破碎带软岩大断面巷道支护技术研究
张建沛，刘武团
( 西北矿冶研究院 矿山工程研究所，甘肃 白银 730900)
摘 要: 根据石硐沟银多金属矿深部开采时主斜坡道掘进遇松软破碎带时的支护情况，通过对围岩物理力学特性研究，及原有管棚钢架支护破坏机理分析，提出了适用于该矿的钢管帷幕法前探支护 + 36U 型钢 + 壁后注浆的支护方案，并进行了现场实践，取得了预期效果。
关键词: 深部开采; 膨胀; 软岩; 柔性支护; 壁后注浆
1 引言
矿产资源是经济发展和社会进步的重要物质保障，随着我国经济的迅猛发展，对矿产资源需求也在逐年增加，这也使得对资源的开采开始从浅部向深部过渡。开采深度的增加，使得施工井巷工程时遇到复杂地质条件的概率增大，而对松软岩层如何支护的问题也日趋突出，尤其是在开拓过程中出现大断层松软破碎带时，采用正常的施工方式和传统的锚网喷 + 工字钢钢架管棚联合支护已不能满足安全生产要求，如何对松软破碎带软岩巷道采取有效的支护方式，已成为制约矿山向深部安全开采的一大关键问题，探索有效的支护方式势在必行。本文就结合石硐沟银多金属矿深部开采时主斜坡道掘进遇松软破碎带的支护情况，通过对围岩物理力学特性研究，及初期采用管棚钢架支护方式破坏的原因分析，最终确定采用钢管帷幕法前探支护 + 36U 型钢+ 壁后注浆的支护方案，经过现场实践，取得了良好的支护效果。
2 工程地质条件分析
2． 1 工程概况
石硐沟银多金属矿位于祁连造山带西段石硐沟一带，东起疏勒山，西起石硐山，矿区有简易道路通鱼儿红牧场，经鱼儿红乡有乡级公路通玉门市。
矿区分两期建设，一期工程于 2008 年开始建设并已投产，开拓方式采用平硐溜井。二期深部工程采用主斜坡道 － 竖井的开拓方式，目前正在基建阶段。主斜坡道在开凿过程中，随着工程延伸，在主斜坡道掘深部首采中段联络道时，由于受断层等地质构造影响，该段巷道，岩层节理裂隙极为发育，纵横交错相互切割，形成了许多弱面，岩层之间不连续面容易发生离层，巷道围岩稳固性极差，按原设计支护方案出现了巷道前掘后修、修后又修的被动局面。
同时由于设备运输要求，巷道断面较大，而且作为二期的主控工程，该巷道服务年限较长，巷道支护必须充分考虑时间因素的影响，这些都给巷道的支护增加了一定难度。
2． 2 工程地质条件
根据地勘资料及斜坡道工程实际揭露状况来看，工程主要布置在白云母石英片岩中，该岩石裂隙发育较差，岩石完整，工程地质条件较好。但由于受切层断裂带的影响，部分工程需穿过断裂破碎带及影响带，通过现场揭露岩层情况及岩样室内试验可知，破碎带围岩主要由灰黑色绢云千枚岩、硅化灰岩、岩粉、胶结物等构成，节理裂隙发育，分布无规律，岩石呈松散土体状、碎块状和泥状物，遇水有膨胀现象，具有明显的流变特性，对巷道的稳定影响很大。根据相关资料可知，该段岩层，吸水性较强，软化系数低，为软岩类型，同时巷道开挖后，如不及时封闭围岩，岩体在强度急剧降低的同时会产生较大的膨胀应力，所以该岩组为典型的碎裂结构岩体，也是本次支护的重点对象。
3 巷道失稳、工字钢架破坏原因分析
根据石硐沟银多金属矿破碎带段工程地质条件分析可知，该段岩石属于典型的碎裂结构膨胀型岩体，此类岩体亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、崩解性强，这也使得在此类岩体中开挖巷道稳固性较差。
