破碎煤巖體注漿加固技術(shù)及其應(yīng)用

張保芳

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西霍州031400）

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

破碎煤巖體注漿加固技術(shù)及其應(yīng)用

張保芳

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西霍州031400）

注漿加固技術(shù)已經(jīng)成為地下巖土工程中重要的圍巖加固方法，其對于破碎煤巖體、軟巖、沉降控制，注漿堵水等工程有非常顯著的效果。本文分析了注漿加固機(jī)理、水泥漿和化學(xué)漿區(qū)別及其適用范圍以及注漿工藝和參數(shù)等，并結(jié)合國內(nèi)煤礦注漿加固工程實(shí)例，對煤礦破碎煤巖體的注漿加固效果進(jìn)行了探討，得出注漿加固能大幅提高破碎煤巖的完整性，使其承載能力增大，圍巖最大主應(yīng)力向煤壁移近，可有效控制巷道底鼓。通過工程實(shí)例分析，可為類似工程的注漿施工提供借鑒。

煤巖體；注漿加固；化學(xué)漿液；效果評定

20世紀(jì)40年代以來，注漿加固技術(shù)得到了迅速發(fā)展，相繼研發(fā)了水泥和化學(xué)漿液。尤其是20世紀(jì)60年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，注漿設(shè)備和工藝也得到了很大的進(jìn)步，使注漿加固技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。雖然我國對注漿技術(shù)的研究較晚，但發(fā)展迅速，50年代我國發(fā)明的矽化法，在建筑物地基加固、黃土沉陷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，煤礦行業(yè)也逐漸在井巷加固方面進(jìn)行了注漿加固技術(shù)研究，取得了許多有價(jià)值的科研成果。60年代以來，針對極破碎巷道圍巖難題，我國相繼又發(fā)明了化學(xué)注漿材料，并且使錨桿支護(hù)與注漿加固相結(jié)合，對軟巖、破碎巷道進(jìn)行了有效治理，取得了良好的效果。

為了有效控制巷道破碎煤巖體的失穩(wěn)破壞，本研究將引入一種新型注漿加固支護(hù)方法—鉆錨注一體化加固技術(shù)，這種方法可以歸入到錨注體系中，是錨注的一種特殊形式。

1 注漿加固機(jī)理

通常認(rèn)為巖石破裂以剪破壞為主，所以,采用莫爾強(qiáng)度理論對鉆錨注加固機(jī)理進(jìn)行分析，為了簡化分析，假設(shè)強(qiáng)度曲線為直線型包絡(luò)線。

式中:

τ—巖體抗剪強(qiáng)度，MPa；

σ—正應(yīng)力，MPa；

C—巖體的內(nèi)聚力，MPa；

φ—內(nèi)摩擦角，（°）。

從公式（1）可以看出，決定剪應(yīng)力大小的因素主要有C、φ兩個(gè)值。巷道開挖以后，巷道周圍原巖應(yīng)力重新分布。巷道徑向應(yīng)力減少，切向應(yīng)力增大，巷道周圍出現(xiàn)切應(yīng)力集中。當(dāng)切應(yīng)力集中大于圍巖強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖發(fā)生破壞，內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，其C、φ值減小。這時(shí)，就會在巷道圍巖一定區(qū)域內(nèi)形成破碎帶，通常稱之為圍巖松動圈。圍巖松動圈裂隙較發(fā)育，強(qiáng)度較低。鉆錨注加固主要是加固圍巖松動圈，通過對松動圈進(jìn)行錨固、注漿加固，可有效提高圍巖松動圈的圍巖強(qiáng)度，從莫爾強(qiáng)度理論來分析，就是通過提高松動圈圍巖的C和φ值，使包絡(luò)線遠(yuǎn)離莫爾圓，起到加固圍巖，防治圍巖破壞的目的。

莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則表示的注漿前后巖體強(qiáng)度變化圖見圖1。

蘇聯(lián)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，圍巖內(nèi)聚力C（r）距巷道圍巖表面越深，其值越大，其計(jì)算公式如下［1］：

