淺談注漿在巷道修護中的應用

摘要：姚橋煤礦深部立井巷道修護加固，綜合分析了破壞機理，采取了切實可行的加固設計，尤其是注漿加固技術(shù)的應用十分有效，對礦井巷道修復加固很有借鑒意義，具有很好的推廣價值。文章結(jié)合姚橋煤礦中央軌道七甩道巷道注漿加固技術(shù)的應用，對注漿加固技術(shù)的工藝流程進行了闡述。

關(guān)鍵詞：注漿加固；巷道修護；注漿錨桿

中圖分類號：TD265 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0046-03

姚橋礦煤礦中央軌道七甩道（中部變電所及通道）內(nèi)變電所擔負著中央采區(qū)的供電任務，巷道使用錨桿進行錨噴支護，噴砼厚度100mm。巖性多為細砂巖與砂質(zhì)泥巖，巖石破碎，層理發(fā)育，極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)滑層，圍巖不易維護。由于深部礦壓和地質(zhì)構(gòu)造等的影響，巷道局部地段出現(xiàn)了變形和底鼓等現(xiàn)象，巖體發(fā)生破碎，刷大修護時打眼爆破時巷道成型難以控制，頂板及幫的巖石破碎嚴重，存在著極大的安全隱患，打眼時也容易出現(xiàn)卡釬子，難以施工，雖經(jīng)多次翻修均未達到預計效果。為了能夠使煤礦長期安全的高效生產(chǎn)，需要有一套行之有效的措施方案，經(jīng)驗表明，注漿能夠達到較好的效果。

1 巷道分析

1.1 巷道變形情況

1.1.1 中央軌道七甩道通道嚴重變形段（兩幫位移量≥500mm）累計長約12m。

1.1.2 變電所內(nèi)巷道（長約8m）累計底鼓量（平均值）約300mm，頂板下沉量200mm，已經(jīng)過多次臥底處理。

1.2 原因分析

通過采礦資料綜合分析和現(xiàn)場勘查，中央軌道七甩道的變形屬“礦壓影響”所致。即：隨采礦工程的繼續(xù)，巷道的原應力狀態(tài)受到破壞，在礦壓高應力作用下發(fā)生了擠壓流動性底鼓。在采動垂直應力和水平應力的作用下，巷道兩幫首先發(fā)生破壞，整個巷道都位于較松軟破碎的巖層中，這時巷道周邊的圍巖松動圈很大，兩幫的應力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到巖體的深部，巖柱對底板的約束作用減弱。然后，在強大的水平應力作用下擠壓底板巖體向巷道內(nèi)流動，造成底鼓。

1.3 安全狀態(tài)評估

巷道變形段內(nèi)F65和F75等多條斷層較為發(fā)育，因采動影響，巷道來壓，原錨網(wǎng)噴支護巷道噴層開裂掉塊、鋼筋網(wǎng)拉斷、巷道變形、斷面縮小。強烈的巷道變形不僅帶來了大量的維修工作，增加了維護費用，更嚴重影響巷道的安全使用。

因此，為確保甩道內(nèi)變電所系統(tǒng)正常及安全生產(chǎn)，根據(jù)礦多次現(xiàn)場會決定：變形段巷道應采取注漿加固、修復方案。

2 方案設計

2.1 方案的確定

目前，治理礦壓巷道變形的方法可分為三大類型，即：支護加固法、卸壓法及聯(lián)合支護法。

巷道經(jīng)過礦壓和翻修影響后，圍巖松動圈大，空洞、裂隙多，圍巖性質(zhì)差，自承能力低。采用注漿補強加固技術(shù)，對巷道已松散、破碎的圍巖進行密實和充填，不但可以增加破碎巖石之間的黏結(jié)力，達到加固圍巖、控制圍巖變形的效果，更可以提高軟巖巷道支護效果和圍巖穩(wěn)定性，有效地阻止松散體出現(xiàn)坍塌，也為巷道安全、順利地修復施工創(chuàng)造條件。

2.2 設計原則和技術(shù)路線

中央軌道七甩道中部變電所及通道的變形差異較大（底鼓量、頂板下沉量和兩幫縮近量及其破碎程度等），基本可分為：一般變形段、嚴重變形段和瀕臨破壞段。本次設計嚴格執(zhí)行“安全、經(jīng)濟、合理”的設計原則，遵循“邊施工，邊勘察、邊檢驗，邊修改”的技術(shù)路線。根據(jù)巷道變形情況逐一進行參數(shù)檢驗和確定，一方面可以使設計具有較強的針對性和可操作性，另一方面也盡可能保證施工設計的及時優(yōu)化。

2.3 總體施工方案

先對中央軌道七甩道進入通道的馬頭門段12m進行初注漿，在確保其刷擴幫安全后進行套孔注漿，并安裝注漿錨桿，提高其整體支護效果。在獲取更為詳盡的地質(zhì)資料，對各類原始資料進行匯總、分析、研究，及時評估所采用施工方案與施工方法的有效性和科學性后，再確定下一個注漿段的設計參數(shù)及施工工藝。

