某铁矿-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层支护技术研究

冯亮亮 张云国 樊铭静

(翁牛特旗盛世莲花矿业有限责任公司，内蒙古 赤峰 024500)

0 引言

巷道开挖过断层时因围岩完整性较差，支护难度显著增加，若支护不合理常导致冒顶、片帮等事故频发，严重威胁矿山安全高效生产[1]。因此，如何有效控制巷道过断层时围岩变形，成为国内学者和专家关注的焦点问题。其中包括：针对红庆梁煤矿软岩巷道过断层破碎带围岩控制问题所提出的“预注浆+变截面+超前管棚+‘锚+网+索+喷+架+复喷’”的联合支护措施[2]；采用“混凝土止浆墙预注浆治水堵水技术、预应力锚杆锚索和U型钢棚”的综合支护措施有效解决了刘家窑矿皮带巷过断层时的治水和支护问题[3]；采用“扩刷成型+锚网喷支护+深浅孔耦合注浆加固”措施有效控制了睦山铁矿软弱破坏围岩变形较大的问题[4]。基于上述研究成果，结合某铁矿-540 m中段E1’穿脉运输巷实际工程地质情况和过断层巷道支护原则，采用FLAC3D数值模拟软件对无支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬4种支护情况下巷道过断层时围岩变形情况进行研究，确定了最佳支护方案和支护参数，并基于现场观测数据对支护效果进行分析，为类似工程条件巷道过断层围岩控制提供了参考。

1 工程概况

某铁矿为埋深260 m以下的接触交代型隐伏磁铁矿床，含矿地层为三叠系上统黄马青组下段，厚度为204.36～285.24 m，其上部为粉细砂岩互层，下部为含铁砂岩和页岩。矿体面积约2.06 km2，铁矿表内B+C1+C2级储量约2.15亿t，表外储量约460万t，Tfe平均品位41.52%。-540 m水平中段E1’穿脉运输巷为无轨运输巷道，断面形状为直墙半圆拱形，尺寸为3.20 m×2.83 m(宽×高)，主要作为运输、通风和行人等通道，巷道通风方式为压入式通风，施工方式为钻爆法。巷道布置情况见图1。

图1 E1’穿脉运输巷布置图

E1’穿脉运输巷施工期间需垂直穿越F8正断层，F8正断层属张性断裂，长度约为2 400 m，对局部矿体造成破坏。E1’穿脉运输巷垂直穿越F8正断层期间，由于断层影响区内岩体完整性较差，强度较低，巷道围岩变形较大，维护困难，极大影响了巷道正常使用和矿体安全高效开采。基于此，采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法，对E1’穿脉运输巷过F8正断层的支护方案和参数选取进行了研究。

2 巷道过断层支护原则

-540 m水平中段E1’穿脉运输巷为深埋巷道，从技术可行和经济合理两方面考虑，该巷道在过断层支护时应遵循以下基本原则[5,6]：

1)时效性原则。深埋巷道自身所承载的覆岩重力较大，巷道围岩极易因较大的顶板拉力和侧向压力发生较大收缩变形，而巷道施工所产生的扰动使得断层影响区内岩体完整性进一步劣化，裂隙进一步发育扩展，若不能及时形成有效支护极易发生安全事故。因此，深埋巷道过断层支护应遵循时效性原则，即对过断层巷道采取及时有效的支护。此外，考虑到巷道服务年限较长，而岩石蠕变和支护结构蠕变特性会弱化巷道支护效果，因此应提高支护安全系数以确保巷道设计年限内的正常使用。

2)温度控制原则。巷道所处环境温度与其埋深成正比，因此深埋巷道所处环境温度较高。在采用混凝土支护时，较高的温度会导致混凝土养护期间产生裂缝而劣化支护效果。因此，在支护过程中要选择合理的混凝土材料和养护方式。

3)充分利用围岩和支护共同作用原则。由于巷道围岩具有一定的自承载能力，应确保所选取的支护方式能充分发挥围岩的自承载能力，令支护与围岩协调作用，加强支护和围岩间的结合，以实现支护和围岩共同作用而加强支护效果的目的。

3 数值模拟

3.1 模型建立

以-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层为工程背景，结合该巷实际工程地质条件和岩石基本力学参数，利用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值计算模型，模型尺寸为150 m×60 m×100 m(长×宽×高)，所建模型见图2。模型边界条件为：底部固定位移边界，左右两边限制固定纵向位移边界，在顶部施加13.0 MPa的均布载荷以等效上覆岩层重力。基于现场取芯测试结果并结合工程地质资料，经过多次调试后确定所取岩体和断层岩石的物理力学参数见表1。

