专题-高渗透压松散破碎大断面失稳巷道修复技术.doc

1、专题部分27高渗透压松散破碎大断面失稳巷道修复技术摘要：针对淮北矿业集团朱仙庄煤矿水平第二部皮带机大巷的严重失稳问题进行了系统分析，生产实践表明原有的支护方案已经不能适应不断恶化的围岩状况，大巷在底臌出现并进行治理后，帮部出现严重变形跨落。本文在详细分析大巷地质条件、施工状况、水文地质等条件后，提出了巷道失稳的5个重要原因。在地质雷达探测围岩松散破碎圈和钻孔窥视仪系统探测的基础上，提出了治水-探测-复修-监测的高渗透压松散断层破碎带大断面已失稳巷道强化修复控制技术。关键词：高渗透压；断层破碎带；失稳巷道修复；地质雷达探测；大断面；钻孔窥视1 水平第二部皮带机大巷工程概况1.1 地质条件水平第二

2、部皮带机大巷位于矿井南部二水平3采区下部，标高-676.2-683.6m，施工全长1025m。区域内构造复杂断层较发育，共计揭露大小断层八条，落差在1.520.0m间，其中落差5m以上的断层有：F19正断层，落差20.0m；F19-1正断层，落差5.0m；SF22正断层，落差5.0m；F2正断层，落差5.010.0m。巷道施工层位在10煤下和一灰之间，层间距约65m，局部地段受断层错断影响，穿一灰在一灰与二灰之间层位施工。底鼓段巷道向外约40m拐弯处揭露有F19断层(倾角70，落差2035m)，上盘岩层为薄层状层理的灰色细砂岩，下盘岩层主要为1.5m厚的石灰岩，断层面有淋水现象。底鼓段巷道位于

3、一灰和二灰之间，一灰紧贴巷道顶板，二灰距离巷道底板1518m，三灰距离巷道底板40m左右。巷道揭露岩性主要为泥岩、砂质泥岩。图1-1 第二部皮带机大巷与周围巷道关系图1.2 施工概况水平第二部皮带机大巷(北段)设计为近太原群灰岩含水组掘进的巷道，主要在10煤层至一灰间掘进，局部地段揭露一灰或在一灰下施工。该巷设计全长1025m，于2009年2月中旬开始拨门施工，至2010年8月中旬施工完成。巷道采用锚喷全封闭29U型棚+滞后注浆支护，放炮后找顶、初喷50mm，施工支护锚杆，锚杆为GM22/2800-490高强螺纹钢树脂锚杆，每根锚杆用两卷树脂药卷锚固，锚杆拉拔力不小于80kN，锚杆初锚扭矩不小

4、于300Nm，锚杆间、排距8001000mm。架全封闭29U型棚支护，棚距500mm，棚子搭接长度500mm，每处搭接用特制铁板拉钩联接，每处搭接用两副限位卡缆和一副双槽型普通卡缆紧固，卡缆螺母扭矩不小于300Nm，顶、帮采用10mm钢筋笆腰背，底板以下采用10mm钢筋笆和铁背板腰背，喷射混凝土标号为C20，喷厚150 mm。滞后注浆，注浆锚杆采用202000mm钢管加工，间、排距20002000mm。注浆一般滞后迎头150200m。支护工艺流程：初喷打顶锚杆挂顶梁背顶打帮锚杆栽棚腿下底梁腰帮、腰底复喷打注浆锚杆滞后注浆。1.3 底鼓变形水平第二部皮带机大巷(北段)拐终测点前3989m在201

5、0年10月1日中班16：3010月2日早班06：00短时间内发生严重变形，主要表现为严重底鼓，底梁卡缆断裂，喷层大量脱落，10月2日夜班04：30左右伴随底板出水，水量在23m3/h，至10月4日夜班底鼓基本稳定，最大底鼓量1.1m，水量稳定在23m3/h，底鼓段巷道是2009年5月份施工完成的。底鼓段巷道来压情况如下：底鼓段巷道于2009年5月份开窝施工。第1次来压在2009年11月份底鼓200mm左右，底鼓后已进行卧道。第2次在F19断层附近，鸡心道鼓起，进行卧道处理。第3次来压在2010年8月2日，在拐终测点向前1080m，巷道底板出现不同程度的底鼓，造成巷道两帮向内侧挤压造成水沟变形、

