王晓波

（山西同煤集团朔州煤电公司，山西 朔州038300）

山西西北部矿区断层密集带的巷道支护不足已经成为问题。该矿区普遍存在断层密集的断裂带。穿越断裂带的巷道常发生严重变形，已成为该矿区的关键问题之一。断层密集，众多巷道严重受损。在断裂带，严重的顶板凹陷和底鼓十分常见，如图1所示。这类故障需要反复维修，最终会阻碍正常生产，增加总成本。

图1 矿区裂隙密集巷道的典型破坏模式

1 地质条件

1.1 F104断裂带的地质条件

F104断裂带由几条主要断层组成。该区域岩体裂隙极为严重，如图2所示。最大断层落差约为80 m。巷道间距离仅30～40 m，加剧了相邻巷道的开挖扰动。该断裂带围岩主要为砂质泥岩、煤、泥岩、粉砂质泥岩。

图2 F104断裂带已开挖巷道掘进工作面照片

1.2 F104断裂带巷道支护困难的关键因素

断层带巷道的稳定性受多种地质因素的影响。F104断裂带的地质条件不利于巷道的稳定性。以下几个关键因素会给巷道支护带来困难，在设计支护策略时应予以考虑。

1.2.1 裂缝密集，整体性差

裂缝是影响岩体整体强度的重要因素。断裂带内的密集裂隙对巷道的稳定性是不利的。研究表明，在破碎岩体中更容易发生剪切破坏。整体性差已成为影响巷道支护的重要因素。

一般情况下，通过注浆可以改善裂缝的整体性。裂缝可以用水泥填充和加固。开挖引起的裂缝可通过注浆管或注浆螺栓/锚索进行后注浆加固。然而，当开挖前地质运动产生密集裂隙时，预注浆是防止巷道大规模变形的有效方法。

1.2.2 构造应力高，围岩强度低

高构造应力是裂缝密集带的典型地质特征之一。强烈的地质构造运动使岩层破碎成无数小块，形成密集的裂隙。岩石主要为砂泥岩、煤、泥岩。岩石又软又破，这给巷道的支撑带来了很多困难。高地应力和低强度围岩是影响巷道变形的重要因素。

1.2.3 裂隙水

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F104断裂带的致密裂缝为裂缝水的储存提供了有利条件。因此，在断层带掘进往往伴随着裂隙水的释放。众所周知，水会削弱岩石，甚至导致岩石膨胀。此外，有些类型的岩石，如泥岩，在水中浸泡后会迅速分解。因此，裂缝水是破坏断层带巷道稳定性的另一个因素。地下水压力也是影响注浆效果的重要因素。注浆压力应克服裂缝水压力。此外，灌浆水泥的固化也会受到地下水的影响。

2 改进复合支护法

根据对F104断裂带巷道支护难点关键因素的分析，对改进后的支护体系应采取特殊措施。

2.1 详细的支持系统

2.1.1 开挖前进行预注浆

在掘进工作面后建有0.8 m厚的混凝土密封墙，在密封墙面上按一定角度和方向钻几个直径为110 mm的注浆孔（见图3）。设计钻孔范围为顶板、侧壁约10 m，底板以下约5 m。

设计注浆压力为12～15 MPa。预灌浆采用水泥硅酸盐(P.O.42.5，水灰比1:25～1:15.5)。为了加快水泥的固化，在水泥浆中加入工业盐（0.5%）和三乙醇胺（0.05%）。

注浆可采用压力法，有利于扩大注浆范围。预加固岩体可以使工作环境更加安全。且较厚的注浆管（图3-4）可形成管顶结构，有利于开挖后巷道的稳定。

图3 超长预注浆孔布置示意图（m）

2.1.2 预注浆后支护措施的改进

预注浆改善了断裂带裂隙岩体的完整性和强度。当预灌浆水泥达到规定的高强度数天后，巷道开挖即可进行。根据预注浆后围岩的特点，对支护措施进行改进，加固效果较好。

与带式巷道支护系统相比，主要区别如下：

螺栓：与带式巷道相比，在螺栓安装上做了轻微的改变，因为带式巷道在开挖前没有预先灌浆。螺栓的距离间隔（Φ22 mm，L=2.5 m）改变了从0.8～1.0，这意味着更少的螺栓安装后岩体pre-grouting已得到改进。

注浆电缆的改进。注浆锚索是淮南矿区近年来发展起来的一项新的岩石加固技术。内设一塑料管，用于水泥浆料的充填。

流通是以往注浆电缆的主要结构。虽然以前的产品在某些条件下表现良好，但也有一些缺点。首先，塑料管很窄，灌浆往往很慢。此外，塑料管不能承受荷载，必然会降低缆索的强度。因此，在带巷安装几个月内，大量注浆电缆被破坏，如图4所示。因此，在已有的技术基础上，还需要进行一些改进。

图4 断裂带注浆电缆的典型破坏模式

研制了一种新型注浆锚索。在注浆电缆的主体结构中增加了实心钢绞线，将周围钢绞线与心钢绞线的间隙用作水泥浆体，使水泥浆体以更低的阻力流动。钢芯绞线可以提高钢索的强度（当直径为21.8 mm时，拉伸强度可超过420 kN），比之前的产品提高约20%。新型注浆锚索在断裂带具有良好的应用效果。

2.1.3 地面注浆电缆

带式巷道底鼓严重，需要加大支护强度。后灌浆是防止新裂缝扩大的重要措施。因此，普通电缆巷道层被灌浆取代电缆（Φ22 mm，L=6.3 m，行距离是2.0 m）灌浆压力的新地板电缆2～3 MPa。

3 实验巷道的支护效果

3.1 井眼成像

利用钻孔成像仪器观测围岩的完整性。图5-1、5-2中未进行预注浆开挖的带式隧洞围岩完整性较差。图5-3、5-4为预注浆后实验巷道内部图像。注浆后钻孔更加完整，证明预注浆的充填效果普遍较好。

3.2 巷道壁位移

A、B遗址的一般地质条件十分相似。设立了几个监测站来监测巷道壁的位移。实验巷道典型位移曲线如图6-1、6-2所示，与之前开挖的带式巷道相比，改进的支护策略有效控制了实验巷道的变形。侧壁位移约为0.3 m，远低于带式巷道。在淮南矿区，穿越断裂带的巷道变形小于巷道宽度的10%（约0.5 m）是可以接受的。

满足这个标准不需要立即修理。开挖4个月后，地表位移率已经下降到1.0 mm/d，在这样的地质条件下已经比较满意。

3.3 螺栓和电缆的轴向力

安装了压力仪表来监测螺栓和电缆的轴向力。电缆和螺栓首先用胶囊树脂锚定。几天后进行后灌浆时，锚索和锚杆全部用水泥锚固。如图7所示，轴力一般在安装后的最初10～30 d内增大，锚杆、缆索开始限制巷道变形。之后，轴向力逐渐达到一个稳定的值。

4 结语

F104断裂带巷道稳定性与裂缝密集、整体性差、裂隙水、构造应力高、围岩强度低等不利因素有关。采用普通支护方法开挖的巷道变形严重。在分析巷道破坏特点的基础上，提出了改进的复合支护方法，并在试验巷道中实施。该系统由长钻预注浆管屋面、锚杆、u型钢支架和喷射混凝土、改进注浆锚索和地面锚索组成。改进后的方案成功地避免了试验巷道的大变形。监测结果表明，改进后的复合支护方法是一种有效的断裂带巷道加固方法。