盾构掘进巷道穿断层破碎带围岩主动高强支护技术研究

盾构掘进巷道穿断层破碎带围岩主动高强支护技术研究

常立业

（淮北矿业股份有限公司临涣煤矿，安徽 淮北 235135）

摘要：以临涣煤矿八采区回风上山盾构掘进穿大吴家断层为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件，分析了穿断层破碎带盾构掘进扰动下围岩损伤特征；在此基础上，提出了在穿断层区域采取“锚网索+架喷注”的“整体高强+局部加强”复合支护形式，确定了具体的主动高强支护技术方案及参数，并进一步开展了现场工业性试验。现场试验结果表明，巷道穿断层区域顶底板相对移近量最大为33.4 mm，两帮相对移近量最大为36.1 mm，支护方案应用效果良好，能够满足巷道后续长期使用需求。

关键词：盾构掘进；断层破碎带；复合支护；整体高强；局部加强

0 引言

现代化大型矿井对巷道掘进速度，巷道支护的稳定性要求越来越高。寻找一种既能满足快速掘进，又能有效控制围岩稳定性的施工方法尤为重要[1-2]。TBM（全断面巷道掘进机）以其集成化的作业能力和显著的施工效率，成为解决这一问题的先进技术选择[3]。虽然TBM在水利和交通隧道工程中已广泛应用，但其在煤矿巷道工程中的应用相对较新，且面临着更为复杂的地质条件和施工环境[4]。

TBM在高硬度稳定岩层中掘进效率具有明显优势，但在煤矿这中特殊的地质环境中，在受到断层等地质构造影响下TBM掘进效率大大降低。一是破碎的围岩硬度低，不利于TBM快速推进。二是围岩稳定性差，巷道支护困难[5-7]。合理高效的支护工艺，如高强度支护系统、预支护和定制化的围岩处理方案，是解决TBM在复杂地质条件下快速掘进的条件之一[9]。

本文以临涣煤矿八采区回风上山TBM掘进揭穿大吴家断层为工程背景，模拟分析了断层区域TBM扰动下围岩损伤特征；探索出一套主动高强支护方案，有效的提高了断层破碎带巷道围岩支护效果，为八采区回风上山快速掘进提供了保证。

1 工程背景

临涣煤矿八采区回风上山设计总长度为1560m，采用TBM5530全断面掘进机（简称盾构机）施工。掘进施工过程中，将揭穿大吴家断层（落差80～180 m），大吴家断层区域破碎带宽度为37 m。

2 断层区域盾构扰动下围岩损伤特征

2.1 数值模型建立

采用犀牛软件建立大吴家地层数值模型，并导入FLAC3D软件进行数值模拟分析[10]。数值模型中岩层的物理力学参数见表1。

表1 数值模型中岩层物理力学参数

2.2 模拟结果分析

（1）巷道围岩应力分布特征

八采区回风上山穿大吴家断层时围岩应力分布云图如图1所示。

（a）垂直应力            （b）水平应力

图1 穿大吴家断层时围岩应力云图

由图1分析可知，巷道左右帮垂直应力最大值分别达到9.10 MPa和8.85 MPa；相比之下，顶板和底板垂直应力最大值则分别为3.12 MPa和2.68 MPa；巷道左右帮水平应力最大应力值为2.73 MPa和2.59 MPa，而顶底板的水平应力最大值接近，分别为8.80 MPa和8.79 MPa；左右帮的垂直与水平应力呈现出近似相等的趋势。

分析发现，盾构机穿越大吴家断层破碎带时，围岩的应力水平整体呈现下降趋势。围岩结构完整性和承载能力显著降低。

（2）巷道围岩塑性区发育特征

八采区回风上山穿越断层时，顶底板及左右帮塑性区最大发育范围分别达到3.25 m、3.17 m、3.34 m、3.02 m，围岩塑性区整体沿巷道中心均匀发育，围岩结构完整性和承载能力显著降低。

受盾构机对围岩结构强扰动与破碎围岩稳定性较差叠加影响，围岩破坏范围大，承载力差。采取有效的主动高强支护措施，才能保障八采区回风上山支护强度满足快速掘进和后期使用要求。

3 断层区域主动高强支护方案确定

3.1支护形式提出

针对八采区回风上山断层区域的围岩破碎情况，提出采取“锚网索+架喷注”的“整体高强+局部加强”复合支护形式，实现“整体高强支护”稳固围岩，“局部加强支护”辅助加固，共助安全的效果。

