岩溶破碎富水大断层巷道支护技术研究

何远富， 邱熠华，董军庭，姜凡均，张友轩，赖 伟

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.国家金属采矿工程研究中心，湖南 长沙 410012； 3.福建马坑矿业有限责任公司, 福建 龙岩市 364021)

岩溶破碎富水大断层巷道支护技术研究

何远富1,2， 邱熠华3，董军庭3，姜凡均1,2，张友轩1,2，赖 伟1,2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.国家金属采矿工程研究中心，湖南 长沙 410012； 3.福建马坑矿业有限责任公司, 福建 龙岩市 364021)

马坑铁矿断裂构造发育，井巷工程穿越断层破碎带等不良地质地段。通过对马坑铁矿复杂水文地质条件下岩溶富水大断层中的巷道支护技术进行研究，提出了联合支护方式，即采用浇筑止浆墙注浆的方式提前将破碎岩体进行注浆，同时，联合超前管棚支护，有效提高巷道围岩的稳定性。施工结果表明，联合支护成功实现了在岩溶破碎富水大断层中掘进巷道，保证了施工质量和安全。

岩溶破碎；富水；大断层；联合支护

0 引 言

在矿井建设生产过程中，井巷工程难免要穿越断层破碎带等不良地质地段，当井巷工程穿越断层破碎带时，如果掘进过程中不重视巷道支护，有可能会引发如突水、冒顶、坍塌、泥石流等安全事故[1-2]。目前，针对巷道掘进过程中大断层破碎带的问题，国内外学者进行了大量的研究工作，取得了很大的成果，但各个矿山地质情况不同，支护情况不能一概而论，依然存在很多问题需要解决。

马坑铁矿水文地质条件极为复杂，井巷工程经常需要穿过岩溶破碎富水大断层，支护过程中，不能简单地选用目前常用的矿用工字钢、U型钢架棚或锚杆、锚索联合支护[3-5]。需要根据自身的水文地质条件，选择合适的支护方式，马坑铁矿根据多年的现场实践和经验总结，针对巷道过岩溶富水大断层破碎带时，提出了合理的支护技术，并在马坑铁矿进行了成功运用。

1 矿床地质及水文地质条件

马坑铁矿矿区位于华南加里东褶皱系华厦褶皱带，永梅上古坳陷带东侧。区域内印支运动，特别是燕山运动甚为强烈，矿区所处区域内断裂、褶皱、岩浆活动均很强烈和复杂，反映了在漫长的地史中区内多期次构造运动作用的结果。矿体主要埋藏于本区最低侵蚀基准面+420 m标高以下，主矿体赋存于中石炭统经畲组(C2j)地层中。以厚度巨大、岩溶发育、富水性强的船山组一栖霞组(C3c—Plq)碳酸岩盐(以下统称灰岩)类为其顶板，矿区四周均为断层切割，构成自然边界，外侧均为富水较差的裂隙岩层，侧向补给不裕，以岩溶充水为主，属水文地质条件中等一复杂的半隐伏岩溶水文地质类型矿床。

矿山在开拓过程中，斜坡道、斜井的部分地段将穿越F11和F3断层破碎带、裂隙发育带、溶洞发育带和童子岩组、文笔山组泥岩、砂质泥岩等工程性质较差地段，由于其岩石较破碎，抗压强度较低，稳固性较差，可能发生硐顶、硐体崩落、坍塌等。斜井、阶段平巷、溜井等工程在裂隙发育带、溶洞发育带等工程性质较差地段，也可能发生井巷崩落、坍塌等。靠近西矿段矿体下盘就是F2’大断层，岩性为泥岩与粉砂岩互层，断层角砾岩充填，整体稳定性极差。根据施工的揭露来看，岩石较为破碎，巷道局部有裂隙发育、出水、工作面岩石呈黄褐色。阶段运输穿脉巷道需要多次穿越F2’大断层，巷道掘进支护非常困难。

