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穿断层破碎带巷道围岩破坏特征及其控制 陈 文 云 （同煤集团晋华宫煤矿 ，山西 大同 037000 ） 摘要 以晋华宫矿 12 层 307 盘区集中轨道上山穿越断层破碎带围岩控制为工程背景， 根据巷道穿 过的围岩的岩性和破坏特性将 12 层 307 盘区集中轨道上山穿过的断层的岩层初步分为Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ三 大类， 支护时选其中强度最低的Ⅴ类岩 （粉砂质泥岩 ） 为支护研究对象。 通过结构补偿锚索将钢支架 - 锚索进行耦合支护， 形成一个支护整体来控制围岩的变形， 发挥主 - 被动支护各自的优点。工业实践 表明 所采用的支护形式能够断层破碎带的围岩的变形， 达到设计要求。 关键词 断层破碎带 ； 围岩分类 ； 耦合支护 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0111- 04 The failure characteristics and control of roadway surrounding rock in fault rupture zone CHEN Wenyun （Jinhuagongcoal mine, Datongcoal industrygroup co. LTD , Datong 03700 , China ） Abstract taking12 layer 307 panel jinhuagongcoal mine concentration track up the hill through the fault fracture zone ofsurrounding rock control as the engineering background, according to the surrounding rock of roadway through the characteristics of lithology and damage will be 12 layer 307 panel on track up the hill through the preliminarydivided into Ⅲ, Ⅳ, offault rock Ⅴ three categories, supportingthe selec- tion with the lowest strength Ⅴ class rock siltymudstonefor supportingthe research object.The steel timber- anchor cable is coupled with the structural compensation anchor cable to control the deation of surrounding rock as a whole.Industrial practice shows that the supporting adopted can dethe surroundingrock ofthe fractured zone and meet the design requirements. Keywords fault rupture zone ; Classification ofsurroundingrock ; Couplingsupport 0引言 煤矿巷道施工经常穿越断层及其破碎带等不 良地质区域， 这些区域的岩层具有构造发育、 低强 度、 透水性高、 易于变形等软岩特征， 因此是巷道围 岩控制的重难点区域。晋华宫矿 12 层集中轨道上 山穿越长沟支五断层破碎带及软弱岩层带， 围岩呈 现软岩特征。在矿山压力作用下， 围岩松动范围大， 周围地质构造复杂巷道受动压影响情况较明显， 巷 道变形， 四周来压严重。因此， 根据围岩的破坏特性 进而进行膨胀性软岩巷道的支护设计， 对保证巷道 围岩有效控制， 满足 307 区生产时运输、 通风、 行人 等需要， 及保障该矿的采掘接替具有重要意义。 1巷道围岩分类及变形破坏特征 晋华宫矿 12 层 307 盘区集中轨道运输巷按照 10进入未开采的 12 层 307 盘区，根据地质勘 探资料， 在掘进过程中会穿越 3 条断层， 其中以长 沟支五断层落差为 80- 280m，穿越地层依次为粉砂 质泥岩、 砂质泥岩、 泥质砂岩、 砂质页岩、 炭质页岩、 泥质粉砂岩等软弱岩层；断层破碎带围岩裂隙发 育， 且有断层角粒砂涌出， 对巷道围岩稳定性影响 很大。