3.2 支护方案确定

（1）方案设计

通过构建的大吴家断层区域FLAC3D数值模型，设计了三种主动高强支护方案，对不同方案下围岩控制效果进行对比分析，确定出合理的支护方案。

三种不同支护方案构件参数见表2。

表2 三种不同支护方案构件参数（mm）

（2）通过八采区回风上山过大吴家断层区域不同方案模拟实验结果见表3。

表3 不同方案模拟结果汇总

由表3分析可知，与方案三相比，方案一与方案二的顶底板相对移近量分别仅增加18%与8%，两帮相对移近量平均增加26%。综合考虑经济效益后，在穿断层区域方案三为最优。

（3）支护方案确定

锚杆：锚杆选用左旋无纵螺纹钢，规格Φ22×3000 mm，间排距800×800 mm，每排17根，每根锚杆使用两卷Z2950型树脂锚固剂锚固，配套托盘规格200×200×16 mm。

锚索：锚索规格Φ22×10000 mm（中顶1根及两肩窝4根）、Φ22×6300 mm（两帮各5根），间排距800×800 mm，每排15根锚索，每根锚索采用1卷K2950型及2卷Z2950型树脂锚固剂锚固，配套托盘规格300×300×16 mm，锚索外露长度在150～250 mm。

注浆锚杆：采用中空螺旋钢注浆锚杆，规格Φ25×2500 mm，每排7根，间排距1600×1600 mm；注浆浆液为水泥浆，水灰比为1：1，注浆的饱和注浆压力为1.5～2.0 MPa，稳压时间15～20 min。

套棚：套棚采用U29型钢棚，套棚净宽（起拱）5200 mm，净高4100 mm，搭接长度500 mm，棚距800 mm，铁背板配合钢筋网腰帮过顶。

锚索梁：锚索梁采用11#工字钢加工，对棚梁和棚腿进行固定，长度3 m，一梁托四棚布置。

钢筋网：钢筋网采用Φ6.0 mm圆钢加工，规格：长×宽=2730×1130 mm，网格100×100 mm。

喷浆：喷射砼料配比为水泥：黄沙：石子：速凝剂=1：2：2：0.04，水灰比为0.4～0.5：1，喷砼厚度为100 mm，喷砼强度为C20。

4 现场试验段工程应用效果分析

4.1 表面位移监测方案

在穿断层区域设置2个测站，分别为B1和B2，两测站间隔20 m。采用“十字测量法”进行观测，测站断面上测点布置如图4所示。采用红外测距仪测量，主要顶底板相对移近量CD和两帮的相对移近AB。

图4 测站断面上测点布置示意

4.2 工程应用效果分析

在观测期间，B1测站顶底板相对移近量最大为27.5 mm，两帮相对移近量最大为34.5 mm；B2测站顶底板相对移近量最大为33.4 mm，两帮相对移近量最大为36.1 mm；穿断层区域在支护后平均断面约为原设计断面的98%，巷道围岩变形量安全可控，围岩控制方案应用效果明显。

5 结论

（1）断层区域围岩应力分布模拟结果表明，八采区回风上山顶底板及左右帮垂直应力最大值分别为9.10 MPa、8.85 MPa、3.12 MPa、2.68 MPa，水平应力最大值分别为8.80 MPa、8.79 MPa、2.73 MPa、2.59 MPa，垂直应力影响大于水平应力。

（2）断层区域围岩塑性区发育模拟结果表明，八采区回风上山顶底板塑性区发育范围最大为3.25 m，左右帮塑性区发育范围最大为3.34 m，围岩完整性受断层影响呈现整体下降特征。

（3）针对大吴家断层区域围岩破碎情况，结合现场盾构掘进施工经验，提出了在穿断层区域采取“锚网索+架喷注”的“整体高强+局部加强”复合支护形式。

（4）现场实测结果表明，八采区回风上山穿断层区域顶底板相对移近量最大为33.4 mm，两帮相对移近量最大为36.1 mm，主动高强支护方案应用效果良好，能够满足巷道后续长期使用需求。

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[3]谢和平，张  茹，张泽天，等. 深地科学与深地工程技术探索与思考[J]. 煤炭学报，2023，48(11)：3959-3978.

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