2 存在的问题

由于马坑铁矿所处区域内断裂、褶皱、岩浆活动强烈和复杂，其断层节理裂隙较为发育，岩石较为破碎，稳固性差，岩石透水性和富水性强。在该类岩体中开掘巷道存在极大的安全隐患，大大增加了巷道掘进和巷道维护的难度。其难点主要体现在：

(1) 岩体破碎，难以简单形成大断面空间，井巷通过岩体难度大。

(2) 岩溶破碎大断层岩体富水性强，水源充足，构造沟通充分，岩溶水和溶洞中流沙充填物的存在，导致较大泥石流安全隐患。

(3) 永久巷道维护难度大，成本高，安全风险大。地下开采开拓系统主要工程斜坡道、斜井、阶段运输平巷等，其断面规格大，服务时间长，安全等级要求高，当该类主体开拓工程布置于溶蚀裂隙带岩体中时，对巷道永久支护方式、支护材料、支护参数、施工工艺等势必提出比常规工程更高的要求，同时亦须在保证使用安全前提下，控制井巷合适的构筑维护成本，以保证矿山整体经济效益。

经过对各种巷道过大断层破碎带支护方法进行技术、经济对比分析，结合马坑铁矿岩溶破碎富水大断层的实际特点，最终选用联合支护方式，即工作面预注浆固结与超前管棚联合支护作为马坑铁矿岩溶破碎富水大断层位置巷道的支护方案。

3 岩溶破碎大断层富水巷道联合支护工艺

3.1 工作面超前预注浆工艺

为了能适应马坑铁矿岩溶破碎富水大断层的实际特点，施工中预先对工作面进行超前预注浆，预先固结需掘进巷道位置的破碎岩体，使之形成复合稳固的固结体，预防掘进过程中由于岩体破碎导致围岩自稳时间较短，随掘随冒，难以简单形成大断面空间，井巷通过岩体困难。同时，由于马坑铁矿是大水矿山，水文地质条件极其复杂，而破碎带大断层是天然的导水通道，提前预注浆，可以有效封堵出水裂隙，加固围岩，预防突水及泥石流的安全事故[6-9]。

3.1.1 止浆墙的施工

施工巷道迎头过断层破碎带工作面位置施工止浆墙，并预埋孔口管3根。全断面布置3个注浆孔，终孔深度视断层破碎带宽度而定，本处暂定为20 m。止浆墙采用现场浇筑砼与砖墙(俗称24墙)联合作为止浆墙，厚度为1000 mm，孔口管采用Φ108 mm×4 mm的无缝钢管制作，长为1.5 m，外露0.5 m。具体见图1。

3.1.2 注浆施工

以单液水泥浆为主,封孔时采用水泥-水玻璃双液浆；若浆液消耗很大时，则采用砂浆注浆。选用普通42.5R硅酸盐水泥；水玻璃模数M取2.8～3.1，波美度38～40 Be′。单液浆水灰比2∶1，1.5∶1，1∶1，0.8∶1；双液浆：水泥浆与水玻璃体积比为1∶1，1∶0.8，1∶0.5；三乙醇胺加入量按0.05%,食盐加入量按0.5%，砂浆配比为水∶水泥∶砂=1∶1∶2。注浆施工为隐蔽性工程,为保证注浆质量和堵水效果,每一孔段注浆都必须达到终压、终量和注入量的设计要求。在达到设计终压后，泵的流量在30 L/min，稳定20～30 min，才可结束该孔段的注浆，并认真做好注浆记录。

图1 止浆墙及注浆管布置

3.2 超前管棚支护工艺

根据前期工作面施工止浆墙注浆加固围岩的工作，待注浆工作完毕，根据巷道围岩注浆实际情况，再决定巷道掘进及超前管棚支护[10-11]。

3.2.1 架棚背板施工

(1) 型钢棚采用25U型钢制作，棚与棚之间用8#槽钢制作的连杆连接，每两架棚之间用7根连杆连接，直墙各两根，拱部三根。每架棚有3个接头，每个接头采用1副U型卡缆通过螺栓连接。结构见图2。

