地质预报及超前支护

李臻

金川奥伊诺矿业

摘要：软弱破碎不良地层条件下的地下巷道开挖掘进及支护由于其本身固有的工程特殊性，一直以来都是岩体工程力学领域中非常棘手的难题，业隆沟矿区地下开采系统基建工程由于受到节理裂隙、破碎带（断层）、地下涌水三种因素的交叉影响，造成了井巷工程掘进进度缓慢、安全管理难度大、成本高等问题，本文结合近年生产实践，将支护及超前支护方式进行了一个梳理，并简要分析了地质预报手段的必要性。

关键词：超前支护，垮塌治理，地质预报

业隆沟锂辉石矿共掘进平硐3个，标高分别为3906m、4010m、4100m，三个平硐揭露岩层产状大致为南西倾（倾向240度，倾角20度），局部产状紊乱，岩层陡倾，掘进中发现巷道岩石节理裂隙、构造裂隙十分发育，裂隙渗/涌水主要集中在3906m主巷、4010m主巷、4100m主巷，其中3906m主巷涌水最大值超过地质报告的2550.322m3/d。

在历年的施工中，放炮后掌子面小规模的冒顶时有发生，大规模的垮塌（垮塌跨度大于5m）也遇到过数次。

作为建设单位技术管理人员，为确保井巷工程的施工进度、质量和安全，我方协同施工单位技术管理人员根据现场实际情况，采取了包括管棚注浆（单/双液浆）支护、超前导管加钢拱架支护、喷锚网支护等各种形式的支护方式。

一、井下工程地质情况概述

1、矿区地质情况概述

矿区位于可尔因二云二长花岗岩体东南部的木劳交倒转背斜北西倾没端。矿区内出露地层为三叠系中统杂谷脑组(T2z)、上统侏倭组(T3zw)，另有零星出露的第四系(Q4)残坡积物、冲洪积物、冰川堆积物等。

岩性上由于矿区内受到的区域变质、区域动力热流变质作用、气成热液变质作用及热接触变质作用，其中动力变质作用较轻，而经受的热接触变质作用强烈，这主要是由于矿区以北的可尔因花岗岩体侵入冷凝过程中释放的巨大热能导致岩体周围1500m～4500m内的地层在较微弱的区域变质基础上再次发生热接触变质作用，形成了各类角岩、片岩、变粒岩围绕岩体呈不规则环带分布，具体到井巷工程掘进中，岩性以前两种变质岩为主。

构造方面，由于受可尔因花岗岩浆活动及岩体侵入挤压的影响，使区内地层的产状紊乱并与区域上的地层走向略有一定的斜交，但总体是倾向南西，矿区大部分区域产状倒转，产状变化较大，为170～230/16～52°。原勘探报告认为区内断层不发育，根据巷道掘进情况来看，区内中小型层间破碎带（断层）发育较多，构造裂隙、节理普遍存在，特别是矿体顶底板有较大概率存在层间破碎带，地下水系错综复杂，因此本区工程、水文地质条件相对较复杂。

2、井巷工程地质情况概述

3906m主巷道基本是在未风化/弱风化石英角岩中掘进，偶遇小型层间破碎带或节理裂隙发育地段需要钢拱支护，岩石结构在三个硐口中最为稳固，但是由于在三个硐口中海拔最低，矿坑涌水最大，局部掘进遇到破碎带（断层）后，很容易造成地压失衡，从其他位置渗出的地下水短时间内汇聚至断层破碎带处涌出，涌水冲刷破碎顶板，造成大规模垮塌。

4010m井巷工程较多，主要有主巷、斜坡道（上向）、环形车场、各分段运输巷及采矿联道，基本是在角岩/片岩中掘进，节理裂隙十分发育，角岩多破碎呈豆腐块状，块径10cm至100cm不等，片岩相对于角岩更为软弱，多沿层理、片理面滑脱呈片状、块状，作为顶板来说容易掉块，发生冒顶。根据井巷工程揭露情况来看，地下开采系统区域内的破碎带（断层）也相当发育，目前已编录的破碎带约有10条，集中分布在22-3线至22-10线之间，相当部分破碎带都造成了掘进巷道的垮塌。

4100m井巷工程主要有主巷道及斜坡道，基本是在强/中风化角岩、片岩中掘进，岩石受地下水风化侵蚀严重，裂隙发育，多呈碎块状、碎粒状，节理裂隙、及中小型层间破碎带均较为发育，破碎带宽度从5cm至2m不等，走向延伸长度不明，破碎带内岩石多呈碎粒状、泥状。总体来说4100m主巷是3个中段中岩石最差的一个，掘进难度大，安全管理形式复杂。

