穿435m落差断层大巷的地质保障及施工控制技术

第27卷增1岩石力学与工程学报Vol.27Supp.12008年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2008收稿日期：2008–01–17；修回日期：2008–04–02基金项目：国家自然科学基金资助项目(50674085)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB209408)；2006年教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET–06–0478)作者简介：张农(1968–)，男，博士，1989年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任教授，主要从事煤矿巷道围岩控制方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]穿435m落差断层大巷的地质保障及施工控制技术张农1，2，许兴亮1，2，程真富1，3，王成1，2(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221008；3.淮北矿业集团生产管理部，安徽淮北235006)摘要：以穿过435m落差、140m宽度断层带的主运输大巷的安全开掘为工程背景，研究特大断层区巷道施工地质保障及围岩控制技术。在断层岩性组成、断层岩芯剪切滑动面擦痕特征、断层导水特性及现代活动性等研究的基础上，结合区域地质分析判定穿该断层区域巷道施工不会遭受到断层突水威胁，施工的关键在于巷道顶板安全控制，针对性地提出化学浆液预注浆控制迎头空顶区岩体垮冒技术。如何防止超大范围断层破碎带内松散泥质岩体渗水泥化则是成巷后的最大技术问题；高强预应力锚杆支护和滞后强化注浆技术相结合可有效防止泥化，实现巷道长期维护。针对顶板状况设计两种技术方案，采取分步实施的动态施工工艺，在围岩顶板空顶自稳时间很短时，采取超前预注浆和喷层、架棚、注浆、锚杆组合技术方案；在围岩空顶自稳期间允许施工锚杆时，采用锚杆、注浆和关键部位锚索加固方案，保证了巷道的施工安全和长期稳定。关键词：采矿工程；巷道开掘；断层；地质保障；注浆；锚杆支护；过程监控中图分类号：TD35文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)增1–3292–06GEOLOGICALGUARANTEEANDCONSTRUCTIONCONTROLLINGTECHNIQUEOFMAINROADWAYCROSSINGFAULTZONEWITH435-mFALLZHONGNong1，2，XUXingliang1，2，CHENGZhenfu1，3，WANGCheng1，2(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandMineSafety，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；3.ProductionandManagementDivision，HuaibeiMingGroup，Huaibei，Anhui235006，China)Abstract：Takingsafeconstructionofthemainhaulageroadwaydrillingcrossinga435-mfalland140-mwidefaultzoneasengineeringbackground，astudyofengineeringgeologicalguaranteeandconstructioncontrollingtechniqueofroadwayareperformed.Basedonthefaultrocks，scrapingcharacteristicsofrockcoreshear-slidingsurface，waterconductivity，recentactivitiesofthefaultsandregionalgeologicalanalysis，itisfoundthatroadwayconstructionwillnotbesubjectedtofracturewateroutburst.Thekeyconstructiontechniqueliesinsuccessfulcontrolofhead-onhollowroofrockcollapse.Underthispoint，groutingofchemicalserumshouldbechosenasaprecaution.Oncetheroadwayisformed，itisimportanttocontrollarge-scalewaterseepagecausedbyargillitizationofbrokenloosemudstoneandkeeplong-termstabilityofroadway.Socombinationoflag-groutingofcontrollingrockmassweakenedbyfracturewaterandhigh-intensitypretensionsupportingtoprevent第27卷增1张农，等.