掘进巷道时，开挖后的巷道围岩松动，裂隙扩大，孔隙度增加，围岩应力场将重新分布，巷道围岩周边发生变形进入塑性状态。由于开挖巷道破坏了围岩原有的自然状态，自有含水量和工程引起的含水量将会增加，这时膨胀围岩将产生膨胀变形，如果不及时对巷道进行支护，或者选择的支护方式不当，巷道就会引起过大的变形，最终破坏。膨胀类围岩，开挖后变形量较大，如果采取原设计的支护方式，即开挖结束后，喷浆、架设工字钢钢架、再挂网喷浆，则因喷射混泥土终凝时，达到承力性能的时间需要十多个小时，使得混凝土和钢架不能形成一个整体，同时工字钢钢架不能有效的吸收膨胀围岩的变形能，从而使钢架发生扭曲、变形破坏，进而导致喷射混泥土开裂、脱落，严重时发生塌方。
4 巷道支护技术对策
通过以上对巷道失稳的原因分析和工字钢支护破坏的机理分析，提出对此类围岩支护技术对策的几点意见:
⑴超前护顶。由于破碎段围岩的物理力学性质较差，巷道开挖后围岩自身难以形成支撑环来维持巷道稳定，同时该段岩石较为破碎，掉顶严重，必须进行超前支护，才能保证永久支护过程中的安全。超前护顶就是对不稳固岩层顶帮进行超前加固，使得打入后的刚性材料与围岩一起构成刚性网梁，具有一定的承载能力和加固作用。使得开挖后的松动围岩顶帮在刚性网梁的作用下，变单向受力为双向受力或多向受力，减少了围岩碎胀力及围岩与原岩的离层度，控制围岩冒落，使得永久支护在安全条件下作业。
⑵适当让压。如前分析膨胀性岩石支护的主要对象是开挖后其破碎过程中产生的碎胀力，巷道开挖时对巷道更外层的围岩，没有发生直接破坏，其变形较小，可以认为其自承能力保持的较为完整，但膨胀类岩石的短时强度与长时强度相差很大，决定了这部分岩石具有较强的流变性，其流变过程中产生的碎胀力和遇水产生的膨胀力，将对钢支架产生巨大荷载力。巷道支护采取的喷锚网钢支架联合支护法，不能有效的阻止围岩的变形，同时围岩发生变形后，因为岩石体积增大导致碎胀力减小，将会对支架产生的荷载力也会变小。因此，可以通过 U 型钢可缩性支架来适当让压而缓解碎胀力产生的支护问题。U 型钢可缩性支架的作用原理就是当作用于支架上的压力达到一定限值时，支架将因受力而屈服缩动，结果将使作用于支架上的围岩压力减小，进而避免当围岩压力大于 U 型钢支架可承受压力时，而产生破坏变形。同时通过对 U 型钢支架与围岩空隙进行充填，提高其承载力，能够有效地控制巷道围岩变形，达到支护的目的。
⑶注浆加固。结合工程地质条件，该破碎带较高的构造应力和水体对膨胀性岩体强度的软化作用是巷道强烈变形的主要因素，显然在应力水平一致的前提下，巷道围岩强度提高对控制巷道变形效果最明显，同时斜坡道工程服务年限较长，因此必须提高巷道的围岩强度。目前提高围岩强度最有效的做法就是注浆加固，这是一种利用浆液来充填和固结围岩的裂隙面( 或者是在巷道开挖后被破坏了的裂隙面) ，从而提高岩体强度和开凿巷道的稳固性。
5 巷道支护技术方案及参数
5． 1 支护技术方案
通过以上分析可知，针对石硐沟银多金属矿破碎带软岩大断面巷道支护确定采用钢管帷幕法前探支护 +36U 型钢 + 壁后注浆的支护方案。该支护方式能够保证在巷道开挖后，通过钢管帷幕前探支护进行护顶，施工人员在顶部保护的条件下架设 36U型钢支架，同时 36U 型钢支架在初期顶板压力较大时，可以通过收缩来适当让压，让支架和围岩成为较理想的力学体系，最大限度的利用了围岩的自承能力。然后采用充填注浆技术加固围岩，在提高围岩本身稳定性的同时，将支架和围岩耦合为一体，提高整个支护的可靠性。
5． 2 支护技术参数
5． 2． 1 钢管帷幕法
