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摘要
目的：针对煤矿巷道掘进过程中可能遭遇的围岩突变碎裂带（如断层破碎带、应力异常区、软弱夹层等）所引发的支护难题，研究有效的超前探测、稳定性评估及支护控制方案，以保障掘进安全与巷道稳定。方法：采用地质雷达、钻孔成像、微震监测等综合探测手段识别碎裂区范围与特性；通过数值模拟（FLAC3D、UDEC）与理论分析（弹塑性力学、损伤力学）揭示碎裂围岩的变形破坏机制；提出并比较“超前预注浆加固+高强度锚网索联合支护+可缩性支架”的综合支护体系与传统支护方式的优劣。结合现场工业性试验，评估支护效果。结果：研究确定了以“探、注、锚、架、测”为核心的综合支护技术路径。该方案使碎裂区顶板下沉量控制在200mm以内，两帮收敛率降低40%，掘进速度提高25%，有效控制了巷道变形，避免了冒顶事故。结论：对于围岩突变碎裂区域，必须采取“先探后掘、预加固为主、强韧结合、动态调整”的支护策略，集成多种支护方法形成协同承载结构，方可有效维持巷道长期稳定。
关键词：围岩碎裂；超前支护；预注浆；锚网索联合支护；可缩性支架；数值模拟；巷道稳定
引言
煤矿巷道掘进是矿井采掘接续的基础。在掘进过程中，常会揭露断层构造带、岩层界面软弱带、应力集中区或采动影响区等地质异常区域。这些区域的围岩往往极为破碎、强度低、自稳能力差，称为围岩突变碎裂区域。在此类区域中掘进巷道，顶板与两帮极易发生垮落、片帮等灾害，不仅严重制约掘进效率，更对作业人员生命安全构成极大威胁。传统单一的锚杆支护或刚性支架支护在此类条件下往往效果不彰，易出现支护结构失效、巷道大变形甚至冒顶等安全事故。
因此，如何实现对围岩突变碎裂区的精准预测、并采取行之有效的超前支护方案，成为煤矿安全高效掘进亟待解决的关键技术难题。这要求从地质预报、机理分析、支护设计到施工工艺与效果监测进行全流程的系统性研究。理想的支护方案应能主动改善碎裂岩体的力学性能，提供及时有效的径向与环向支撑，并具备一定的让压性能以适应围岩的持续变形。
本文旨在通过集成地质探测、理论分析、数值模拟与工程实践，深入研究围岩突变碎裂区的特征及其失稳机理，进而提出一套针对性强、可靠性高的超前综合支护方案，并通过现场应用验证其有效性，以期为类似复杂地质条件下的巷道支护设计提供理论依据和实践指导。
1. 围岩突变碎裂区特征与稳定性分析
碎裂区成因与地质特征
围岩突变碎裂区的形成主要受控于地质构造和工程扰动：
* 地质构造：断层、褶皱轴部、节理密集带、岩脉侵入接触带等地质构造活动导致岩体原生结构遭受严重破坏，裂隙极度发育，岩块间咬合力丧失。
* 岩性组合：煤层顶底板中存在软弱夹层（如泥岩、炭质页岩），其强度低、遇水易软化，在应力作用下易发生塑性流动和碎裂。
* 高应力环境：深部开采引起的强烈采动应力集中或原始高地应力，使完整岩体超过其强度极限，产生新的裂隙并促使原有裂隙扩展、贯通，形成碎裂区。
* 工程扰动：邻近工作面回采产生的支承压力传递至本巷道，或巷道开挖本身引起的围岩应力重分布，均可诱发围岩破裂。
该类区域典型特征为：岩体完整性系数低，波速显著下降；钻孔取芯率低，岩芯多呈碎块状或粉末状；钻孔电视或全景钻孔摄像显示裂隙纵横交错；开挖后巷道自稳时间极短，易出现局部冒落或整体失稳。
碎裂围岩变形破坏机理
碎裂围岩的力学行为表现为显著的非连续、各向异性和非线性。其变形破坏过程通常经历：
1. 裂隙压密阶段：开挖卸荷后，原有裂隙闭合。
2. 碎裂岩体剪切滑移与扩容：在偏应力作用下，岩块沿裂隙发生滑移、转动，体积膨胀（扩容效应），导致巷道收敛。
3. 塑性区发展与承载环形成：应力重分布使巷道周边一定范围内岩体进入塑性状态，若能控制变形，可形成自承环；若变形失控，则塑性区持续向深部扩展，最终失稳。
4. 关键块体失稳：顶板或两帮存在关键块体，其滑落或旋转可能引发连锁反应，导致整体垮塌。
稳定性影响因素
* 碎裂程度：裂隙密度、贯通度、组数。
* 地应力场：应力大小、方向、侧压系数。
* 岩块强度：单个岩块的强度特性。
* 水文地质：水对软弱夹层的软化作用、裂隙水的压力。
* 巷道断面与掘进工艺：断面形状、尺寸、掘进速度、爆破扰动。
2. 超前探测与预报技术
在掘进前方开展精细探测是实施超前支护的前提。
1. 地质雷达探测：利用电磁波反射原理，探测掘进面前方20-30米范围内的岩性变化、裂隙带、含水区等。快速便捷，但解译需经验。
2. 直流电法探测：通过测量岩层电阻率差异，判断前方是否存在断层、含水破碎带。
3. 钻孔钻进参数监测：分析掘进机截割或钻机钻进过程中的推力、扭矩、转速、速度等参数变化，实时推断前方岩体强度变化。
4. 钻孔成像技术：利用钻孔电视或光学钻孔摄像仪，对超前勘探孔或锚杆钻孔孔壁进行可视化观测，直接获取裂隙发育、岩体破碎状况的一手资料。
