李云飛

（山西中條山集團(tuán)胡家峪礦業(yè)有限公司）

南和溝礦區(qū)開(kāi)采深度將接近千米，隨著開(kāi)采深度的增大，地壓將顯著增大，礦山生產(chǎn)將面臨更大的挑戰(zhàn)，阻礙該礦業(yè)公司的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要對(duì)礦區(qū)深部地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防治，從而有效地預(yù)防和控制地壓災(zāi)害，促進(jìn)礦山安全高效生產(chǎn)，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

南和溝礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺構(gòu)造及次級(jí)褶皺構(gòu)造較發(fā)育，斷裂構(gòu)造僅發(fā)育1條。水文地質(zhì)類型簡(jiǎn)單，主要含水層為變質(zhì)巖類裂隙水含水層。在隔水層中破碎帶裂隙發(fā)育，裂隙普遍具有地下水溶蝕痕跡。裂隙發(fā)育和構(gòu)造裂隙成為大氣降水補(bǔ)給通道，賦存裂隙潛水。

礦區(qū)工程地質(zhì)為中等。根據(jù)南和溝礦區(qū)X中段平硐開(kāi)采揭露地層，礦層頂板有白云石大理巖、黑云片巖、鈣質(zhì)云母片巖、矽化大理巖；底板巖性有白云石大理巖、黑色片巖、矽化大理巖。地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，對(duì)地層破壞程度較大，巖石裂隙較發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)巖石為中等堅(jiān)硬巖石。由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，在構(gòu)造破碎帶巖心完整性差，其余巖石較完整，礦層頂?shù)装宸€(wěn)定性較好。

2 南和溝礦區(qū)主要地壓位置與特征

2.1 南和溝礦區(qū)主要地壓位置

目前，南和溝礦區(qū)最低開(kāi)拓水平為X中段，開(kāi)拓深度達(dá)到近千米。通過(guò)對(duì)礦山X中段、Y中段及Z中段巷道地壓現(xiàn)狀的調(diào)查，對(duì)礦山主要巷道地壓的分布、破壞特征及破壞程度等進(jìn)行了分析，從礦山井巷地壓分布現(xiàn)狀來(lái)看，礦山地壓破壞主要分布位置為穿脈巷道，與斷層及不良巖性密切相關(guān)。地壓破壞分布情況如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為頂板塌腰及塌方，巷道兩幫片幫、開(kāi) 裂、下滑；鋼拱架橫梁及立腿嚴(yán)重變形，如圖2所示。

2.2 南和溝礦區(qū)地壓破壞位置及特征

（1）某些地壓顯現(xiàn)位置呈帶狀分布。X中段92穿至96 穿均發(fā)現(xiàn)不同程度的地壓破壞，地壓破壞區(qū)域呈帶狀分布，并發(fā)現(xiàn)破壞區(qū)域巖性主要為黑色片巖并伴有斷層泥出現(xiàn)，可以推測(cè)此處地壓顯現(xiàn)與斷層破碎帶侵入有關(guān)。X中段地壓顯現(xiàn)區(qū)域較長(zhǎng)，支護(hù)困難，而且圍巖比較破碎，可以推測(cè)此處地壓顯現(xiàn)亦與破碎帶密切相關(guān)。此外，斷層附近極易產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力的集中對(duì)于巷道維護(hù)十分不利。

（2）巷道交叉口位置容易產(chǎn)生地壓破壞。X中段88穿底運(yùn)入口處，X中段92穿、94穿頂運(yùn)入口處，101穿底運(yùn)入口處都有一定程度的塌方，均發(fā)生在頂/底盤(pán)運(yùn)輸?shù)琅c穿脈巷道的交叉處。在交叉口處，由于暴露面積大，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，且在交叉口位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果圍巖的巖性不好，支護(hù)不合理，極易產(chǎn)生地壓顯現(xiàn)。

（3）巷道巖爆現(xiàn)場(chǎng)。新掘進(jìn)的巷道存在巖爆現(xiàn)象，表現(xiàn)為兩幫及頂板發(fā)現(xiàn)有破裂面狀小三角。

3 地壓破壞原因及防治措施

3.1 地壓破壞原因

目前，礦區(qū)已經(jīng)開(kāi)拓到X中段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種破壞情況，分析其破壞特征和規(guī)律，認(rèn)為地壓破壞的原因主要有以下幾個(gè)方面［1-3］。

（1）斷層破碎帶和軟巖的侵入降低了圍巖的完整性和巖石的強(qiáng)度。斷層破碎帶和軟巖的侵入使圍巖完整性降低，如果不及時(shí)支護(hù)，容易引起巷道圍巖變形甚至坍塌。