注漿施工順序初步確定為：開門處預注漿（防止圍巖刷幫時垮塌）→復注（巷道按照設計斷面修復后進行兩幫注漿加固）→安裝注漿錨桿。

2.4 設計工程量

通道加固段累計長度約12m，注漿孔24（預注漿）+14（復注加固）個，單孔深3m。

2.5 預期效果

通過提高圍巖的整體結(jié)構(gòu)，為巷道重新維護后達到設計斷面要求創(chuàng)造條件。

2.6 補充說明

注漿加固工程要求對施工地點綜合地質(zhì)情況進行了詳盡細致的分析、研判，加強現(xiàn)場資料采集、試驗及鉆孔的地質(zhì)分析等各項施工預報工作的密度；還須采用排疑法對各注漿段地層充填情況進行解釋、說明和確認，不斷修改完善設計，加強施工過程控制，使得設計更具有實際指導作用。

3 注漿參數(shù)

3.1 注漿材料的選擇

3.1.1 主要注漿材料。水泥選擇42.5R普通硅酸鹽水泥（袋裝），水玻璃選用模數(shù)為2.8～3.2，濃度40Be'。

水泥-水玻璃雙液漿的成本較單液水泥漿高。當注漿終壓不易達到設計值或巷道表面漏液時，可以采用此漿液以控制漿液的流動范圍。水泥漿液加料順序為：攪拌機內(nèi)加水→加入緩凝劑溶液→加入水泥。要求攪拌時間大于5min，放置時間不宜超過30min。

3.1.2 漿液濃度。為增加混凝土的密實性，達到較強的加固效果，根據(jù)實驗室分析，并對本次注漿加固參數(shù)進行優(yōu)化：水泥漿液水灰比選用范圍一般為0.8∶1～1∶1，水泥漿水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5。

3.2 注漿加固范圍

變形段巷道累計長約12m，其中：通道兩幫變形段12m，變電所底鼓段8m。

3.3 注漿孔的布置

由于通道部分變形非常嚴重，現(xiàn)巷道寬度1.2m，不能滿足造孔要求，故為確保刷幫安全，應從甩道口兩側(cè)采用長釬分段造孔方能達到施工要求，依據(jù)礦壓巷道注漿理論和類似工程實踐，本次注漿漿液擴散半徑取1.5～2m，為達到較好的初注效果，施工采用排距1.6m、孔間距2m、單孔深3m，預計注漿孔38個。由于巷道縮徑變形、差異較大，可視現(xiàn)場情況和實際需要進行合理調(diào)整布置。

注漿孔布設情況詳見注漿孔布置圖。

3.4 注漿方式

第一步：為防止刷幫時由于圍巖松散造成巷道偏幫甚至垮塌，應對該段進行預注漿加固。鑒于巷道空間狹小不具備造孔條件，因此造孔注漿工作選在甩道開門處兩幫分段（3.0m/段）施工。即在開門處距巷幫2m位置沿甩道中心線方向造孔3.0m后注漿，達到注漿標準后對該3m段進行刷幫修護，再進行下一段3.0m注漿施工，以此類推。

第二步：在巷道變形段全部刷幫成型后，采用分幫和二次套孔方式對圍巖進行補強注漿。注漿時，按五花型依次造出巷道一幫的注漿孔，孔深1.8m，安裝好閥門（或壓力表）后進行注漿；待該注漿段結(jié)束后，再施工與其對稱的另一幫注漿孔，并進行注漿。注漿順序見注漿孔布置圖。

圖1

圖2

第一次鉆孔注漿：鉆孔深1.8m時，進行圍巖補強注漿，防止裂隙發(fā)育造成的大面積跑漿，并增強其單向抗壓強度，避免因注漿壓力過大引發(fā)巷道破壞。

第二次鉆孔注漿：鉆孔3m（至全孔深）后，對圍巖進行壓密注漿。

3.5 注漿壓力

注漿壓力一般為靜水壓力的1.5～2倍，但是注漿壓力的選擇還應考慮巷幫及底板的承受能力。由于巷道圍巖結(jié)構(gòu)松散破碎，難以確定其單向抗壓強度，注漿壓力的變數(shù)較大。

本次施工中，應視現(xiàn)場受力觀測結(jié)果及時調(diào)整注漿壓力，在注漿不能引發(fā)巷道二次破壞的前提下，盡可能加大壓力以加大注漿液擴散范圍。注漿壓力可按4～7MPa控制。

準確的每注漿段的注漿壓力需結(jié)合鉆孔試壓成果，并確切計算反壓力，達到適位適量注入。

各段注漿壓力初步設計如下：

表1

注漿壓力

MPa

注漿順序 一般變形段 嚴重變形段 瀕臨破壞段

壓力 終壓 壓力 終壓 壓力 終壓

第一次鉆孔注漿 4 6 4 5 4.5 7

第二次鉆孔注漿 4 6 4 5 4.5 7

3.6 注漿孔結(jié)構(gòu)

