掘进工作面过断层带施工技术和支护方法研究

曹 东

（新疆天富小沟矿业有限责任公司，新疆 石河子 832026）

我国大多数井田开采范围内都含有断层等不良地质条件，断层带围岩体一般较为破碎，采掘工作遇到断层破碎带时，应采取专门的施工方法和支护措施，以安全顺利地通过断层破碎带[1-3]。因此，研究掘进工作面过断层破碎带时的施工技术和支护方法很有必要[4-5]。

1 工程概况

新疆天富小沟矿业位于石河子市西南部，距离石河子市区75km，井田走向长度3.5km，倾向宽度0.9km，面积约3.47km2。井田范围内有F1、F2、F3三条大的断层带。F1断层倾向南西，倾角60°～65°，南盘下降，北盘抬升，F2断层总体呈285°～115°方位延伸，F3断层呈50°～230°方向延伸。首采工作面采区巷道掘进过程中遇到F1断层，需采取特定的措施。

2 施工技术

2.1 超前支护

掘进工作面遇到断层破碎带时，为保证施工的安全，应当采取专门的施工技术和措施，以顺利通过断层带。根据首采掘进工作面断层破碎带分布范围较大且围岩体破碎程度严重、围岩强度较低的实际情况，提出采用超前管棚加围岩体注浆的联合超前支护技术。管棚的布置参数如下：在距离断层30m左右时，开始布置管棚超前支护，管棚半径32mm，间距布置为180mm。管棚采用长短交错布置的方式，长管棚为30m，短管棚为25m，管棚倾角为15°。管棚布置完成后，需进行围岩体注浆，围岩体注浆压力、浆液类型、注浆量等参数直接影响和决定注浆的效果。注浆可使松散破碎的围岩体胶结成整体，大大提高围岩体的强度和稳定性。根据掘进工作面的实际地质条件，选取水泥单浆作为注浆浆液，注浆压力2.3MPa。

2.2 施工措施

在完整岩层带一般采用掘进机或光面爆破的方法全断面掘进，以提高掘进速度，但在断层破碎带区则不宜使用该类方法。因过大的断面会使原本就破碎的岩层发生失稳破坏，从而造成事故，严重影响矿井安全生产。为避免这种情况的发生，提出采用台阶施工法通过断层破碎带。台阶施工的具体参数为：采用上下两台阶施工。为使施工作业有足够的空间，上下台阶分层高度均取2m，台阶长度取2.5m，宽度取3m。当上层台阶施工完成后，应对已经施工完毕形成的巷道净断面进行加固和支护，采用注浆U型钢等加固措施，待加固完成后再进行下分层的施工。下分层施工完成后同样需对揭露的巷道断面及底板进行充分的支护，如此循环进行，直至穿过断层破碎带，进入稳定围岩10～15m距离。图1为超强管棚支护示意图。

图1 管棚超前支护

3 支护方案

为提高对断层破碎带的支护效果，并对断层破碎带围岩体进行加固，充分减少围岩体的不良效应，经过分析决定采用“U型钢网喷+钢筋混凝土衬砌+后注浆”联合支护方法。

3.1 U型钢支护结构

根据掘进工作面的地质条件和原岩应力经计算，确定采用U29型钢作为支护材料，U29型钢需制作成闭环结构。为使U型钢形成闭环结构，型钢采用三节段制作而成，要求每段搭接长度不小于300mm，同时，U型钢内圈采用8根Φ16 mm圆钢拉杆连接，以充分发挥承载能力。U29型钢采用700mm的排距，待U29型钢和钢筋网铺设完成后，进行初次喷混凝土作业；之后，再铺设一层钢筋网，进行二次喷射混凝土，二次喷射混凝土厚度为50mm。首次支护的示意图如图2所示。

3.2 二次支护结构

选取钢筋混凝土衬砌支护为二次支护形式。二次支护具体参数如下：二次衬砌的转角等应力集中部位如拱顶、拱肩及仰拱的底部需采用螺纹钢进行加固。经过计算，螺纹钢尺寸选用Φ22mm螺纹钢，螺纹钢间距取200mm，铺设一层钢筋网，进行整体浇筑，浇筑采用C40的混凝土，保护层厚度取400mm。二次支护结构示意图如图3所示。

图2 首次支护结构

图3 二次支护结构图

3.3 壁后充填注浆加固

为消除围岩体表面不平整或支护结构不规则造成的局部应力集中或局部支护阻力不够等情况，需进行围岩体注浆和壁后充填。壁后充填能消除支护应力分布不均匀的影响，且可充分提高U29型钢和钢筋混凝土衬砌的承载力，改善其支护性能。注浆管应提前预埋，注浆管间距、排距为1.5m×1.4 m，注浆口外露长度不小于20mm。二次支护完成后即可通过预埋的管道进行注浆和壁后充填施工。为避免注浆管堵塞，注浆之前可用钻头清孔，清空深度约1m，注浆浆液采用水玻璃。为保障注浆效果，注浆压力为2～2.5MPa。

4 支护效果分析

为进一步分析和了解所 “U型钢网喷+钢筋混凝土衬砌+后注浆”联合支护技术对断层破碎带的支护效果，在FLAC3D中建立了有限元模型，对巷道围岩变形，最大、最小主应力等参数进行了分析研究，如图4所示。

图4 支护效果分析

从图4中分析可知，采用联合支护技术对断层破碎带进行支护后，巷道围岩体的总位移量明显减小，最大位移发生在底板两角处，这是由于地应力在巷道角部集中所造成的，掘进巷道顶板和两帮的位移量分布较为均匀，且位移量较小，仅为0.1m左右。可见围岩和两帮的位移已得到有效的控制，从最大、最小主应力分布图中可以看出，巷道的围岩应力分布较为均匀，受力情况明显改善。从以上分析可知，针对掘进工作面过断层破碎带提出的联合支护技术具有较好的支护效果，可保证掘进工作面安全顺利地通过断层。

5 结论

（1）针对新疆天富小沟矿业掘进工作面遇到断层的情况，提出了掘进巷道过断层破碎带时采用超前支护与台阶施工法相结合的施工技术；

（2）提出采用“U型钢网喷+钢筋混凝土衬砌+后注浆”对断层破碎带进行永久支护，并在有限元软件中对该支护方案的支护效果进行了分析，效果良好。