三锚联合支护技术在深井掘进过断层带施工中的应用

田海峰，王俊峰

（乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017307）

1 概述

在断层破碎带施工巷道，开挖容易，支护却极其困难，采用单一支护方式，往往不能奏效。对断层破碎带支护方式及施工工艺，煤矿工程技术人员进行了不断的探索和研究，迄今为止还没有一种能适应各个矿区的施工方法和支护方式。只有结合工程的具体地质条件，科学运用巷道支护理论，采用先进的支护方式和科学的施工工艺，才有可能比较顺利地通过断层破碎带，并使巷道易于维护而处于稳定状态。滕东矿采用锚网喷、锚索、锚注联合支护技术成功解决了深井高地应力巷道过断层破碎带施工及支护难题。

2 工程概况及地质条件

滕东矿是目前枣滕地区设计开采深度最深的矿井。矿井主采下二叠统山西组3下煤层，平均厚度6.2m，埋藏深度在800～1200m之间。3下煤为具有强冲击倾向性的煤层，其顶板为具有弱冲击倾向性的顶板岩层。矿井采用卧式环形井底车场，井底车场埋深921m，设计均位于3下煤层底板细粒砂岩中。

根据矿井精查地质报告及首采区三维物探资料分析，3下煤层及顶底板岩层倾角平缓，层位稳定，井底车场巷道及有关硐室不受断层影响。

在井底车场实际施工中，揭露了F7断层及次生断层，分别穿过井底车场材料车线及3#、5#、6#交岔点、中央泵房管子道、井底煤仓机头硐室。F7断层由2条落差分别为10m和13m的正断层构成，断层破碎带总宽约5～10m，由3下煤、泥岩、角砾充填。断层带围岩破碎，裂隙、片滑发育、胶结性差，易崩解，并伴有淋水。断层带附近煤体强度极低，且煤体与岩石的胶结性差；在受F7断层及次生断层影响，井底车场及3#、5#、6#交岔点相继穿过3下煤顶板灰黑色粉砂岩、灰白色粗砂岩、灰色砂质泥岩及3上煤层（焦）、3下煤层。

3 支护方案

井底车场巷道及有关硐室埋藏深、地压大，地质条件复杂。高地应力、构造应力、巷道开挖后的叠加应力交互影响，给井底车场巷道的施工及支护带来了很大困难。这种情况下要确保支护安全，必须通过改变应力分配，充分利用围岩自身的承载能力，扩大支护结构的有效承载范围，来提高支护结构的整体性和承载能力从而达到良好的支护效果。结合现场条件，决定在巷道开挖后立即进行锚网喷、锚索一次支护，然后进行锚注支护加固破碎围岩，使破碎围岩成为一个较强的承载体，然后对锚索进行二次紧固，充分将岩石的应力分散到深部岩层，提高了支护的刚度，以确保施工巷道持久稳固。

3.1 锚网喷支护参数

根据大埋深、高地压及现场地质条件，断层带及前后5m范围内采用∅20mm×2200mm高强扭矩应力锚杆支护，全长锚固，锚杆间排距均为800mm；全断面使用∅6.5mm丝径、网格150mm×150mm焊接钢筋网；每排锚杆均采用∅18mm圆钢焊接钢筋梯；喷射砼标号C20，喷射厚度120mm。具体支护设计见图1。

3.2 锚索支护参数

采用∅15.24mm快装后应力高强锚索，锚索排距不大于1600mm，每排5根，拱部、两肩窝、两墙各一根。断层带前后5m内锚索长6000mm，断层带范围内锚索长8000mm，均采用加长锚固。断层带内的锚索的安装角度尽可能锚固到断层破碎带之外的稳定岩层中。

图1 井底车场材料线断面支护图（单位：mm）

3.3 锚注参数

（1）注浆锚杆。注浆孔深度尽可能深，保证破碎区应完全固结，并超过此区。选用∅32mm冷轧无缝钢管加工的注浆锚杆，长2500mm。

注浆孔间排距要适宜，应使两孔渗透半径贯通。注浆锚杆排距3m，每排4根，沿巷道拱帮均匀布置。

锚杆、锚索及注浆锚杆布置断面图、平面图见图2、图3。

图2 巷道支护断面图

（2）浆液制作：鉴于注浆目的是加固围岩，选单液水泥浆，选用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，水灰比（W/C）取0.6～1.0。为提高可注性，在水泥浆液中加入2.0%～2.5%的高效早强减水剂。注浆过程中，出现跑浆现象严重时，选用水泥—水玻璃双液浆。双液浆选用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，选用30°～40°Be水玻璃，水灰比（W/C）取0.7～1.0，水泥浆∶水玻璃＝1∶1（体积比）。

图3 巷道支护平面图

（3）注浆压力：由于井底车场材料线距副井井筒较近，为防止注浆压力过大对马头门和副井井筒造成破坏，注浆压力一般不超过岩石单轴抗压强度的1/3。围岩严重破碎时注浆压力不超过0.5MPa，较破碎时不超过1.0MPa，裂隙较小时1.0～2.0MPa，最高不超过3MPa。当表压达到稳定压力后，注浆泵运行5～7min后停止注浆。

