1、专题部分断层破碎带巷道支护摘要：针对断层破碎带断层落差大、构造应力高、围岩岩性差和破碎易垮落的特点, 从提高巷道围岩强度和支护结构稳定性角度分析该地质状况下控制巷道变形的关键问题, 提出断层破碎带巷道注锚支护技术, 并得到成功的巷道支护技术应用。关键词：断层，巷道，支护0 引言目前，矿井开采深度逐年增加。随着采深增加，深井破碎围岩的情况逐渐加人，巷道围岩的稳定性越来越难以控制，严重影响生产和威胁安全。断层破碎带应力分布复杂, 是易形成较高的应力集中区，围岩极为容易破碎，巷道掘进过程中极易片帮冒顶。因此断层构造带巷道支护技术一直是高应力软岩巷道支护技术研究的重点、难点，研究深井断层破碎带条件下的
2、巷道围岩控制技术十分必要。我国是世界上煤炭资源最为丰富的国家之一，巷道支护是煤矿开采技术的一项重要内容。但在煤矿地质条件多变的情况下，巷道的支护形式和支护参数也应随之发生变化。地壳受地质应力的作用产生了很多断裂、褶曲等构造，处于这些构造带中的巷道，由于岩层节理发育，多组节理互相切割，破坏了围岩的完整性，尤其是层间错动带、断层破碎带、褶皱破碎带以及受岩浆入侵形成的挤压破碎带等。这些地带围岩通常比较松散破碎，围岩的松动范围较大，单纯的采用锚杆支护难以维护破碎围岩巷道，此问题一直困扰着矿山巷道的安全及使用。为防止支护体及巷道围岩承受过高的集中载荷而遭到破坏，如何采用较低的支护成本达到较好的支护效果，
3、保证矿井安全生产，是井下巷道支护的终极目标。我国的煤炭资源分布广阔，由于矿井地质条件复杂，很多巷道布置要穿过较为破碎的地质构造带时难以维护，给巷道的掘进和安全使用带来极大隐患。本文主要依据现代注浆理论结合工程实践，对破碎带巷道围岩进行壁内注浆结合锚杆加固进行了研究。巷道壁内注浆是一种主动强化围岩强度的手段，通过注浆可以改善巷道围岩力学参数，提高围岩的整体性能强度，结合现代化矿山锚杆支护手段可有效抑制巷道变形破坏，因此注锚支护拥有广泛的应用前景。1 国内外研究现状1.1 国内外巷道围岩注浆技术的研究现状注浆技术是一项具有很强实用性、很广应用范围的工程技术。它通常通过采用一定的压力手段，在岩层的孔
4、隙注入某些能与围岩固结的浆液，从而增强岩体强度，使巷道围岩体形成稳定性高的新结构体，从而达到改善围岩物理力学性质的目的。目前，国内外研发和使用的注浆材料可达几十种，但工程中大多是采用水泥浆液注浆和化学浆液注浆（主要是树脂类），见表1-1。200年前，注浆技术在地基加固工程上第一次应用，由法国土木工程师查理斯贝里格尼(CharlesBergne)进行。我国对注浆技术的研究和应用开始于上世纪50年代初期，矽化法在矿山行业中首次采用了井巷注浆技术。目前，注浆加固技术在金属矿山中应用较广，在壁后注浆方面技术已趋于成熟，但在煤矿巷道围岩注浆方面的技术还未得到广泛推广。表1-1注浆材料注浆材料无机系粘土类
5、水泥类普通水泥类水超细水泥类水玻璃类复合类粘土-水玻璃类水玻璃-水泥类硅粉-水泥类粉煤灰-水泥类水玻璃-粉煤灰-水泥类有机系环氧树脂类聚氨酯类不饱和树脂甲基丙烯树脂类不丙烯环氧树脂类丙烯酰胺类凝缩烤胶类木质素类丙烯酸盐类聚乙烯盐类脲醛树脂类酚醛树脂类有机-无机系有机高分子水玻璃1.1.1 注浆理论研究现状浆液靠泵压在岩层孔隙或裂隙中流动，由于岩体结构的各向异性，造成浆液在岩体内的流动方式和途径不同，从而造成了不同的注浆效果。因此，对岩体结构的研究成为整个注浆理论的基础。岩体注浆理论目前主要有：(1) 多孔介质理论该理论认为地下工程围岩岩体是一种多孔隙结构，浆液通过孔隙通道在岩体中流动，根据围岩
6、体内孔隙的分布情况，把多孔介质分为各向同性多孔介质及各向异性多孔介质。该理论的主要代表为1938年Maag推导出牛顿浆体在砂层的球形渗透公式和随后出现的宾汉姆浆体的渗透公式、Raffle-Greenwood球形渗透公式、柱状渗透理论及粘时变流体在地层中的渗透公式等。这些理论极大地促进了注浆技术在工程上的应用及发展。(2) 拟连续介质理论基于岩体中存在裂隙节理，把裂隙中的浆液流动通过等效原理等效到整个岩体中，此时岩体空间内每一点的岩石和裂隙都保持连续，然后运用连续介质理论对注浆进行分析。(3) 裂隙介质理论该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内通过裂隙网络流动。该理论模型的代表为牛顿