圖1 注漿前后巖體強(qiáng)度變化圖

式中：C∞—未被破壞巖體的內(nèi)聚力，MPa；

Cr、n—巖體裂隙性系數(shù)，Cr＞0，n取1，2，…6；

R—離巷道周邊某點(diǎn)處的距離，m；

R0—巷道半徑，m。

通過錨注加固，松動圈范圍內(nèi)的裂隙發(fā)育巖體被固結(jié)，其裂隙參數(shù)發(fā)生明顯變化。錨注之前n＝2，錨注之后n＝6。假設(shè)r=RR0＝2，那么錨注前后(1r)n分別為0.25及0.015 625。由此可以看出，圍巖松動圈經(jīng)過錨注加固以后，其強(qiáng)度明顯增大。學(xué)者通常認(rèn)為，錨注加固后，內(nèi)聚力可提高40%～70%。

總之，注漿加固支護(hù)技術(shù)有效改善了破碎巖體力學(xué)特性，影響巖體應(yīng)力重新分布，使應(yīng)力向有利于工程支護(hù)方向發(fā)展［2］。根據(jù)破碎巖體的受力破壞過程特點(diǎn)，通過工程實(shí)踐認(rèn)識注漿加固支護(hù)技術(shù)的機(jī)理，然后制定合理的注漿加固支護(hù)技術(shù)方案來確保巷道支護(hù)符合工程的需要。

2 破碎煤巖體注漿加固技術(shù)

巖土工程中使用的加固材料分為顆粒型的水泥類材料和純液態(tài)的化學(xué)材料，加固材料特點(diǎn)見表1。

表1 加固材料的特點(diǎn)及適用范圍表

化學(xué)加固材料的品種較多，包括環(huán)氧類、聚氨酯類、丙烯酰胺類、脲醛類、木質(zhì)素類及水玻璃類等，目前化學(xué)加固材料有脲醛加固材料和聚氨酯加固材料兩種，材料性能見表2。

表2 化學(xué)加固材料的基本性能表

從表1可以看出，水泥漿液價(jià)格低廉，但其加固效果差，凝結(jié)時(shí)間長，不易控制，固化收縮，易龜裂。化學(xué)漿液凝固時(shí)間短，強(qiáng)度高，可有效控制圍巖變形，但其價(jià)格較高，為了綜合兩種注漿材料的優(yōu)點(diǎn)，水泥漿液和化學(xué)漿液材料可以結(jié)合起來使用。

3 典型工程應(yīng)用

某煤礦主要回采3#煤層，3#煤層厚度達(dá)6～7 m，煤質(zhì)松軟，易破碎。由于煤層較厚，7508工作面采用分層開采技術(shù)，目前首采上分層，順槽沿頂板掘進(jìn)，幫和底板均為煤層。7508工作面運(yùn)輸巷留設(shè)煤柱5 m，風(fēng)巷留設(shè)煤柱8 m，見圖2。

圖2 7508風(fēng)巷底鼓試驗(yàn)段布置示意圖

由于順槽底板為煤層，松軟破壞，在順槽掘進(jìn)和工作面回采期間，順槽底板底鼓嚴(yán)重，平均底鼓量達(dá)900 mm左右，為了不影響生產(chǎn)，需要邊掘進(jìn)邊起底修復(fù)。但是，回采時(shí)又出現(xiàn)底鼓問題，底鼓量為800～1 200 mm。順槽的多次底鼓嚴(yán)重影響了工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，并且多次的起底費(fèi)工費(fèi)時(shí)。為了能使順槽做到一次成巷、不進(jìn)行多次翻修，采用化學(xué)漿液注漿加固技術(shù)。聚氨酯材料凝固時(shí)間短，強(qiáng)度高，但是其成本較高[3]，所以采用聚氨酯和水泥相結(jié)合的注漿材料，并對加固后的巷道變形情況進(jìn)行監(jiān)測，以反饋設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查與地質(zhì)力學(xué)評估

7508工作面開采3#煤層，為一孤島工作面。工作面順槽所在的3#煤層所含夾矸較多，煤體松軟破碎，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，夾鏡煤絲炭條帶。巷道埋深約為370 m。

煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度為9.93 MPa；偽頂主要為泥巖，厚度平均為0.32 m，極易冒落，平均強(qiáng)度為13.5 MPa；3#煤層直接頂主要為砂質(zhì)泥巖，厚度2.31～2.53 m，強(qiáng)度較高，平均為45.5 MPa；老頂主要是細(xì)粒砂巖，堅(jiān)硬穩(wěn)定，平均厚度7.67 m，抗壓強(qiáng)度為65.5~94.6 MPa。煤層直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度為0.74~ 1.0 m，含大量植物化石；老底主要是細(xì)粒砂巖，強(qiáng)度中等，為32.5～43.2 MPa，厚度8.9～11.5 m。