如图 1 所示。 图 112 层 307 盘区集中轨道上山破碎带剖面图 根据图 1， 采用工程岩体分类中 GSI （地质因子 方法） 及岩体完整性系数[1-3]， 评定得到 GSI 的量化 值[4-5]， 将 12 层 307 盘区集中轨道上山围岩类别分 为Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ三类， 即位于离 12 层 307 盘区开拓巷 道起坡点 311m、 257m、 296m 处， 分别代表粉砂质泥 岩 （Ⅴ类围岩） 、 砂泥互层 （Ⅳ类围岩） ， 细砂岩 （Ⅲ类 围岩） ， 依次描述如下 Ⅴ类围岩 本段为粉砂质泥岩， 本层岩层厚度 11m， 长约 29m， 用硬物击打易裂成碎片， 粉砂质泥 岩主要成分为粘土矿物,含少量粉砂质。 遇水后短时 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 111 ChaoXing 间内迅速膨胀、 崩解和软化。围岩变形速度快、 变形 量大。一般来说， 巷道掘进的第 1～2 天， 所取的岩 样取出后在地表暴露约一月后的即风化成碎块。在 之前的锚网支护下一个月时间巷道还是发生明显 的断面收缩， 顶板下沉严重。 Ⅳ类围岩 本段为砂泥岩互层， 本层岩层厚度 12m，长约 90m，是粉砂岩中夹有大量浅绿灰色泥 岩， 水平层理， 在巷道开挖扰动后裂纹发育， 且遇水 具有膨胀性， 顶板变形量较大， 出现网兜现象， 前期 用于支护的锚杆锚固力松弛严重。Ⅲ类围岩 本段 为细砂岩， 本层岩层厚度 15m， 长约 57m， 浅灰色， 成 分石英、 长石， 钙泥质胶结， 虽然细砂岩强度较高， 但由于处于断层破碎带，其完整性受到较大的破 坏， 泥质胶结， 属于较软岩。 2巷道围岩变形破坏因素分析 12 层 307 盘区集中轨道巷围岩的稳定取决于 地质力学环境、 围岩强度及巷道支护方法等， 根据 前述分析， 该矿过断层破碎带膨胀性软岩巷道失稳 机理如下 1） 围岩裂隙发育。由于 12 层 307 盘区集中轨 道上山穿过长沟支五断层， 构造区围岩受到断层的 张拉、 牵引作用， 裂隙发育、 围岩破碎， 自稳能力差。 2） 围岩岩性差， 遇水泥化。从 12 层 307 盘区 集中轨道上山揭露及前期探孔的岩性看， 断层带主 要由断层泥及泥质岩类组成。受水的影响大， 遇水 后膨胀泥化， 软化性强， ， 遇水后强度急剧降低， 进 而失去了承载能力。 3） 涌水。该矿顶底砂岩水， 为一弱含水层， 裂隙 储水， 受裂隙及构造发育程度控制， 不同的地段存 在明显的差异， 属静储量水。但淋水紧跟迎头， 给施 工造成一定的不便。 4） 原支护系统强度低。原多采用长度 1.8m 的 锚杆， 且不能及时施加预紧力， 造成围岩过早离层、 变形。巷道掘进后， 围岩暴露在潮湿的环境中， 泥质 类岩层吸水后强度降低， 膨胀软化， 甚至片状或块 状脱落， 变形量大， 造成锚固失效， 支架工况恶劣。 5） 巷道围岩流变。由于断层带围岩软弱， 巷道 稳定性指数 （巷道所处位置最大主应力与围岩单轴 抗压强度的比值） 达到 0.65 左右， 围岩在高应力作 用下， 巷道将会发生较高速率的蠕变变形。 从上述分析可以看出， 要控制断层带轨道上山 的变形， 必须采用主动和被动相结合的方式。 3巷道围岩支护设计 以Ⅴ类岩 （粉砂质泥岩） 为研究对象进行支护 设计， 设计方法如下 钢支架作为基本支护护表， 防 止破碎围岩的垮落； 喷砼封闭围岩， 防止围岩表面 风化； 巷道拱肩、 拱脚及两帮、 拱顶等易损关键部位 注浆改性， 提高围岩的整体性及其残余强度， 提高 了其自承载能力， 增强锚杆锚固效果； 底拱梁控制 底鼓；通过结构补偿锚索将钢支架 - 锚索进行耦 合， 形成一个支护整体来控制围岩的变形， 发挥主 - 被动支护各自的优点。 12 层 307 盘区集中轨道巷上山断面 S 掘 11.65m2， S 净 10.13m2， 掘宽 3.72m， 净宽 3.6m,墙 高 1.56m， 掘高 3.42m， 净高 3.36m。为便于理论分 析， 假设巷道断面为圆形， 其当量半径为 2.12。 3.1锚固长度和支护阻力 根据岩石力学试验， 将巷道围岩物理力学性质 简化为 容重 24kN/m， 单轴抗压强度 σc13.86MPa， 粘结力 （c ） 0.67MPa， 内摩擦角 （φ） 24， 弹性模量 （E） 0.221GPa， 泊松比 （μ） 0.25。