3、岩石破碎的主要形式总结

①顶板呈层状或块状脱层

矿区岩层基本呈南西倾向，缓倾斜，倾角25°左右，大致走向125°左右，与PD4010、PD4100主巷道基本上呈小角度相交（约35°交角）。掘进爆破后，顶板角岩/片岩层多呈层状或块状缓倾，且由于节理裂隙和地下水系发育，层理面及节理面常出现有风化脱层的情况，导致顶板冒落风险很高。

②中小型层间破碎带（断层）发育

本区成矿可归入到构造控矿的内生矿床类型中，锂辉石伟晶岩脉体的空间产出受构造裂隙控制。

可尔因伟晶岩田位于造山带内部，其地层沉积厚度较薄，又加之长期受到自西向东，自北向南的强烈构造应力作用，形成了大量构造裂隙，为矿体的形成提供了空间条件，但同时，也对井巷工程的实施产生了负面影响。

掘进中遇中小型断层破碎带及层间裂隙，往往在局部层段形成层间错动带，水平厚度可达0.2～6m不等。破碎带内及其上下盘围岩岩石多呈碎块状、碎片状，大部分岩石块度小于

10cm，伴随错动过程往往在破碎带中存在断层泥及断层擦痕，本区域地下水系往往就在这些破碎带及层间裂隙中流动。掘进中打开破碎带后，地压降低，会导致地下水向地压低的地方汇聚，由渗水、滴水转变成涌水，增加破碎带通过难度。

③伟晶岩顶底板

由于成矿期后活跃的构造运动，大部分伟晶岩的顶底板及其上下盘附近围岩都存在不同程度的泥化蚀变，伟晶岩的蚀变以高岭土化为主，围岩蚀变则主要为碎裂岩化。蚀变后的伟晶岩呈泥状、土状，十分软弱，不具有支撑性，而上下盘的围岩破碎也不具有支撑性，所以极其容易出现冒顶塌方。

二、支护与超前支护方案

根据松动圈理论，由于开挖扰动，巷道围岩划分为几个不同的区域，分为弹性变形区、塑性变形区、围岩松动区。松动圈理论认为，支护的主要对象是松动圈发展过程中的碎胀变形，支护的目的就在于防止围岩松动圈发展过程中所产生的有害变形。而支护的关键应当是要将松动圈的碎胀变形减少到可控范围之内，保证围岩的稳固性。根据这一理论，结合历年来多次巷道垮塌治理，我将地下开采系统内的破碎段井巷工程的支护与超前支护方案也进行一个总结归纳，在遇到特定破碎岩层时，可以提前采取超前支护或支护手段，保证巷道施工安全。

1、节理裂隙发育或缓倾岩层脱层

地下开采区域内大部分岩层（角岩/片岩）倾角较缓，岩层多为薄～厚层状构造，在遇到这种情况，在不严重的情况下，可采用2m长的管缝式锚杆或者螺纹钢加锚固剂进行支护，间排距按照1m布置即可，局部岩层破碎可增加10×10mm的钢筋网片喷浆支护。

2、断层或破碎带

遇到断层或者破碎带（掌子面拱弧以上岩石呈碎块状、碎片装、泥状）一般采用超前锚杆（φ22mm的螺纹钢）或超前小导管（φ32mm的无缝钢管）进行超前支护（根据实际情况可以采用更大管径的，支撑更好）。

超前小导管是稳定开挖工作面的一种非常有效的辅助施工方法。在软弱及破碎岩层施工中，超前小导管对松散岩层起到加固作用（必要的情况下还可以注浆进一步增强松散、软弱围岩的稳定性），有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定，不至于围岩失稳破坏直至坍塌。

超前小导管的倾角α一般选用6°～12°，一般情况下，超前锚杆的长度为内拱顶线的一半再加2m，为了提高施工效率，巷道内超前锚杆长度统一为4.4m，为提高支护效果，在靠近拱脚部位的超前支护的方向常分别向左右酌情外插。横向间距应根据围岩情况而定，一般为0.2～0.4m，如采用双层支护时，间距为0.4～0.6m。其上、下层应错开排列，其排间距应根据围岩类别、超前支护的长度、锚杆的截面尺寸及横向间距等因素综合考虑确定，一般可取100cm或150cm，最大不超过200cm。

3、垮塌区治理方案简介

垮塌区治理要根据地压大小、跨度、高度等多方面因素综合考虑，制定经济合理的垮塌区治理方案。根据地下采区范围内的多次垮塌处理经验，可以按下图情况简单分类并确定垮塌治理方案。