（2）隨著礦區(qū)進(jìn)入深部開(kāi)采，地應(yīng)力逐漸增大，地壓顯現(xiàn)更為明顯。南和溝礦區(qū)主井井塔底板標(biāo)高為-20 m，X中段埋深超過(guò)700 m，已經(jīng)步入深井開(kāi)采階段，地應(yīng)力逐漸增大，具備巖爆形成的條件。

（3）原有支護(hù)方式存在缺陷。南和溝礦區(qū)原有支護(hù)方式存在缺陷，一部分巷道是裸巖，一部分巷道進(jìn)行了10 cm 混凝土噴漿，而且現(xiàn)場(chǎng)施工管理欠規(guī)范，施工質(zhì)量難以保證，隨著巷道埋深和地應(yīng)力的增加，這種支護(hù)強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

（4）斷層褶皺引起的構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致局部地應(yīng)力分布不均勻。斷層背斜組合使倒三角A產(chǎn)生了卸力作用，使得自重應(yīng)力降低；而正三角B產(chǎn)生了加力作用，使自重應(yīng)力升高，從而造成應(yīng)力集中，地壓顯現(xiàn)。

（5）爆破不良，超挖和欠挖現(xiàn)象產(chǎn)生的應(yīng)力集中為巖爆和地壓顯現(xiàn)提供了條件?，F(xiàn)場(chǎng)巷道掘進(jìn)爆破管理不良，易造成超挖和欠挖現(xiàn)象，這種超挖和欠挖極易引起應(yīng)力集中。

3.2 地壓防治措施

（1）提前鉆探，確定斷層破碎帶位置。掘進(jìn)巷道時(shí)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造不明的區(qū)域用鉆機(jī)探明構(gòu)造及巖性，在距斷層和破碎帶5 m 時(shí)加密錨桿，采用錨網(wǎng)支護(hù)［4-5］。

（2）注漿支護(hù)。遇斷層破碎帶時(shí)，向頂板巖層注水泥、水玻璃、馬麗散，使遇斷層破碎帶同周圍堅(jiān)硬巖石膠結(jié)成整體，利用周圍堅(jiān)硬巖石的承載能力，提高穩(wěn)定性。

（3）破碎圍巖超前支護(hù)。 在斷層破碎嚴(yán)重的區(qū)域，為有效防止冒頂，利用超前梁提前支護(hù)。

（4）臨時(shí)噴射混凝土支護(hù)。在掘進(jìn)遇到斷層或遇到含泥質(zhì)大理巖、矽卡巖時(shí)，為形成一個(gè)臨時(shí)支護(hù)環(huán)境，及時(shí)噴射混凝土薄層。

（5）縮小進(jìn)尺，短掘邊支。過(guò)斷層破碎帶時(shí)，采用減少每次進(jìn)尺、邊掘邊支的方法，確保揭露的破碎巖有一定的穩(wěn)定性。

3.3 地壓防治措施中支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)總結(jié)分析可知斷層破碎、巷道圍巖變形等造成地壓顯現(xiàn)，故針對(duì)斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞的特征以及原因分析，考慮支護(hù)方案時(shí)，需要解決如下關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）控頂問(wèn)題就是要解決由于破壞的巖層變形及離層而產(chǎn)生的應(yīng)力集中問(wèn)題。這就需要進(jìn)行整體的支護(hù)，形成作用效果好的組合拱結(jié)構(gòu)。通過(guò)減輕巷道兩幫的應(yīng)力集中進(jìn)而減小兩幫的位移量，有利于巷道的整體穩(wěn)定。

（2）卸壓?jiǎn)栴}即是要解決水平方向上的高應(yīng)力釋放問(wèn)題。由于高應(yīng)力能夠達(dá)到10 MPa 以上，而支護(hù)提供的支護(hù)力只有0.2～0.3 MPa，無(wú)法抗衡高應(yīng)力。通過(guò)支護(hù)無(wú)法恢復(fù)原有高應(yīng)力的三向應(yīng)力狀態(tài)，必須要釋放圍巖中的高應(yīng)力。所以，在支護(hù)時(shí)適當(dāng)?shù)厥褂萌嵝灾ёo(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖發(fā)生一定程度的變形。

4 斷層破碎帶支護(hù)方案及支護(hù)效果分析

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)思路

（1）確保巷道的整體穩(wěn)定性，需要拱結(jié)構(gòu)完整，重點(diǎn)解決兩幫位移。

（2）確保應(yīng)力釋放，需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)柔性，使巷道巖石的變形在接受范圍內(nèi)。

4.2 支護(hù)方案確定

南和溝礦區(qū)在斷層破碎帶的原支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)［6］，管縫式錨桿長(zhǎng)度1.8～1.6 m ，間排距（800～1 500）mm×1 000 mm，噴層厚度50～100 mm。鑒于斷層破碎帶復(fù)雜情況，確保巷道完整性，采用如下方案。