图2 25U型钢棚结构

(2) 根据技术部门提供的中腰线先架生根棚。生根棚要用钢筋与岩帮焊接连接。采用前探梁架设棚梁，前探梁用Φ108 mm×3000 mm无缝钢管制作，通过钢筋挂钩与U型钢相连。棚梁校正无误后，固定连接件。

(3) 接下来接棚腿。棚腿与棚梁的搭接长度为400 mm，用两副U型卡缆锁住，卡缆的螺栓应拧紧。U型卡缆制作如图3所示。

图3 U型卡缆加工

(4) 施工连接杆。采用8#槽钢制作，长度900 mm，每根连接杆由4个Φ16 mm×250 mm弯钩螺栓固定。具体见图4。

图4 U型钢棚连接件

(5) U型钢棚架设好后，进行棚后钢筋砼背板的架设。砼背板规格 150 mm×600 mm×50 mm，长度方向与U型钢垂直放置。要密背砼背板，即每两块要紧挨放置。背板后的空区用木背板或砼背板填实。

3.2.2 喷射混凝土施工

(1) 检查U型棚安装和背板铺设是否符合设计要求，对工作面的危石进行撬除，并清洗岩面。防止危石或岩面冲洗不良造成混凝土与岩面的粘结力降低，影响支护与围岩的整体性，以至影响部分或整体的支护效果；

(2) 优化选用喷射混凝土配合比，以保证喷射混凝土满足强度、回弹、粉尘、粘结效果等施工要求(输料顺畅)。喷混凝土的砂、石选料比较严格，要严格控制砂、石的粒径。混凝土拌和过程严格控制速凝剂比例；

(3) 喷射过程中严格按照规程进行施工。控制好喷射角度和距离、一次喷射混凝土的厚度、分层喷射的时间间隔等[12]；

(4) 喷射混凝土的水泥与细骨料相对较多，同时又掺有速凝剂，因此其收缩变形更为严重。因此，混凝土喷射后的7 d内，需要喷水养护，以保证喷射混凝土的强度增长、改善变形性质以及提高混凝土的抗渗能力。

4 工业应用效果

从现在施工情况来看，采用联合支护技术，取得较好的效果：

(1) 巷道掘进速度大为提高，每次进尺能维持1 m左右，解决了巷道成型困难、围岩自稳时间短、随掘随冒、巷道涌水、施工进度缓慢等问题。

(2) 富水位置的大断层预注浆固结，有效封堵出水裂隙，加固围岩，巷道围岩自承能力得到很大提高。结合超前管棚联合支护，巷道变形量显著减少，巷道内的涌入量显著降低。涌水量由原来的最大涌水量80 m3/h降至2 m3/h，甚至无涌水。

(3) 工作面预注浆后，破碎岩体之间重新形成复合稳定的固结体，掘进过程中无较大垮冒，同时联合超前管棚支护，短掘短支，使联合支护形式与巷道围岩共同受力，进一步提高了巷道围岩稳定性。目前+100 m阶段多条穿越F2’断层的穿脉运输巷道，巷道无大面积塌方或严重变形现象。

(4) 采用联合支护方案，西矿段+100 m阶段目前共施工了10余条穿脉运输巷道，每条均成功穿越F2’大断层；掘进及支护的最长富水大断层破碎带约80 m。 经过联合支护，巷道围岩稳定，巷道只在局部位置有微小变形。

5 结 论

针对马坑铁矿复杂水文地质条件下在岩溶富水大断层中的巷道掘进与支护，采用浇筑止浆墙注浆的方式提前将破碎岩体进行注浆，使破碎岩体之间重新形成复合稳定的固结体，同时有效的封堵了出水裂隙，联合超前管棚支护，有效提高了巷道围岩的稳定性。施工结果表明，对于围岩松散、破碎、层理、节理和裂隙发育的岩溶破碎带，容易造成大面积塌方，富水大断层，容易突水或引发泥石流，通过联合支护，有效的解决了施工过程的一系列技术难题，并成功运用在矿山不同位置的井巷工程。

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何远富(1979-)，男，云南昭通人，工程师，主要从事采矿工艺及充填技术研究，Email:383973186@qq.com。