6、浆皮开裂掉落。由于底鼓原因造成轨道变形，项目部对该段巷道进行卧底施工，长度70m，平均卧底宽度3m，平均高度200mm。自10年8月中旬后，在拐终测点向前10100m，巷道压力显现比较明显，主要表现为喷层开裂，局部卡缆断裂失效。第4次来压在2010年10月01日下午14：30开始底鼓(拐终点前3989m)，多处底部卡缆断裂失效，至10月4日夜班基本稳定，最大底鼓量1.1m。1.4 水文特征水平第二部皮带机大巷下部灰岩标高大部分在-680m以下，富水性弱，但水压大，二灰目前水位标高为-45m(06-观1孔资料)左右。根据探查F19断层取芯成果显示，底鼓段段一灰厚约3.4m，距10煤法距63m，二

7、灰厚度约1.5m，距离一灰1518m，三灰厚度9.0m，距离二灰16m，四灰厚度0.8m，距离三灰1.5m。太原群灰岩含水层组位于10煤底板下60m左右，含灰岩1112层，各层灰岩间均由一定厚度的泥岩、砂岩隔水层组成，该含水组富水性有明显的垂直分带现象，一般-300m以上，灰岩岩溶较发育，富水性强，q=0.3921.755l/s.m，k=1.143.11m/d；-300m以下岩溶发育较低，富水性弱，q=0.01210.0132l/sm，k=0.0210.059m/d；该含水层组上段一、二灰厚度薄，富水性差；三、四灰厚度大，含水丰富；五灰以下没有抽水资料，富水性不祥。该巷道防治水工程设计依据为：

8、将一灰、二灰作为隔水层，防止三、四灰出水，安全隔水岩柱取40m。委托西安煤炭科学研究院物探所和中国矿业大学分别施工直流电法超前探测和瞬变电磁超前勘探工程，预测巷道前方上下80m范围内岩层的富水性、隔水层的厚度等参数，并根据探测结果施工验证钻孔掩护掘进施工。进入水平第二部皮带机巷后每80m做一次直流电法勘探工程和瞬变电磁勘探工程，并根据探测结果施工验证钻孔，截至2010年10月已施工直流电法勘探11次，瞬变电磁10次，验证钻孔16个。在揭露F19断层前在水平第二部皮带机大巷中间联巷施工了直流电法超前探测，并分别施工了2个探查F19断层的钻孔，其中F19-探2孔47m见三灰，出水量67m3/h；现

9、巷道底鼓段在掘进施工前(09年5月份)已施工直流电法进行了探测，根据探测结果在2#钻场施工了一个超前钻孔和一个底板异常区探查孔，底板钻孔18m见二灰，19.5m出水约67m3/h，水压6.5MPa;后水量逐渐减小，至2010年5月份时无水。2010年10月1日中班发现巷道底鼓后，矿联系安徽惠州地下灾害研究设计院于10月3日夜班施工了高分辨直流电法和震波CT对底鼓段巷道下方富水性及构造情况进行了探测，结果显示底鼓段下方呈高阻，无富水异常现象。已在相邻40m(平距)的水平轨道大巷设计钻孔对底鼓段附近下方岩层富水和构造情况进行探测，目前钻孔正在施工中。1.5 变形原因(1) 围岩性质：二水平第二部皮

10、带机巷变形失稳分段位于断层破碎带内，巷道围岩裂隙较发育，岩性完整性非常差，并且围岩中含有蒙脱石等膨胀软岩，加上灰岩水的影响，围岩局部发生泥化，交叉点周围5m范围内已完全冲空，围岩浸透松散、破碎，围岩自身强度较低，在多种应力作用下，易出现碎胀破坏、软岩流变，同时观测表明巷道顶板与地板层状岩体不均衡性产生的弱化区如含弱面或软弱夹层、帮角岩体破坏区、开放的底板。巷道围岩强度低等成为巷道发生变形破坏的主要因素之一。(2) 渗流水：根据现场实际观测和对已有的水文地质资料进行分析表明，二水平第二部皮带机巷底板岩层下含有灰岩水压，在2#钻场施工的灰岩探查孔起始出水量约67m3/h，水压6.5MPa，水量较小

11、但水压较大，水主要来源二灰岩和三灰岩。根据10月3日安徽惠州地下灾害研究设计院提供的物探结果看，底鼓段下方富水性弱，由于巷道底板所承受水压大，前期底板支护强度低，导致巷道局部范围底鼓严重，后来的卧底处理虽然解决了巷道底鼓问题，但是破坏了巷道两帮整体支撑结构，弱化了围岩整体承载结构，使围岩塑性区进一步向深部发展，松动圈与破碎带范围也比卧底前进一步扩大，同时底鼓问题解决后，高压强的渗流水沿着裂隙向巷道两帮挤入，远远超过了原有两帮设计的支护强度，也是巷道发生变形失稳的主要因素之一。(3) 采动影响：矿井实际生产过程表明1034工作面已回采至距离F19断层180m左右，应力有可能沿断层传递，造成巷道短