7、浆液模型和宾汉姆浆液模型，但上述理论模型条件较理想化，仅限于单一裂隙，要求裂隙面光滑且宽度一定，同时要求浆液在裂隙内的流动为层流。而现实中裂隙粗糙度、裂隙的张开度与注浆压力有关，在岩体裂隙中紊流运动时的浆液渗流公式还有待进一步研究。(4) 孔隙和裂隙双重介质理论该理论认为围岩体由孔隙性差而透水性强的岩体裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该类岩体介质中流动时，既可在裂隙中流动，又可在岩块孔隙中流动，并在两者之间发生交换。近几十年来，国内外学者对渗透注浆进行了广泛而深入的研究，得到了浆液在裂隙中的渗透规律。刘嘉材利用牛顿模型推导出了浆液沿裂隙面径向流动的扩散方程；Baker假设注浆
8、孔横穿宽度为的单一光滑裂隙，通过图解法得出了浆液在裂隙中的渗透规律Louis得出了牛顿浆液在二维粗糙裂隙中的流动公式。1.1.2 岩层注浆模拟现状(1) 奥地利科学家对单裂隙中浆液流动过程进行了模拟试验。通过在试验中采用的3种不同的模型，建立注浆流量、注浆压力及渗透半径之间的关系；测出不同裂隙间距下流量、注浆压力及浆液粘度之间的关系；得出了粗糙度对注浆流量及浆液扩散半径的影响。(2) 前苏联曾进行细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以给定注浆压力为条件，得出了浆液流量、注浆压力、渗流速度、注浆时间和浆液扩散半径之间的关系。(3) 国内学者在注浆参数方面也进行了一系列注浆模拟试验研究。如中国水
9、利水电科学研究院研制的平板型注浆试验台，通过试验，建立了牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径与注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系。东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台，用它研究了多孔介质体中注浆渗流过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律。1.1.3 岩体注浆效果监测现状浆液在岩体裂隙中的渗流不仅取决于浆液的物理性质和注浆压力，也取决于岩体的可注性（裂隙的宽度、长度和密度）等因素。注浆效果检测是评价注浆工程的主要手段。目前，国内外关于注浆效果的检测大体上通过取样试验和现场检测进行，见表1-2。壁内注浆施工属于不可视工程，因此，注浆后岩体的质量控制主要靠施工过程的监控。传统的监
10、控主要靠流量控制以及压力控制等，但实际上，浆液在岩体裂隙内的流量是不均匀的，且岩体裂隙内的流量和压力都是随时间而变化的，单纯靠任何一个指标来控制注浆过程都是不科学的。近年来国内外针对注浆效果监测已做了大量研究工作，并且积累了大量的实测资料，可通过一定监控手段动态跟踪监测注浆过程流量和压力的变化，但目前用现有的研究成果来指导工程施工，尚缺乏有力的论证。表1-2注浆效果监测方法检测种类检测内容检测方法取样试验固结体强度抗压试验固结体渗透性渗透试验注浆范围声波探测固结体密度射线密度计现场检验围岩变形量表面位移及深部位移观测围岩渗水量设点观测围岩单位时间内渗水量防渗效果钻孔压水试验1.2 国内外处理位
11、于破碎带中的巷道围岩稳定性现状传统的处理构造破碎带巷道的方法是采用被动加强支护手段抵制围岩失稳，如砌碹、架棚支护、木垛等。近年来，国内外专家学者通过对破碎带巷道支护技术等的深入研究，通过采用壁内注浆主动加强巷道围岩体的手段，结合现代化支护技术，达到了维护巷道稳定的目的。1.2.1国内处理位于构造破碎带中的巷道现状20世纪70年代以来，我国从支护材料、支护形式及工艺改革等方面大力开展对巷道支护进行研究，发展形成了锚喷支护、锚杆、锚杆+锚索及锚杆+锚索+网+喷浆等联合支护等系列巷道支护体系。但对于处于构造破碎带的巷道，由于其节理裂隙较发育，上述常规的支护方法已经难以维护巷道的稳定性，巷道会产生变形