用Φ42mm鉆頭開孔，終孔深5m。入圍巖1.5m后，下孔口管后用Φ32（或Φ28）鉆頭造孔。孔口管：Φ42×4.5mm無縫鋼管制作，視圍巖破碎程度（由輕到重）確定長度為0.8m、1.0m及1.2m三個規(guī)格。

3.7 預計注漿量

單孔漿液注入量可按下式計算：

Q=AπR2HnB/m

式中：

A——漿液消耗系數(shù)，為1.2～1.5

R——以注漿孔中心為基點的漿液有效擴散半徑（m），取1.5m

H——注漿段高（m），這里取注漿段長度5m

n——巖層平均裂隙率，為0.01～0.05

B——漿液充填系數(shù)，為0.9～0.95

m——漿液結(jié)石率，為0.85

Q單孔=3m3，則Q總=14×3=42m3。

綜合考慮預注漿及變電所底板注漿量，本次注漿加固工程預計需要：

水泥約40t，水玻璃10t。

現(xiàn)場施工時，注漿孔的布置、漿液更換及配比等均須根據(jù)工程實際情況需進行調(diào)整，故最終材料實際消耗量會有所不同。

3.8 壓水試驗

在每次注漿前后均應進行壓水試驗。

注漿前的壓水試驗可以沖洗鉆孔、檢查注漿效果、測定地層吸水率和透水性能等，為泵壓、泵量和漿液配比選擇的確定提供可靠依據(jù)。

鉆孔吸水率ω由下式計算：

ω=Q/（PL）

式中：

Q——壓水流量，L/min

P——壓水壓力（水柱高），m

L——壓水段高，m

4 施工工藝

4.1 注漿站的建立

站內(nèi)設備主要有雙液高壓注漿泵1臺、攪拌機1臺和蓄水桶和蓄漿桶等。注漿施工時，可將注漿設備等安置在平板車上，建立移動注漿站；站內(nèi)敷設供電、供水及壓風等管路各一趟。

4.2 施工工藝

具體工藝流程如下：

圖3 工藝流程圖

甩道開門處預注漿：

風錘造孔（孔徑Φ42mm，孔深1.2m）→安裝孔口管（孔口管進入巷道圍巖部分不小于1m）、澆鑄孔口管→安設高壓閥門（1.5寸）→用Φ28釬頭從閥門內(nèi)鉆孔（孔深3m）→關(guān)閉閥門并連接好注漿設施→打開閥門→開啟注漿泵壓水→注入水泥漿→雙液漿封孔→關(guān)閉閥門→換孔。

巷道刷幫修護成型后復注（按以上順序）。

孔口管選用Φ42×4.5mm無縫鋼管制作，長度為0.8～1.2m（視圍巖破碎程度確定），一端加工成600mm左右長的馬牙扣，另一端加工成50mm長的絲扣，孔口管與1.5寸球閥通過短節(jié)變頭連結(jié)，將孔口管的馬牙扣之間部位纏上生麻，用固管器推入孔內(nèi)。注漿施工前須進行耐壓試驗，試驗時要逐漸加壓，最大壓力為7MPa。

注漿最終結(jié)束標準必須綜合考慮，結(jié)合鉆孔取芯分析、漿液擴散效果檢測等結(jié)果進行綜合確定。

5 效果檢驗的方法

（1）注漿終壓達到設計要求，并穩(wěn)定10～15分鐘。

（2）各孔注漿量達到設計要求。

（3）注漿施工結(jié)束后，通過注漿體內(nèi)鉆孔，用壓水、注水或抽水等辦法測定圍巖的流量及滲透系數(shù)，不合格者需進行補充注漿。檢查孔的數(shù)目約為總注漿孔數(shù)的5%～10%，布孔的重點是地質(zhì)條件不好的地段以及注漿質(zhì)量較差或有疑問的部位。

（4）為正確評估本工程的注漿效果，采用取芯抗壓、標貫試驗、壓板試驗、抽水試驗四種方法綜合檢測。

（5）中央軌道七甩道巷道采用注漿加固結(jié)束后，通過認真布點長期觀察，修護段巷道基本穩(wěn)定，加固后沒有明顯的位移，達到了設計的效果，取得了良好的效益。

6 結(jié)語

由于姚橋煤礦中央軌道七甩道采取的加固方案正確，設計合理，施工得當，修復加固取得了良好的效果。經(jīng)本次修復后近一年的觀察，原破壞段不再繼續(xù)發(fā)展，得到了有效的控制。

作者簡介：顧訓水（1970—），男，江蘇沛縣人，中煤集團大屯公司姚橋煤礦掘進六隊黨支部書記，工程師。