12、时间内底鼓。同时，巷道上方70m左右有836岩轨巷，与该巷道相邻40m(平距)的水平轨道大巷等巷道掘进和放炮震动等影响，也可能造成巷道来压底鼓。研究表明二水平第二部皮带机巷受到多次采动的应力扰动，局部破坏了原有巷道的稳定性。巷道多次经历“扰动-稳定-扰动-稳定”的损伤过程，裂隙岩体不断发育，加之渗流对巷道围岩裂隙岩体应力场的力学效应，导致了最终的失稳变形。二水平第二部皮带机巷的失稳问题本质上是采动应力、地应力和地下水渗透力相互影响、相互作用的岩体水力学问题。(4) 构造应力：从巷道优化角度上分析可以发现，该巷道最初设计存在不足，二水平第二部皮带机巷一方面是穿断层布置，且F19断层为正断层，伴随

13、应力释放，巷道除受大构造应力作用外，还受巷道附近正断层的影响，使其同时承受垂直和水平方向构造残余应力。巷道卧底处理后，应力沿巷道薄弱点突破支护可能是造成失稳破坏的原因。同时该分段是中间联巷和皮带机巷的连接地段，从结构力学分析，容易导致应力集中和巷道受力不均衡。该区域构造残余应力对巷道结构的影响也不可忽视。(5) 巷道断面大、支护能力弱：二水平第二部皮带机巷断面达到4800mm3800mm，加上与中间联巷相连接，形成巨大的地下空间，而与之对应的支护能力较弱，巷道原设计对底板的支护能力较弱，导致后期发生底鼓，同时由于底鼓后的卧底处理，破坏了帮部的支撑结构，内部出现大量空洞、裂隙、孔隙，导致帮部支护

14、整体性偏弱，无法形成顶板稳定承载基础。由于巷道高度较大，虽岩体硬度尚可，但是多次扰动加上断层带，未形成整体的巷道围岩支撑结构，强度偏低，使顶板承载结构失去了稳定基础。由于岩体内部破碎带扩大，加上高压水的渗流挤入，没有及时封堵和帮部加强支护，导致帮部失稳，最终出现现在的失稳破坏。总之，该类巷道控制技术为高渗透压松散断层破碎带大断面已失稳巷道扩修施工安全及长期维控强化控制技术难题，巷道失稳变形本质上是围岩渗流场、应力场、损伤场三者相互耦合的结果，对该类巷道进行修复也应该考虑三者的综合治理。2 总体技术思路与技术路线该巷道治理过程中主要围绕以下4方面开展：（1）围岩松散破碎范围的确定；（2）区域性疏

15、水降压；（3）安全扩刷与承载环的构建；（4）补强加固及长期维控。扩刷过程中要考虑化学浆液的保护性固结，然后再进一步实施密集架棚工作，同时采取主动强化方案，构建有效承载环，见图2-1，实现长期维护的目的。图2-1 巷道最小加固范围与承载结构示意图3 地质雷达探测围岩松散破碎圈研究3.1 工程概况朱仙庄水平第二部皮带机大巷底鼓待修复巷段由于受到下覆高水压灰岩水的影响，围岩局部发生泥化，交叉点周围5m范围内已完全冲空，围岩浸透松散、破碎，围岩自身强度较低，在多种应力作用下，出现碎胀破坏、软岩流变，导致巷道一定范围内的围岩体丧失承载能力。因此，通过测定围岩松散破碎圈的大小，可以为确定合理的承载环厚度提

16、供依据，指导后续的注浆加固工作。因此本课题组拟采用探地雷达探测与钻孔窥视相结合的方法，通过在待修复巷段内选取若干个具有代表性的断面进行测试，根据所测得的多组围岩参数，按照经验或概率统计的方法来确定松散破碎圈的大小。中国矿业大学于2012年4月17日应用地质雷达方法对顶板岩层破碎带进行探测。根据探测目的对介质物理属性进行分析，并根据现场条件制定可行性方案，而后组织物探专业队伍进行现场数据采集，经数据处理后形成探测成果报告。3.2 探地雷达的工作原理探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR，又称地质雷达）由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以6090的波束角向