12、失稳。采用围岩壁内注浆技术，可达到改善围岩力学性能、增强围岩整体性、控制围岩变形的效果，从主动加固围岩的角度提高了围岩的自承能力，对维护巷道的稳定能起到良好的效果。国家“八五”重大科技攻关课题提出了将锚杆和注浆结合的锚注一体化支护技术。锚注加固技术实用性强、应用范围广，己广泛应用于矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁和土木工程等各个领域。20世纪纪80年代以来，以支护为目的的巷道围岩注浆技术在俄罗斯、德国等地开始研究与推行，我国同期也在深部复杂和不良岩体的巷道工程中采用注浆技术。典型的实例有：1) 淮南潘三矿580m水平西一至西二石门集中巷由于受地质构造的影响，巷道变形严重，维护极其困难，呈
13、现前掘后修、前修后坏的局面，经采用锚注后，巷道围岩两帮和顶底板移近量和移近速度都有了较大程度的较少，巷道变形得到明显控制，锚注加固在该矿获得成功；2) 峰峰矿业集团新三矿岩巷过地质构造围岩破碎带采用常规支护时巷道曾反复维修，巷道难以维护，对该特殊地段采取了注浆加固的方法后，取得良好效果。1.2.2国外处理位于构造破碎带中的巷道的现状上世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabeewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法，新奥法目前已成为地下工程重要的设计施工方法之一。上世纪70年代，M.D.Salamon等人又提出了能量支护理论。该理论认为，支护结
14、构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放部分能量，支护结构吸收部分能量，但总的能量无变化。因而，主张利用支护结构，使支架自动调整围岩释放能量和支护体吸收能量，使支护结构有吸收多余能量的功能。英国、俄罗斯、德国、法国、波兰等西欧国家直到上世纪80年代仍以金属支架为主，以其良好的支护效果，在浅部开采中得到了发展。后来，引进美国、澳大利亚的锚杆支护技术。目前，西欧大多数国家各类不同类型的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总量的90%；美国、澳大利亚在近几十年的煤矿深部开采中，一直以锚杆支架为主体进行联合支护，对于极不稳定围岩主要采用组合锚杆桁架、锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式
15、。前苏联、奥地利、德国等国在上世纪80年代开始用空心锚杆注浆，实现了锚注，并广泛使用于矿井支护。隧着地下开采的不断深入，支护问题日益突出，研究也不断的深入，弹塑性力学、断裂力学等大量力学及理论都引入了巷道支护技术的研究，特别随着计算机技术和数值计算方法的发展，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现，并应用予地下工程，如：ANSYS、FLAC、3D、RFPA、UDEC等国际著名软件应用程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具。1.3 研究的主要内容与方法本论文主要以固庄煤矿15号煤层七采区顺槽巷道穿越构造破碎带为研究对象，定性与定量研究该采区工作面顺槽的围岩强度、围岩裂隙发育程度、煤层厚度与顶板条件对巷道稳定性的影响，通过理论计算分析，建立力学模型，运用FLAC数值软件模拟，结合工程类比得出15号煤层七采区工作面顺槽在破碎带中的支护技术方案。研究方法：首先，需要建立力学模型，将巷道围岩看做一个结构体（大结构套小结构）；其次，研究小结构的力学机理，围岩稳定性；第三，研究大结构对小结构的影响，地质构造应力与两者之间的相互影响关系；第四，研究围岩加固，加固介质与松散围岩的相互作用关系，加固体的强度要求及加固结构与原来小结构、大结构的相互关系；第五，研究加固体的支护参数，得出理论研究结果。1.4 研究技术路线现场调研煤层与顶底板