①管棚注浆

采用φ108mm大管棚注浆，注浆前采用C20喷射砼封闭工作面，形成200～500mm厚的止浆墙，然后使用管棚机钻进，管棚管身设若干溢浆孔，孔径8mm，孔距0.5m，梅花形排列。其前端0.2m范围内不设溢浆孔，加工成尖锥形，封焊严实；后端1.0m范围内不设溢浆孔，管棚尾部焊接注浆管及闸阀，管棚横向间距0.3～0.5m，管棚长度根据实际情况进行调整确定，原则上不超过15m，如遇到断层破碎带较长的情况，需要搭接的，两排管棚间搭接长度应不小于4m。由于管棚是由1.5m/根的管身通过丝口连接，施工完成后，根据实际需要，管棚内部可以塞入4根φ32螺纹钢焊接而成的钢筋笼增加其强度。

大管棚主要有两个作用，一个作用与超前导管类似，起到棚顶的作用，另外管棚导管上都割有注浆小孔，通过高压（2.0MP以上）注浆，使浆液从注浆小孔中扩散，理论上可以扩散至0.3～0.5m左右，养护完成后，注浆体和管棚在垮塌区域共同形成一个混凝土安全顶棚，再采用短掘短支的方式在垮塌松散体中掘进，支护方面要做到随挖随支，采用钢拱架喷砼支护。

此方式的优点在于有效降低了管棚下方人员作业的安全风险，提高了垮塌区作业各个环节（包括掘进、支护、出渣）的施工安全，但是相对于此，它的缺点也很明显，施工工序复杂、养护周期长、成本高。因此，现场技术管理人员要做好现场技术管理，在保证安全的前提下，控制好管棚施工方位及长度、注浆量、浆液配比、注浆压力等各方面技术指标，降低综合成本。

②超前小导管注浆

垮塌区纵向跨度不太大，垮高不太高，但是岩石破碎呈碎块状、碎片状，如果出渣清理，顶板会进一步垮塌，或者开挖掌子面顶板有小股涌水且岩层破碎小规模垮塌，这两种情况下可以采用超前小导管注浆。

根据实际需要注浆液可以采用水泥单液浆或者水泥—水玻璃双液浆，通过高压注浆，可以起到“固结岩体、改善围岩性质、提高围岩自稳能力”的作用，注浆管与围岩紧密粘结在一起，又起到了“锚固”作用，可以显著提高围岩的承载能力。

超前小导管支护对掌子面前方巷道起拱线以上围岩进行注浆加固（特殊情况可以加上直墙），采用的小导管为φ38mm×4.4m无缝钢管，管头加工成带缝尖头，在距管口l～1.2m处钻8mm注浆孔，孔距15～20cm，呈梅花布置。沿着巷道掘进方向，小导管横向间距为0.2～0.4m，外插角为15～20°，搭接长度为1～2m。小导管沿着巷道起拱线以上布置，按照断面不同小导管数量为24～30根。随着高压注浆后围岩强度的增长，小导管在整个支护体系中起到了锚杆、棚架和锚杆桩多重等效作用，依靠胶结、填充作用，被加固区围岩密实结合。极大地减少了裂隙率，形成结实的加固圈，整体稳定性增大。相比于管棚注浆，超前小导管注浆作业施工周期更短、成本更低。

③超前小导管支护

局部区域的垮塌是由于破碎岩层被打开后，短暂的地压失衡导致，顶板不会进一步垮塌，这种情况可以直接采用超前小导管加钢拱架支护，短掘短支通过即可，超前小导管支护的施工方法和参数第一节已详细讲过，不再复述。

三、地质预报

超前探测预报技术系统起步于上个世纪，最先生产利用是在煤矿生产中应用，但伴随着道路工程、水利工程、军事巩固工程和城市地下工程建设的发展，地质超前探测预报技术在地下隧道和大型硐室施工中的应用越来越广。

在遇到数量众多的构造和破碎带后，公司技术管理人员认真总结了教训和经验，查找了很多工程地质资料，我们所遇到的构造和破碎带在现有的工程技术条件下，都是可以顺利通过的，因此，工作的重点要放在地质预报上面。

常见的工程地质预报方法主要有：钻孔超前探测；开挖超前导坑进行地质、水文观测素描；地震波、声波、地质雷达等物理探测。

在综合比较各种方法的技术、经济可行性后，我们最终提出了开展“坑内钻工程地质预报”的方法来对地下采区的不良地质地段进行相对准确的预报。

1、坑内钻地质预报

采用钻探的方式进行地质预报，是一种经济、成熟、有效的探测手段。本次地质预报采用的坑内钻设备为改装自走型KY400，取芯规格75mm，有效钻探深度150m以上，普通段岩芯采取率大于80%，破碎段岩芯采取率大于75%，取芯方式为绳索取芯，一般情况下，采用水平直孔钻进，钻探位置根据实际情况布设于起拱线以上即可，根据工程需要，一个工作面可以布置1到7个钻孔，目前我们采用的单孔预报，准确性能够达到指导施工的要求。

