重庆川九建设有限责任公司重庆401120
摘要:地质构造是矿井巷道开掘施工重要影响因素之一。其中巷道掘进过程中遇断层破碎带,受构造应力和原岩应力作用,断层构造发育范围内围岩整体性遭受破坏。在原生裂隙的基础上产生次生裂隙,促使巷道围岩强度降低、易破碎,掘进时围岩矿山压力显现剧烈,导致巷道围岩发生塑形破坏,顶板变形失稳严重,影响矿井的安全生产。工程实际中应选择合适的过断层方案,并采取有效的支护方案与安全管理措施,以保障矿井巷道在生产过程中安全使用。
关键词:巷道;过断层;破碎带;施工技术;安全措施
1工程地质与水文地质概况
1.1工程地质概况
某铁矿区内断裂构造较发育,纵向断裂有船底山断裂带(F1)和西部断裂带(F2),横向断裂有青山街~豹子山断裂带(F3)及F4~F10等小断裂。船底山断裂带(F1)出露在背斜轴部,断层角砾呈棱角状,岩屑和硅质胶结,强烈镜铁矿化。西部断裂带(F2)由南向北落差逐渐减小,沿断裂带有岩脉侵入及较强矿化和蚀变、地温变化相对强烈、赋矿层位出现挠曲。F3断裂带位于矿区南部,其胶结物为岩屑和硅质,具有强烈镜铁矿化和黄铁矿化的特征,普遍见有重晶石。成矿后期断裂带主要有F4,F5,F6和F7,为正长细晶岩脉充填,该组断裂破坏矿体,但位移不大。
1.2水文地质概况
区内含有第四系全新统孔隙含水层、岩溶裂隙和基岩裂隙含水层等。在钟姑复式背斜中,次一级背斜构造较发育,使轴部完整岩石破碎,产生裂隙,透水性增强,形成储水构造。一般单位涌水量为1.849~4.105L/(s•m),渗透系数为1.833~9.91m/d,最大单位涌水量为8.204L/(s•m),渗透系数为10.89m/d。含水层岩性以黄马青组下段杂色砂页岩为主,两翼岩层透水性有所减弱。
2巷道过断层合理掘进施工与支护技术
2.1巷道过断层合理掘进施工技术
当断层处围岩非常软弱破碎时,要采取超前管棚进行超前预加固措施和台阶法施工。首先通过钻孔揭露待掘地段岩层及超前预加固效果,然后在超前钻孔内安装超前管棚,喷浆封闭后再利用超前管棚进行注浆加固,最后在形成的超前管棚结构维护作用下进行巷道掘进和支护施工。在巷道距断层面前20m处布设管棚,管棚直径为63.5mm,管间距为200mm,长度为20~30m,外倾角为1.5°;采用水泥单液浆,注浆压力为1.0~2.0MPa。管棚布置如图1。台阶法施工中控制上分层高度在2.0m左右,长度在2.4m左右,宽度在3.0m左右。在完成下一循环管棚施工与注浆加固后,再进行下分层掘进
和卧底施工,然后对底板进行支护,直至穿越断层破碎带一定距离(5~8m),进入稳定地层。
图1巷道过断层管棚超前支护
2.2巷道过断层合理支护技术
针对巷道过富水断层破碎带的特殊条件,提出“初次型钢网喷+钢筋混凝土衬砌+二次注浆”联合支护技术方案。采用弹塑性理论计算围岩压力,采用牛顿-拉普森法计算结构内力,利用混凝土结构设计原理进行支护结构参数设计及验算。
2.2.1初次支护结构与技术参数
型钢支架采用U29型钢制作,全封闭结构,排距700mm。U型钢支架由3节组成,搭接长度500mm,钢架间采用7根Φ16mm圆钢拉杆连接。掘进循环进尺控制在700mm,以便于安装型钢支架,并与型钢支架排距基本一致。钢筋网采用Φ6.5mm圆钢焊接的经纬网,网格为100mm×100mm;喷射混凝土强度等级为C20,初喷厚度为120mm左右,覆盖住U型钢支架,然后在棚外再铺设1层钢筋网,复喷后喷层总厚度达到200mm左右。U型钢支架支护结构如图2所示。