穿435m落差断层大巷的地质保障及施工控制技术•3293•continuousrheologicaldeformationisadvocated.Asaresult，twosupportingschemeswereconsidered：aslongasself-stabilityoftheroofrockisallowed，thestepwiseboltingwithanchoragecablesinstalledatkeyareawillbeadopted；otherwise，thepre-grouting，spraying，sheddingandboltingschemewillbeselectedinstead.Processcontrolledprojectishighlightedbydynamicuseofadvancingpre-grouting，spraying，sheddingandboltingtoguaranteetheroadway′ssafeconstruction.Keywords：miningengineering；roadwayconstruction；faultzone；geologicalguarantee；grouting；boltingsupporting；processmonitoring1引言桃园煤矿隶属安徽淮北矿业集团，井田境内横穿一条落差大于400m的正断层(F2断层)，断层走向N80°～88°W，倾向NNE，倾角40°～60°，两端皆延伸出该矿井。八、十采区被F2断层分割于桃园煤矿北部，单独布置北区生产系统，需要施工立井和地面铁路及装车站，而利用中央生产系统，需要北八运输大巷横穿F2断层。两方案比较，第一方案技术难度小，但多投资人民币220万元。已有地质勘探资料表明该断层带的落差大于400m，断层影响带宽度超过100m。经补充勘探和综合比较确定采用穿断层施工大巷技术方案，但需要解决在特大落差断层的巨厚破碎带内施工永久性巷道的防治水、顶板控制和长期维护的技术难题[1，2]。本文介绍围绕这一工程技术开展的地质保障、安全施工及围岩控制技术研究成果。2穿F2断层区域的地质保障技术首先围绕05–水1和05–水2两个钻孔所获得的部分岩芯样品开展分析。2.1断层岩芯剪切滑动面擦痕分析断层擦痕是断层运动方式的直接体现，根据对2个钻孔部分岩芯样品进行的断层擦痕观察分析，发现其原始擦痕剪切面不规则，倾角变化较大。从05–水1钻孔的几个样品来看，优势滑动面倾角为40°～45°，擦痕方向与滑面倾向往往不一致，常常呈一定的夹角，表明断层运动具有水平分量，水平位移方向呈右旋或左旋运动，可能在不同的地质历史阶段，由于地壳运动方式的差异，导致不同擦痕特征，此类现象反映出F2断层的活动方式十分复杂。2.2断层带岩性分析断层带内岩体通常含有泥质成分，而且许多地段泥质成分含量很高，从钻孔揭露的岩芯看，断层角砾岩的岩石成分主要由泥岩、粉砂岩、细砂岩与少量煤层构成。水1孔525m处的样品黏粒含量高达65%，而碎石含量只有8.3%。大量观测资料证明，在张性裂隙断层带内，地下水渗透过程中，运动水流可携带黏粒(多半是胶粒物质)，并不断在裂隙中沉积下来。如果断层内张性裂隙很大，就可以成生体积较大、黏粒含量较高的断层带黏性土体。水1孔528m处高黏性土现象就是以这种方式产生后，又经过后期压密而形成的。图1的黑色松软淤泥显示出了这类黏性土的早期形态。在断层应力作用下揉皱(见图2)或破碎(见图3)现象严重。粉砂岩呈浅灰色～深灰色，层状结构，常夹浅灰色细砂岩层理，在断层应力作用下也较为破碎。细砂岩呈灰白色～浅灰色，硅质胶结，性硬，在断层应力作用下出现裂隙或呈较大的碎块状。图1张性裂隙中的黑色软淤泥沉积(05–水2，钻孔深度336m)Fig.1Blackmuddepositioninopeningcrack(holeNo.2，depth336m)2.3断层导水特性分析05–水1和05–水2钻孔的钻进冲洗液消耗量小而稳定，以额定泵量2.5L/s压水试验，水压升高较快，压水试验水压过程见图4。单位吸水量ω=0.00295L/(min·m2)，渗透系数k=0.00604m/d，属于弱透水性断层。2个钻孔钻进完毕后，都进行了简易注水试验。•3294•岩石力学与工程学报2008年图2揉皱式压性劈理(05–水1钻孔，深484.36m)Fig.2Crumpledcleavagederivedfrompressure(holeNo.1，depth484.36m)图3破碎岩石与相对完整岩石之间以滑动层面相接触(05–水1钻孔，深507.35～509.35m)Fig.3Contactofslidinglayerbetweenbrokenrockandintegrityrock(holeNo.1，depth507.35–509.35m)图4压水试验水压曲线Fig.4Processofwaterpressuretest终孔后把钻孔灌满，观察其水位下降情况，经过一定时间后，根据回灌量折算出相应的注水量。按此方法测出05–水1钻孔最大注水量为5L/h；05–水2钻孔最大注水量为9.5L/h。这样小的注水量也表明钻孔所遇到的断层带范围内没有导水性较强的裂隙存在。由此认为F2断层属于弱透水性断层，不会造成大规模矿井突水事故。由于F2断层带导通了下古生界碳酸盐岩岩溶裂隙含水层(奥灰)、石炭系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层(太灰)、基岩地层区域强含水层，虽然对大巷开掘无直接影响，但因各种导水断裂发育，致使该含水层与太原群灰岩水乃至二迭系煤系地层有一定的水力联系，构成底部煤层开采的间接充水含水层，存在裂隙渗水的影响，对巷道长期维护不利，开挖工程证明在扰动条件下会造成裂隙渗水。从一般规律看，大型断层带外围岩体破碎，往往更容易出现小规模导水裂隙，因而在穿断层区施工中应注意断层接触带附近的裂隙导水性，在开巷时应采取探水、放水降压措施，以确保施工安全。2.4断层稳定性评价(1)断层稳定性评价断层碎屑是由断层反复运动时两侧岩石的磨擦滑动碎裂与地下水携带物质的沉淀等作用形成的，它记载着有关断层运动的大量信息。分形几何是描述自然界复杂对象的数学工具之一，分维则是分形几何学最基本、最关键的概念，是表示分形的定量指标。用于研究断层带填充物的粒度分形[3、4]，属于自然界的碎形现象，在求取沉积物的分维值时，常用的方法是质量维数法。这里取土工试验所测的碎屑颗粒为对象，在双对数坐标系建立MrM)(与r线性拟合关系，求出斜率b，得到3个样品的分维值(D)分别为2.94，2.66和2.86。从拟合效果来看，3个样品的分形线性相关系数分别为0.994，0.974和0.938，都远远大于0.900的要求，