根据理论计算的需 要， 假设巷道处于静水压力应力环境中， 采用理想 弹塑性模型， 围岩的剪切扩容系数 1， 计算得到塑 性区半径 R6.17m， 塑性区厚度 LR- r4.05m， 则锚 索长度硬等于塑性区厚度、锚固长度 （通常为 2000mm ） 与 锚 索 端 部 长 度 （一 般 露 出 长 度 为 300mm ） 的和， 古锚索总长度为 6350mm， 取 6.5m。 支护阻力 Pa 与巷道围岩的径向位移 u 的关系 可用修正的芬纳公式进行计算 Pa（1- sinφ）（c cotφP ） （1μ） sinφ E （c cotφσz）R u ［］ sinφ 1- sinφ - c cotφ 其中 c 为围岩内聚力； φ 为内摩擦角； σz为围 岩的初始应力状态； μ 为泊松比、 R 为塑性区半径。 根据现场监测数据， 巷道施工后支护结构的承 载作用发挥之前围岩的初始移近量为 400mm 左右， 可知 u200mm，把岩体物理力学参数带入上式， 可 得到 Pa1.42MPa。 3.2锚杆 - 锚索支护强度验算 12 层 307 盘区集中轨道上山断层破碎带设计 选用的为高强左旋无纵筋纹钢锚杆，规格为 φ222400mm，间排距 700700mm，钻孔直径 28mm， 锚固长度不小于 1200mm。锚杆锚固预紧力 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 112 ChaoXing 不低于 80kN， 布置如图 2 所示； 锚索设计选用的为 7 股高强度地松弛钢纹线锚索，规格为 φ17.8 6500mm， 间排距 14001400， 钻孔直径 28mm， 锚 固长度不小于 2000mm。锚杆锚固预紧力不低于 150kN， 锚索安装角度垂直于巷道壁面。 则锚杆 - 锚 索支护强度 P 锚杆为 0.306MPa。 3.3注浆固结区承载能力验算 12 层 307 盘区轨道上山注浆加固施工时应先 安装注浆锚杆， 而后喷射混凝土， 再进行注浆。根据 经验单孔注浆量为 1～1.5m3，注浆压力 0.1～ 1.5MPa， 注浆流量 3.0～3.5m3/h， 浆液为水泥－水玻 璃单液浆， 水灰比 0.751.525 矿渣硅酸盐水泥， 注浆 管规格 φ222500mm， 注浆孔布置间距 1600mm， 排距 1600mm。则圆形巷道注浆加固圈的承载力由 其强度确定 P1 [σ] 2 1-（R0 R1 ） ［］ 2 式中 [σ]为注浆固结体的有效强度， 根据经验 取值为 1MPa； R1为注浆加固圈半径，对于 12 层 307 盘区集中轨道上山断层破碎带已知 R02.12m， R12.5m， 带入式子计算得 P10.40MPa。 图 2锚杆、 锚索、 注浆布置示意图 3.4U36 型钢全封闭刚性支架支护强度验算 12 层 307 盘区集中轨道上山断层破碎带采用 主动与马蹄形全封闭刚性支架耦合支护方案， 即采 用锚网索 喷砼 注浆 封闭支架耦合支护形式。 采用 U36 型钢，支架排距 1400mm，喷砼厚度 150mm。把 U36 全封闭支架看做圆形支架进行支架 强度计算， 公式如下 P2 S钢σ钢 （rh钢） L钢 式中 S 钢为型钢的横截面积， U36 型钢横截面 积为 45.710-4m2； σ 钢为型钢的极限强度， U36 型 钢极限强度为 520N/mm2； r 为为圆形巷道半径， 为 2.12m； h 钢为型钢断面高度尺寸， 为 0.138m； L 钢为 架 间 距 ， 为 1.4m。 则 支 架 的 支 护 强 度 P2为 0.752MPa。 所以， 锚网索 注浆 封闭支架支护系统所提 供的支护强度为 PP锚杆P锚索P1P20.3060.1020.400.752 1.56MPa 已知该支护强度已经大于围岩稳定需要的支 护强度 1.56MPa， 加上喷砼后， 采用锚网索 喷砼 注浆 封闭支架耦合支护形式满足围岩稳定需要 的支护强度。 4施工工艺及支护效果 施工工序为掘进断面→临时支护→安装锚 杆→初喷砼 30mm→安装 U 型钢支架→安装锚索→ 喷浆至给定厚度 150mm→安装注浆锚杆→注浆。 在过断层破碎带粉砂质泥岩段的轨道上山长 度为 29m， 在中间位置布置一个测站， 观测内容 顶 沉、 底鼓、 两帮相对移近量。巷道在掘出 10 天后， 变 形速率开始减小，但变形量逐渐增加， 3 个月后， 变 形速率降低到 0.5mm/d 以下；其中顶底板最大变形 量为 96mm， 其中， 顶沉 38mm， 底鼓 58mm， 两帮相 对移近量为 106mm。