2)衬砌承受3~5MPa水压
衬砌混凝土中拱顶、拱肩、两帮和仰拱底部面层钢筋均采用Φ25mm螺纹钢,按5根/m布置,并在面层铺设Φ6@100×100钢筋网。整体浇灌500mm厚C40混凝土,保证钢筋保护层混凝土厚度不小于40mm,且初次支护和二次支护总厚度为700mm。
2.2.3壁后充填注浆加固
在进行巷道的初次和二次支护后,及时进行壁后充填注浆。壁后充填采用注浆管进行集中注浆,保证支架和喷网层壁后充填密实,并对壁后孔洞和空隙形成充填和加固作用,使型钢支架和喷网层均匀受力,避免局部集中应力而失稳破坏,有利于改善和充分发挥型钢支架的承载性能。在浇灌混凝土前预埋注浆管,注浆管规格为Φ35mm×L700mm,按间排距2.0m×1.4m布置,保证注浆管孔口外露20~30mm。完成衬砌混凝土整体浇灌后,再通过预埋的注浆管对衬砌壁后进行注浆加固。注浆前可采用Φ27mm钻头进行扫孔,扫孔深度控制在1.0m左右,既可避免对注浆加固帷幕的破坏,又可对加固帷幕进行补强加固。可采用单液水泥-水玻璃浆液,浆液的水灰比为0.8~1.0,水玻璃的掺量为水泥用量的3%~5%,注浆压力1.5~2.0MPa。
3巷道过断层安全技术措施
3.1顶板管理措施
(1)掘进、架棚作业,预留管棚前端1500mm安全保护距离,管棚后端固定在U型棚(外露)连接长度不小于1500mm。管棚安装先在巷道中顶部安置1根管棚,然后依次向左/右排开安装,管棚安装注意钻机角度,不可过大或过小,钻机要安装稳固,切勿在钻进时发生钻机移动,造成管棚相撞。管棚安装要注意管棚间距,管棚需平滑安装,切勿一高一低。遇到岩石破碎时可缩小间距,岩石良好适当放开间距。管棚安装至巷道拱基线处。工作面管棚安装好,进行巷道掘进。
(2)超前管棚+架棚支护,掘进和架棚作业时空关系彼此相互配合,一掘一架有序进行,空顶下不允许工作人员入内作业。工作人员进入掘进工作面内作业前,首先对顶底板及两帮进行检查,确保安全后人员方可入内。
(3)完全按照矿井安全规程中顶板管理规定执行相关操作。
(4)使用半圆木或者是水泥背板充填空顶区域。
(5)巷道开掘过程中如遇到顶板冒落事故,必须马上停止作业,撤出人员。由具有相关经验的工作人员制定治理措施,并在顶板冒落范围内变形稳定后采用半圆木接顶。
3.2防治水管理措施
(1)掘进工作开始前可采用物探或者打探水钻孔方法,初步了解断层带附近围岩水文地质条件,制定超前预注浆固结围岩内孔隙,有效防止突水事故发生。
(2)巷道过断层破碎带掘进过程中如发现有突水征兆,立即停止作业,撤出工作人员,由经验丰富的工作人员编制安全合理的治理措施。
(3)合理编制施工进度表,保证施工中各工序合理有效的进行。
(4)考察现场施工具体情况,根据施工需要,在合适位置设立临时水仓,并配备与之匹配的水泵,通过管路保证排水工作的正常进行。
4结语
在巷道过断层破碎带施工当中,应当采取合理的安全技术措施,有效实现巷道围岩整体稳定性的提升,确保巷道掘进施工的安全性,解决了巷道过破碎断层带难度大的难题,为今后相似工程的开展提供了宝贵的参考和借鉴。
参考文献:
[1]王新兴.巷道过断层破碎带支护技术[J].煤矿安全,2012,10:83-85.
[2]李井生.施工巷道过断层破碎带支护方法[J].煤炭技术,2011,03:95-96.
[3]陈亮.巷道过断层破碎带的防治水技术探析[J].煤,2014,02:69-70.