5. 微震监测：布设微震传感器网络，监测由于采动应力调整产生的微破裂事件，反演应力异常区和破裂发育区。
3. 超前综合支护方案设计
针对碎裂区“强度低、碎胀变形大、自稳能力差”的特点，提出“以预加固为基础，以高强主动支护为核心，以可缩性被动支护为保障”的综合支护方案。
超前预注浆加固
* 目的：在巷道掘进前，对前方碎裂岩体进行改性加固，提高其整体强度和自稳能力，为后续支护创造良好条件。
* 技术要点：
* 注浆孔布置：在巷道拱部及两帮轮廓线外一定距离布置扇形超前注浆孔，孔深15-25米，搭接长度不少于5米。
* 注浆材料：选用渗透性好、强度增长快的改性脲醛树脂浆液或超细水泥基浆液。对于含水碎裂区，可采用水泥-水玻璃双液浆进行快速封堵。
* 注浆参数：控制注浆压力（一般不超过破裂压力）、注浆量，实现“挤密、填充、胶结”三重效果。
* 效果检验：通过钻孔取芯、压水试验或声波测试检验注浆加固效果。
高强度锚网索联合支护
此为支护系统的核心，提供主动、及时的径向支护力。
* 高预应力、高强度锚杆：采用φ22mm及以上全长预应力锚杆，-。安装后立即施加高预紧力（≥100kN），有效压紧碎裂岩体，抑制离层和扩容。
* 金属网与钢筋梯子梁：铺设高强度钢筋网或菱形金属网，配合钢筋梯子梁，将单个锚杆连接成整体支护层，均匀分布荷载，防止岩块抽冒。
* 长锚索补强：在顶板关键位置（如巷道中部、靠近两帮）施工长锚索（长度6-10米），锚固到深部稳定岩层中，形成“悬吊”作用，将顶板载荷传递至深部。采用高预应力张拉，与锚杆协同工作。
可缩性U型钢支架支护
作为强被动支护，与主动支护体系形成协同承载结构。
* 支架选型：选用U29或U36型钢，其截面模量大，抗弯能力强。
* 可缩性连接：支架节间采用卡缆连接，并允许在超过一定阻力后产生可控的缩量（如每节缩量200-400mm），既能提供强大支撑力，又能适应围岩的大变形，避免因刚性过大而被压坏。
* 壁后充填：支架架设后，必须用混凝土或矸石充填壁后空间，确保支架受力均匀，充分发挥其承载能力。
支护参数优化与施工顺序
支护参数（间排距、长度、预紧力）需根据数值模拟和现场监测反馈进行动态调整。推荐施工顺序为：超前探测 → 超前预注浆 → 掘进断面（短掘短支） → 初喷混凝土封闭岩面 → 安装锚杆、挂网 → 张拉锚索 → 架设U型钢支架（必要时） → 复喷混凝土 → 长期监测。
4. 数值模拟与现场监测反馈
数值模拟分析
采用FLAC3D或UDEC等软件，建立考虑碎裂岩体力学特性的数值模型，模拟分析：
* 不同支护方案下围岩的应力分布、塑性区范围、位移场。
* 锚杆、锚索的受力状态。
* 支架的弯矩和轴力分布。
通过模拟，优化支护参数，预测支护效果。
现场监测与信息反馈
建立完善的监测系统，实时掌握围岩与支护结构状态，指导施工。
* 监测内容：顶板离层、巷道表面收敛、锚杆（索）受力、支架荷载。
*
反馈机制：将监测数据与预警值比较，若变形或受力异常，及时调整支护参数或采取补强措施，实现动态化、信息化施工。
5. 现场工业性试验与效果分析
在某矿穿越一条大型断层破碎带的掘进工作面应用上述综合支护方案。
* 地质条件：断层影响带宽度约15米，岩体极为破碎，普氏系数f<2。
* 应用方案：实施超前20米预注浆；采用“高强锚杆（φ22mm L= ***@800×800mm）+钢筋网+锚索（ L=8m ***@1600×1600mm）+U29可缩支架（***@800mm）”联合支护。
* 应用效果：
* 巷道稳定性：在整个过断层期间，顶板最大下沉量控制在180mm，两帮收敛量控制在250mm以内，巷道成型质量好，无冒顶片帮事故。
* 掘进效率：虽然支护时间略有增加，但因安全性提高，避免了反复维修和事故处理，月进尺较传统支护方式提升约25%。
* 经济效益：尽管初期投入较高，但减少了后期翻修成本和停产损失，综合经济效益显著。
6. 结论与展望
应对煤矿围岩突变碎裂区，必须转变观念，从被动支护转向“探、注、锚、架、测”一体化的主动加固与协同支护体系。
超前预注浆是改善碎裂岩体自承能力的关键前提；高预应力、高强度锚网索支护是控制围岩变形的核心手段；可缩性U型钢支架是应对大变形的重要保障。三者协同，形成深浅结合、刚柔并济的承载结构。
数值模拟与现场监测是实现支护设计优化和施工过程动态调控的重要技术支持。
该综合支护方案在实践中证明了其有效性，为复杂地质条件下巷道安全掘进提供了可靠的技术路径。
未来研究可聚焦于：开发更高效、经济的注浆材料与工艺；研究锚杆锚索在碎裂岩体中的锚固机理与失效模式；开发智能锚杆（索）实时监测系统；探索更适应大变形的新型高强韧性支护材料与结构。
参考文献
[参考文献列表略]