方案一：錨網(wǎng)噴支護(hù)+澆筑混凝土支護(hù)。

施工順序：成形巷道斷面→臨時(shí)噴射混凝土50 mm 封閉圍巖→錨桿打眼→安裝錨桿→掛鋼筋網(wǎng)→掘砌基礎(chǔ)→澆筑100 mm 混凝土。具體支護(hù)斷面如圖4所示。

方案二：注漿加固聯(lián)合錨網(wǎng)噴支護(hù)。

施工順序：成形巷道斷面→臨時(shí)噴射混凝土30 mm 封閉圍巖→打孔→注漿→錨桿打眼→安裝錨桿→掛鋼筋網(wǎng)→噴射70 mm 混凝土。具體支護(hù)斷面如圖5所示。

錨桿布置主要根據(jù)巷道周圍的情況而定，錨桿在巷道頂部，兩幫的布置形式以方形和梅花形布置較為普遍。方形的布置形式適用于較穩(wěn)定的巖體，梅花形的布置形式適用于穩(wěn)定性較差的巖體［7-8］。

4.3 注漿錨桿的確定

錨桿的類型有很多，實(shí)踐表明，在地質(zhì)條件不良的情況下，全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿的錨固力要比集中錨固錨桿優(yōu)越，一方面隨著時(shí)間的推移，集中錨固型的錨頭會(huì)銹蝕，易滑脫，錨頭附近巖石破壞或受爆破沖擊引起巖體松弛，往往會(huì)使錨固力降低；另一方面全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿可抑制圍巖裂隙張開(kāi)的能力遠(yuǎn)比集中錨固型要強(qiáng)。

此外全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿可分為水泥砂漿錨桿和樹(shù)脂錨桿，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）水泥砂漿錨桿雖具有成本低廉，施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但錨桿工程質(zhì)量無(wú)法確保和錨固耐久效果差是水泥砂漿錨桿的主要缺陷。

（2）與水泥砂漿錨桿相比，樹(shù)脂錨桿主要有優(yōu)點(diǎn)［7-8］：①樹(shù)脂錨桿能極快地提供支承力，其特性為早期強(qiáng)度高、后發(fā)展穩(wěn)定；②樹(shù)脂錨桿施工受環(huán)境干擾小、適應(yīng)性強(qiáng)；③架設(shè)墊板，聯(lián)結(jié)松動(dòng)區(qū)的節(jié)理、裂隙、破碎面等圍巖，保證圍巖同裂隙、松動(dòng)區(qū)形成整體，確保了錨固區(qū)圍巖的強(qiáng)度。

根據(jù)以上分析，方案一、方案二在通過(guò)斷層破碎帶時(shí)均布置全長(zhǎng)樹(shù)脂錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，呈梅花型布置，錨桿及注漿支護(hù)如圖6所示。

4.4 支護(hù)效果分析

利用FLAC3D模擬，對(duì)3 種支護(hù)方案的塑性區(qū)規(guī)律進(jìn)行分析對(duì)比，選塑性區(qū)控制效果最優(yōu)者為巷道加固支護(hù)方案。巷道塑性區(qū)分布規(guī)律如圖7所示。

在埋深較大的巷道中，掘進(jìn)后造成的圍巖應(yīng)力需要較長(zhǎng)時(shí)間塑性變形才能重新分布完成，為了抑制這種變形的發(fā)展才是體現(xiàn)支護(hù)的作用。由圖7 可以看出，3 種方案的巷道拱頂板均為剪應(yīng)力狀態(tài)，巷道兩幫和底板均為拉剪狀態(tài)，但塑性區(qū)范圍依次變小，塑性區(qū)的發(fā)展范圍得到了有效抑制。原支護(hù)方案塑性區(qū)面積為1.58 m2，方案一塑性區(qū)面積為1.24 m2，方案二塑性區(qū)面積為0.52 m2，優(yōu)化方案及原方案減小量分別為0.34 m2及1.06 m2，減小幅度分別為21.5%及67%，可見(jiàn)方案二塑性區(qū)控制效果最佳，支護(hù)效果明顯。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)南和溝地壓破壞區(qū)域的實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析了地壓破壞區(qū)域的具體位置、地壓顯現(xiàn)時(shí)間、以及地壓破壞區(qū)域特征等，分析得出了南和溝礦區(qū)地壓空間分布主要呈帶狀分布的特點(diǎn)。此外，地壓破壞多集中在巷道交叉口位置。

（2）通過(guò)分析巷道塑性區(qū)、地形區(qū)破壞位置等特征，得出了南和溝礦區(qū)地壓破壞的五大原因，提出了防治措施，并針對(duì)過(guò)斷層破碎帶時(shí)提出2 個(gè)支護(hù)方案，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬支護(hù)效果，確定了最佳支護(hù)方案——注漿加固聯(lián)合錨網(wǎng)噴支護(hù)。