坑内钻工程地质预报主要是通过钻探情况及取芯，来确定开挖面前方的地质情况，比如根据钻进时间和长度，计算钻进速度，推断围岩软硬情况；根据返回液的颜色、浓度，颗粒大小、成分、颜色、岩性等判断围岩的岩性、强度情况；根据卡钻、跳钻、坍孔情况判断围岩破碎、空洞情况；根据钻机孔口水压、流速、水量等推测水压、涌水量大小；根据钻孔取芯直观了解围岩节理、裂隙等发育状况，通过工程地质编录，结合以上信息，形成工程预报岩性图，供施工单位参考确定支护及超前支护方案。

2、其他地质预报方法简述

国内的地质超前探测预报最早也是应用于煤矿生产中，自1958年我国首次开展井下电法试验以来，到80年代后期，很多研究机构、各大矿务局、部分大专院校相继开展了大量的矿井直流电法试验研究，并在模拟实验、现场探测、仪器开发、理论研究等方面取得了许多经验和成果。

上世纪70年代初我国相继引进研制探地雷达、直流电阻率法、槽波地震勘探技术、瑞雷波法等。1991年成功研制了瞬态震源MRD.I型瑞雷波探测仪。上述的超前地质探测预报技术常用于巷道顶底板隔水层厚度及埋深的探测、含水层富水情况测量和断层破碎带分布测量等方面，因为这些均含有大量的等低阻不良地质体，对于超前探测技术非常敏感，有明显的工程效果，最大探测距离可达80m。在井巷、隧道工程的超前探测应用较为广泛，成为井下物探的主要方法。

2005年，国内开发推出TGP多功能隧道地质超前预报系统，该系统利用震动波的回声原理，利用爆破产生震动波在岩体传播，当遇到软弱破碎带、岩溶、断裂带等不良围岩地层，声波反射到高敏度的声波信号检测仪，通过计算时间和波速，判断不良地层位置。同时可以计算出不良围岩中的断层、破碎带等具体的产状、规模大小和含水特性，是国内较为完善的超前探测系统之一。

近年来，TSP技术逐渐进入国内的工程技术人员的视野，1996年我国首次引进TSP202，应用于多条隧道的施工，获得良好的工程反映，大受欢迎。近些年一些公路、勘测部门和高院校也先后引进了TSP202、203系统，并成功地应用于隧道工程、水电站导流洞、高速公路等几十个工程中。

21世纪初，美国C.Thru公司从国家安全局继承核心技术，推出了TRT(TrueReflection Tomography.aRT)超前预报系统，是用来指导隧道施工、地层绘图、采矿、地下水文和地质测量、填埋物的描绘和定位、判断地下危险物移动的新一代超前预报系统。它采用的是层析扫描技术，这种技术可以采用多种震源产生的沿隧道和采矿巷道传播的信号，可以根据信号在岩体性质发生改变的地方而产生的反射信号而形成三维结构图，这个结构图则包括了隧道前方以及隧道围岩周围的各种地质情况。

四、结论

通过实践表明，坑内钻工程地质预报手段具有经济和技术上的可行性，结合超前支护等手段，降低面对不良地质段坑道垮塌的风险，减少垮塌治理的费用。

另外，地质预报还有另外一个容易被忽略的地方，那就是在复杂工程、水文地质条件下，如果缺乏施工之前对岩层的预先宏观认识了解，往往还是会存在一定的风险和安全问题，比如突水、突泥、塌方等不能预料或者难以预料的工程地质灾害事故，因此采用地质预报手段，可以有效降低井下各工序作业人员的安全风险，避免安全事故的发生。

当然，地下采区内的地质情况复杂多变，岩石、构造、破碎带包括矿体也并不是完全规则的，坑内钻工程地质预报 成果也仅仅只能作为一个参考，更重要的，还是现场技术管理人员根据钻探、坑探编录等成果资料形成系统性的数据库、模型库，加强矿区综合地质研究与交流，提高技术团队整体技术、管理水平。

参考文献

[1]陈道富、廖芝华、昝贵云等.四川省金川县业隆沟矿区锂矿勘探报告

[2]宁果果.不良地层超前探测预报及巷道支护研究

[3]张治国.不良地质和特殊地质地段隧道处理技术及案例

[4]冯海鹏，马可理，金沛先.超前注浆小导管在破碎围岩地质隧道中的应用

[5]何成.隧道特殊不良地质钻探法超前地质预报

作者简介

作者李臻，出生于1986年9月，2009年毕业于成都理工大学能源学院资源勘查工程专业，目前工作于盛新锂能集团金川奥伊诺矿业有限公司，任职技术部部长。邮编610000，地址四川省成都市成华区府青东街80号协信中心，联系电话[phone]，E-mail:[e-mail]。