4 施工工艺

4.1 工作面的破岩方式

断层带围岩破碎松散，在断层带中掘进巷道，要缩小循环进尺，一般不超过800mm。破岩方法最好以不破坏或少破环巷道围岩为原则。破岩可采用风镐或手镐，若采用钻眼放炮破岩，也应采用光面爆破。

4.2 锚网喷、锚索施工工序

工作面掘进后立即初喷不低于50mm混凝土，接着安装钢筋网、钢筋梯、锚杆，然后打锚索作为一次支护。待锚注完毕巷道变形基本稳定后二次复喷到设计厚度。

断层带附近围岩松散、破碎，工作面围岩开挖后，要立即对工作面围岩进行一次支护，防止围岩暴露后的冒落、风化和发生较大变形，以确保施工的安全。如围岩开挖后难以成型，采用分台阶掘砌，及时进行锚网喷支护。

断层破碎带内锚索孔有时难以成型，安装锚索时先采用慢速锚固剂，后用中速锚固剂，避免安装锚索过程中锚固剂提前固化。由于锚固剂与孔壁围岩固结力较小，预紧锚杆、初次张拉锚索的预紧力均不要超过30kN，否则锚杆、锚索容易被拉出。待锚注加固围岩后再二次张拉锚索至设计预紧力。

4.3 锚注工序

锚网喷支护后及时进行锚注支护。如开挖过程中围岩有可能随掘随冒时，必须采用工作面超前预注浆。如断层带围岩裂隙发展变化缓慢，可先采用锚网喷、锚索一次支护，待围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久，进行巷道壁后注浆。

5 工程实施效果

5.1 巷道变形量

一次支护后即进行了巷道围岩收敛变形观测，如图4所示。

图4 巷道围岩收敛变形观测曲线图

通过观测结果可以看出，巷道变形持续的时间较长，围岩变形量较大。采取锚网喷、锚索一次支护后，巷道围岩移近速度、围岩移近量依然较大，待采取锚注支护后，巷道围岩移近速度、围岩移近量逐渐减小，约一周后基本趋于稳定。

5.2 锚杆、锚索承载状况

由于断层破碎带围岩松软、破碎，锚固剂与围岩之间固结能力差，虽然采取了锚杆全长锚固、锚索加长锚固，但锚杆、锚索初始锚固力一般低于30kN，锚杆、锚索有被拉出现象。采取注浆加固围岩二次张拉锚索后锚索抗拔力增至67～95kN之间。

5.3 观感质量

2007年先后采用锚网喷、锚索、锚注联合支护方式通过了井底车场、管子道、井底煤仓机头硐室等断层破碎带，有出现开裂、变形迹象，观感质量优良。

6 主要结论

6.1 破碎带围岩具有一定的承载能力

现代支护理论认为围岩既是施载体又是承载体，围岩与支架应形成一个有机的整体并共同承载，这是三锚联巷支护理论基础。

滕东矿断层破碎带围岩松软破碎，地应力高，围岩塑性区、破碎区范围大，此时，岩体处于峰后强度、残余强度状态。滕东矿在较大范围的断层破碎带采用先初喷、挂金属网、使用钢筋梯，然后安装锚杆、锚索作为一次支护成功的经验表明，即使范围比较大的断层破碎带也具有一定的自身承载能力。这也说明断层带围岩虽然松散，在断层两盘完整岩体及支护体围压的约束下，仍会以较高的残余强度继续保持传递应力的能力，并且随着围压约束的增加，断层破碎带围岩承载能力提高。

6.2 锚固压缩拱在断层破碎带具有积极作用

根据组合拱理论，对于拱形巷道，一定支护密度的锚杆，通过锚杆预紧力作用，在锚杆及锚固范围的围岩将形成压缩拱，此压缩拱可以承受外面传来的载荷。滕东矿在较大范围的断层破碎带采用锚网喷、锚索作为一次支护的成功经验表明，即使范围比较大的断层破碎带锚固压缩拱也是存在的，并且，压缩拱承载能力随着围压的增加而提高。提高锚杆、锚索的安装应力可以控制围岩的早期变形和松动圈的进一步发展，增加围岩自承能力，提高压缩拱整体的承载能力，它是防止离层发生、减少围岩变形的关键因素。

注浆加固后可以形成一个多层有效组合拱，即锚杆压缩区组合拱、锚索压缩区组合拱及浆液扩散区加固拱，从而扩大了支护结构的有效承载范围，降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，提高了支护结构的整体性和承载能力。

6.3 注浆加固围岩，提高了围岩强度与承载能力

采用断层带注浆，将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分；注浆加固围岩，改变了围岩的力学性质，使高地应力、构造应力等比较均匀地作用在围岩与支护体上，降低了应力集中程度。注浆后使得喷层壁后充填密实，使构造应力、叠加应力等均匀地作用在喷层和支护体上，避免出现应力集中点而首先破坏。

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