图2 数值计算模型

表1 岩体和断层岩石物理力学参数表

3.2 模拟方案

为了探究过断层时巷道合理支护方式及参数，分别对无支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬4种支护情况下过断层时巷道围岩塑性区分布情况进行模拟研究。模型中巷道开挖分5次进行，每次向前推进4 m，巷道一次开挖成型。为了分析过断层时巷道围岩塑性区分布，将巷道开挖揭露断层3 m时作为围岩塑性区分析点。各支护方式模拟过程为：1)喷射混凝土支护：喷射混凝土取材钢纤维混凝土，分两次喷射，第一次和第二次喷射混凝土厚度分别为50 mm和100 mm；2)喷锚网支护：先喷射50 mm厚的混凝土，然后进行锚网支护(Φ26×3 200 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 200 mm×2 800 mm)，最后再喷射100 mm厚的混凝土；3)喷锚网+二次砌衬联合支护。根据GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》和相关文献[7]对喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬联合支护时的模型结构参数进行了选取。

3.3 不同支护条件下巷道围岩塑性区分布特征

无支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬联合支护情况下巷道过断层时围岩塑性区分布见图3。由图3(a)可知，无支护条件下，当巷道过断层时受巷道开挖扰动、岩层压力和断层的影响，巷道两帮、顶底板和拐角处均发生较大范围的塑性变形。当对过断层巷道进行喷射150 mm厚的钢纤维混凝土支护后，巷道顶板塑性区范围显著相对于无支护时减小，巷道两帮及底板塑性区范围也相对减小，但幅度不大，如图3(b)所示。这是由于所喷射钢纤维混凝土填充了巷道表面裂隙，增加了巷道表面围岩完整性，同时在巷道形成“壳体”结构，这种“壳体”结构在圆拱作用下产生较大弯矩，显著降低了巷道顶板塑性区发育，但对两帮的塑性区作用较弱。由图3(c)可知，对过断层巷道采用喷锚网支护后，巷道顶板和两帮塑性区范围相对于无支护和喷射混凝土支护时均显著减小，这是由于喷锚网支护极大增强了巷道围岩整体性，对巷道围岩变形起到了较好的限制作用，显著改善了巷道围岩塑性区发育情况。如图3(d)所示，采用喷锚网+二次砌衬联合支护时，巷道顶板、两帮和底板围岩塑性区基本消失，表明该支护方式对巷道围岩变形和塑性区发育的控制效果最好，能确保过断层巷道长期保持稳定。

(a)无支护 (b)喷射混凝土支护

(c)喷锚网支护 (d)喷锚网+二次砌衬联合支护图3 不同支护条件下巷道过断层时围岩塑性区分布

4 支护方案及效果分析

4.1 支护方案

基于数值模拟结果，确定-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层支护方式为喷锚网+二次砌衬联合支护，巷道支护断面见图4。喷射厚150 mm的钢纤维混凝土，锚杆规格为Φ26×3 200 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 600 mm×2 800 mm，两帮第一根锚杆均与水平方向成25°(±5°)仰角布置，锚杆预紧力为150 KN；顶部和两帮锚杆均选用1卷规格为MSCK23/70Q/YZK033树脂锚固剂锚固；菱形金属网规格为2 800 mm×1 100 mm，网孔50 mm×50 mm。

图4 支护断面图

4.2 支护效果分析

为了掌握喷锚网+二次砌衬联合支护在-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层时对围岩变形的控制效果，在-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层位置建立测站，对巷道表面变形进行实时监测，获得的观测数据见图5。由图5可知，采用喷锚网+二次砌衬联合支护后，在60 d的变形观测期内，巷道表面前20 d的变化较为显著，变化量较大，巷道顶底板和两帮位移量分别达到55.59 mm和92.19 mm；而在20 d以后，巷道围岩变形量缓慢降低，并最终在40 d时趋于稳定。另外，在变形观测期内，巷道顶底板和两帮最大位移量分别为63.80 mm和109.45 mm，在允许范围内，表明该支护方式对-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层时围岩变形控制效果显著，能确保巷道长期正常使用。

图5 巷道围岩变形量

5 结语

1)基于-540 m中段E1’穿脉运输巷工程地质条件和过断层巷道支护基本原则，采用FLAC 3D数值模拟软件对无支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬4种支护情况下过断层时巷道围岩塑性区分布情况进行模拟研究，结果表明采用喷锚网+二次砌衬时过断层巷道围岩塑性区分布范围最小，最有利于巷道长期正常使用。

2)现场实测结果表明，采用喷锚网+二次砌衬联合支护后，-540 m中段E1’穿脉运输巷过断层时巷道顶底板和两帮最大移近量分别为63.80 mm和109.45 mm，巷道围岩变形控制效果显著。