭，检测结果如图8所示。

图7 锚杆轴力检测布置

由图8可以看出，测站2和测站1锚杆轴力变化趋势基本一致，测站1的4个锚杆轴力检测点随时间变化趋势基本一致，前13 d轴力变化较大，前7 d变化差值最大，之后逐渐趋于稳定。这是由于测站1安装完毕后继续开挖对锚杆产生影响，沿纵向存在主动压力区。第7 d时，离测站10 m范围内已完成支护，因此之后变化值不断减小，同时说明巷道开挖沿纵向主动压力区大致处在25 m左右。对于同一断面，顶板的锚杆轴力最大，依次为肩部、腰部，说明巷道开挖对顶板的影响较大。测站2类似于测站1，同样验证了上述内容。但唯一不同的是测站2在第7 d时出现了轴力突然增大的现象，这是由于第7 d在支护时发生了较大冒顶事故，导致纵向主动压力区受到冲击所致。测站1锚杆所受的最大轴力为18.7 kN，测站2为36.7 kN，均小于锚杆锚固力60 kN，满足要求。另外，测站2的锚杆轴力大于测站1，这是由于测站2所在范围内的地质情况相较测站1更加复杂、不稳定。

图8 锚杆轴力检测结果

4.2 围岩变形量测

锚杆轴力满足要求的情况下，如果围岩变形过大，同样影响施工安全，这就是所谓的变形控制设计方法。围岩变形量测采用数显收敛计，两个测站和锚杆轴力检测测站毗邻，量测方法和锚杆轴力检测类同，每个测站设置3个量测点，分别设在围岩顶部和腰部，进而量测水平收敛值、竖向下沉量等指标。测点布置和量测结果分别如图9和图10所示。

图9 围岩变形量测点布置

由图9和图10可以看出，两个测站的顶板下沉量、两帮收敛量、顶板下沉速率和两帮收敛速率变化趋势较为类似，且和毗邻的锚杆轴力变化规律较为相似，临界时间也为7 d和13 d。两个测站的顶板最大下沉量分别为30.3 mm和44.6 mm，两帮最大收敛量分别为23.4 mm和34.4 mm，均符合工程要求。测站2的顶板下沉和两帮收敛速率稍大于测站1。顶板下沉和两帮收敛速率呈一定的波动状态，这是由于受巷道开挖和采动的影响。

图10 围岩变形量测结果

由锚杆轴力检测和围岩变形量测结果可以看出，预注浆+锚网喷+U型钢架复合支护是有效的，预先注浆使得围岩整体性增加，应力得到重分布，一定程度上减少锚杆拉力，进而遏制了围岩变形，提高了围岩的稳定性系数。

5 结论

(1)预注浆+锚网喷+U型钢架复合支护是有效的，预先注浆使得围岩整体性增加，应力得到重分布，一定程度上减少锚杆拉力，进而遏制了围岩变形，提高了围岩的稳定性系数。

(2)“先勘探、预稳定、后施工、强加固、多保险、重量测、准反馈、再优化”的施工理念比较实用，有助于保证巷道施工安全。

(3)巷道开挖沿纵向主动压力区大致处在25 m范围左右。对于同一断面，顶板的锚杆轴力最大，依次为肩部、腰部，说明巷道开挖对顶板的影响较大。

[1] 庞志军, 张泽飞, 张建国. 王坡煤矿破碎煤岩体巷道支护与加固技术研究 [J]. 中国煤炭，2014(11)

[2] 张斌川, 卢辉, 刘路等. 不同支护形式下深部巷道支护对比试验研究 [J]. 中国煤炭，2014(12)

[3] 张向东, 张虎伟, 阮剑剑. 软岩巷道锚网索联合支护设计及支护效果分析 [J]. 中国地质灾害与防治学报，2011(3)

[4] 杨永亮，孔祥义，王君烨. 软岩巷道支护技术研究与应用 [J]. 煤炭技术，2009(2)

[5] 李宏斌, 贺瑞彬, 王德雪等. 软岩大巷断面形式选择及支护参数研究 [J]. 中国煤炭，2016(4)

[6] 周新勍. 厚煤层软岩巷道支护优化设计与围岩变形控制研究 [D].辽宁工程技术大学, 2014

[7] 张向东, 霍金宝. 特厚松软煤层巷道破坏机理及控制技术 [J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2015(6)

[8] 杨张杰, 王庆牛. 近距离煤层下采上掘动压影响巷道支护技术研究 [J]. 中国煤炭，2017(4)

Researchonpre-groutingcompoundsupporttechnologyforsoftrockroadwayinfaultfracturezone

Kang Yanqing1,2

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. Management Division of Mine Construction, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

Aiming at difficulties in solving stability of soft rock roadway, taking Nanyangpo Mine located in the regional tectonic fault zone as an example, the new technology of pre-grouting compound support was proposed, and establishing the construction concept of investigating first, prior stabilization, constructing afterwards, reinforcing strongly, multi insurance, focusing on measuring detection, feedback precisely, re-optimization. Then the grouting material and anchor specification were analyzed, and the feasibility was verified by anchor axial force detection and rock deformation monitoring. The results showed that pre-grouting compound support technology with anchor-net-spray & U-type steel frame can control axial force and rock deformation effectively. The new construction idea was useful to keep roadway construction safe. Polyurethane non-water-soluble grouting materia was better to solve the permeation and strength of soft rock. The active pressure area along longitude of roadway was about 25 m, and its influence on roof was more apparent.

soft rock roadway, grouting, anchor-net-spray, compound support

国家杰出青年基金资助项目(51225404)，“三晋学者”支持计划资助项目(2013)

亢燕卿. 断层破碎带软岩巷道预注浆复合支护技术研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(10)：45-49，95.

Kang Yanqing. Research on pre-grouting compound support technology for soft rock roadway in fault fracture zone [J]. China Coal，2017,43(10)：45-49，95.

TD822 TD263

A

亢燕卿(1985-)，男，山西原平人，硕士，工程师。主要从事矿井地质和安全管理研究工作。

(责任编辑 陶 赛)