前探支护根据破碎带段围岩性质结合现场施工遇到的问题可知，支护的主要问题是爆破后在进行初期支护时，顶板岩石较为破碎并产生大面积的垮落，导致初期支护无法正常进行，因此在巷道施工前必须进行前探支护，支护材料选用 1 寸钢管，按 200 mm 的间距对巷道的拱顶轮廓线进行封闭，钢管长 4 m，每次掘进 1 m，围岩中剩余长度为 3 m，这样在架设 U 型钢支架时，人员将在钢管的掩护下进行作业，巷道掘进时工艺采取多打眼，少装药，短掘短支的方式进行。
5． 2． 2 36U 型钢支架支护
36U 型钢支架选用三节圆弧拱形 U 型钢支架。架设钢支架时，首先对掘进断面进行喷浆支护，然后按 0． 5 m 的间距架设钢支架，同时在钢支架后敷设一层金属网，金属网材料选用 6 钢筋，网格为 100mm × 100 mm，接着用废石、原木充填钢架与围岩的空隙部位，最后进行全断面喷浆封闭，喷浆厚度 100mm。
5． 2． 3 壁后注浆
根据巷道断面，共布置 6 根注浆锚杆对断面进行注浆加固，锚杆距巷底 500 mm 起布置，间距1 500 mm，布置参数见图 1。
⑴注浆锚杆: 注浆锚杆选用 1 寸钢杆加工而成，长 3 000 mm，尾部接40 mm 的长螺纹来与注浆泵连接，注浆段设在钢管中部，长 450 mm，钻有孔径为 8mm 注浆孔共 10 个，均匀布置在两侧，内端为锚固段，内锚固段选用普通的快硬膨胀水泥药卷，外锚固段则采用混凝土密封。
⑵注浆材料: 选取 425#普通硅酸盐水泥，水灰比为 0． 7 ～0． 8( 重量比) 。
⑶注浆设备: 根据矿上现有设备状况，采用QZB-50 /6 型气动注浆泵。
⑷注浆压力: 压力的选取直接影响注浆质量和加固效果，因为它是浆液在围岩中扩散的动力，参考其他矿山的取值，最终确定该矿的注浆压力为≥2 ～3 MPa。
⑸注浆量: 根据围岩状况，确定每孔注浆量≥50kg。
⑹注浆时间: 注浆在岩体较为破碎时，浆液可能会沿弱面扩散较远，从而出现跑浆现象，所以在控制压力和注浆量的同时，需要控制注浆时间; 同时对围岩裂隙发育较差时，注浆速度较慢，为提高注浆效果，需要延长注浆时间。这需要结合现场实际来灵活掌握注浆时间。
6 应用情况及结论
⑴采用钢管帷幕法前探支护，能有效的改善初期支护的作业条件，提高了施工的安全性，同时采用多打眼，少装药，短掘短支的施工工艺，能减少对围岩的破坏，控制巷道成型。
⑵采用 U 型钢支架作为膨胀性围岩的初期支护，由于其随着围岩的碎胀力而自动收缩的性能，能够较好的吸收围岩的变形能和适应围岩变形，直至围岩稳定，能减少和避免传统钢支架以力挡力而发生扭曲、变形等破坏。同时在围岩缓慢的变形中，让我们有足够的时间来采取其他加固措施。
⑶通过壁后注浆，在提高围岩本身稳定性的同时，将支架和围岩耦合为一体，实现支架与围岩共同承载，使得采取的联合支护方式更为可靠。
⑷在断层破碎段巷道中采取上述支护方案后，为检测巷道围岩变形量，对其布置了 10 个变形观测站，结果显示 3 个月累计巷帮移动量为 17 mm，累计顶板移动量为 25 mm，表明该支护方案能有效的控制巷道的变形量。
⑸实践证明，钢管帷幕法前探支护 + 36U 型钢+ 壁后注浆的支护方式，可以在碎裂结构膨胀型岩体开挖巷道中进行支护应用，该支护方式能明显改善巷道围岩受力状况，增强了巷道整体承载能力，提高了巷道的稳定性和安全性，支护效果明显。
参考文献:
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