巷道表面没有出现混凝土开裂 和锚杆断裂的现象。但由于巷道围岩松软、 破碎， 要 加强矿压观测， 如果发现巷道变形速度加快， 必须 要进行支架壁后注浆等强化支护措施。 5结论 1） 通过完整性系数与岩体的风化评定从而得 到 GSI 的量化值， 采用工程岩体分类中 GSI （地质因 子方法） ，将 12 层 307 盘区巷道初步进行分为Ⅲ 类围岩、 Ⅳ类围岩、 Ⅴ类围岩； 介绍了原支护采用锚 网喷永久支护， 对于断层破碎带各类围岩的变性破 坏进行了表征， 进而分析了 12 层 307 盘区集中轨 道上山过断层破碎带巷道围岩变形破坏的原因。 2） 选用锚网索 喷砼 注浆 封闭支架耦合 支护形式能够满足围岩稳定所需要的支护强度。 矿压 观测表明采用封闭支架 喷砼 注浆 锚网索耦 合支护方式能够满足断层带巷道围岩控制的要求。 参考文献 （下转第 116 页） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 113 ChaoXing （上接第 113 页） [1] 王琦， 李术才， 李智等．煤巷断层区顶板破断机制分析及 支 护 对 策 研 究[J]．岩 土 力 学 ， 2012， 33（10） 3093- 3102． [2] 康红普， 冯志强．煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与 发展趋势[J]．煤矿开采， 2013， 18 （03） 1- 7． [3] 侯朝炯．深部巷道围岩控制的关键技术研究[J]．中国矿 业大学学报， 2017， 46 （05） 970- 978． [4] 刘泉声， 卢超波， 卢海峰等．断层破碎带深部区域地表预 注浆加固应用与分析 [J]． 岩石力学与工程学报， 2013， 32 （S2） 3688- 3695． [5] 郝育喜， 王炯， 王浩等．深井断层破碎带穿层软岩巷道锚 网索耦合控制对策[J]．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （02） 231- 237． 作者简历 陈文云 （1986-） ， 男， 陕西榆林人， 工程师， 现在同煤集团 晋华宫煤矿综采四队从事技术管理工作。 （收稿日期 2019- 10- 25） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 度的波动， 系统的速度的调节总耗时在 3.7s， 最终的 绞车驱动电机的运转速度稳定在 - 39.60r/min，较目 标值小 0.40r/min， 远小于误差允许值 1r/min。 图 4- 50～0r/min 调速过程转速响应曲线 从图 4 中可以看出，当将绞车驱动电机的运转 速度由 - 50 r/min 调整至 0 r/min 的过程中， PLC 单片 机将目标转速的调整划分为 3 个阶段，分别是转速 从 - 50r/min 调整到 - 30 r/min、 - 30r/min 调整到 - 10 r/min 以及速度从 - 10 r/min 调整到 0 r/min。在 PID 控制器将转速从 - 50r/min 调整到 - 30 r/min 过程中 总耗时长为 1s，将转速 - 30r/min 调整到 - 10 r/min 时， PID 控制器转速调节耗时为 1s， PID 控制器将转 速从 - 10 r/min 调整到 0 r/min 过程中， 总耗时为 4s。 在对绞车驱动电机进行调速控制时，绞车的运行速 度未出现较大幅度的波动， 运行较为平稳。 表明设计 的绞车驱动控制系统是切实有效可行的。 4总结 设计的无极绳绞车液压驱动控制系统同通过 PLC 单片机以及 PID 控制器来实现绞车运行速度的 平稳控制， 当绞车控制手柄完成操作后， PLC 单片机 完成对绞车运行状态的综合判断，从而控制对各液 压阀进行控制， 对目标速度进行分割， PID 控制器通 过绞车驱动电机转速的控制完成对绞车转速的有效 调节，采用 AMEsim 软件对设计的系统进行模拟验 证， 结果也表明， 设计的系统能够对绞车运行速度进 行平稳调节。设计的制动系统可以提高了绞车的自 动化控制水平，解决了靠个人经验对绞车速度进行 控制存在的问题。 参考文献 [1] 秦亚洲. 矿用液压绞车结构设计与性能分析[D].安徽理工 大学,2018. 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