為了解治理區(qū)域地應(yīng)力情況，對順槽區(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力測試，通過地應(yīng)力測試發(fā)現(xiàn)，巷道水平應(yīng)力較大，最大為15.16 MPa，最小水平應(yīng)力為8.30 MPa，垂直應(yīng)力介于兩者之間，為9.25 MPa。

3.2 注漿加固支護(hù)方案

根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，確定治理巷道底鼓的支護(hù)設(shè)計(jì)如下：

錨桿材料：采用自鉆錨桿，直徑25 mm，長度2.5 m，破斷載荷16 t，伸長率延伸率平均12%，采用高強(qiáng)M25螺母。

注漿材料：為了能降低巷道支護(hù)成本，采用聚氨酯和水泥相結(jié)合的注漿材料，聚氨酯外加水量1%；水泥注漿材料主要使用普通硅酸鹽水泥，水灰比按照1∶2.5進(jìn)行配置，配置過程中加入1.5%的添加劑，聚氨酯注漿孔和水泥注漿孔按照排交替注漿布置。

托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×3 mm。

錨桿角度：靠近巷幫的底板錨桿安設(shè)角度為與垂線成20°。

錨桿布置：錨桿排距1 m，每排4根錨桿，間距1 m。

錨索材料：為了能保證巷道底板穩(wěn)定，在底板中間部位布置5 m長的自鉆錨索，其結(jié)構(gòu)與自鉆錨桿相同，主要為注漿使用。

一次性鉆頭：錨桿用鉆頭為全鋼，直徑為46 mm；錨索用鉆頭為合金鋼的，直徑為46 mm。

巷道支護(hù)示意圖見圖3。

圖3 7508工作面風(fēng)巷支護(hù)示意圖

3.3 鉆錨注支護(hù)監(jiān)測

為了能很好地反饋?zhàn){加固設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，對加固巷道進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果不但可以修正支護(hù)參數(shù)，還可以分析圍巖加固機(jī)理，為將來其它區(qū)域的注漿加固提供借鑒。

由于注漿加固工程屬于隱蔽工程，需要采用鉆孔取芯技術(shù)才能更好的判斷實(shí)際注漿的加固效果，所以本文采用鉆孔取芯和鉆孔圍巖強(qiáng)度測試相結(jié)合的綜合檢測技術(shù)來檢測注漿加固效果。

3.3.1 底板圍巖強(qiáng)度測試

采用研制的新型WYQD-Ⅰ型圍巖強(qiáng)度測試儀進(jìn)行圍巖強(qiáng)度原位測試，該儀器主要由觸探探頭、手搖液壓泵、高壓管、支持桿及記錄儀組成，通過在底板鉆進(jìn)3 m左右的鉆孔，利用觸探探頭分別測出不同深度的圍巖強(qiáng)度，觸探探頭直徑為56 mm。

在非治理段設(shè)置了3個(gè)測站，測量結(jié)果取各測站相同深度的平均值，經(jīng)測試底板煤巖層1.5～3.0 m強(qiáng)度平均值為9 MPa，0～1.5 m強(qiáng)度平均值為3.1 MPa，并且不同深度強(qiáng)度值變化較大，接近50%的測點(diǎn)未測試到強(qiáng)度數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)榈装辶严栋l(fā)育，巖層較軟。

按照同樣的測試方法，在治理段進(jìn)行了同樣的底板巖層強(qiáng)度測試，經(jīng)測試底板煤巖層1.5～3.0 m強(qiáng)度平均值為12 MPa，0～1.5 m強(qiáng)度平均值為7.5 MPa，且90%的測點(diǎn)均可測試出強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由此可以得出，通過錨注加固技術(shù)可以有效提高底板圍巖強(qiáng)度，使化學(xué)漿液充填底板裂隙，并把破碎圍巖固結(jié)成一體，最終形成整體性較強(qiáng)的底板[4]。

為了進(jìn)一步判斷底板注漿加固效果，采用取芯鉆頭，從底板0～3 m取出巖芯，非鉆錨注支護(hù)段，巖芯裂隙非常發(fā)育，難以取出完整巖芯，巖芯極易從裂隙處斷裂，取芯率僅為28%；而在鉆錨注支護(hù)段采用同樣的機(jī)具進(jìn)行取芯，從取芯可以看出，巖芯裂隙處被化學(xué)漿液充填，巖芯強(qiáng)度較高，取芯比較完整，取芯率可達(dá)77%。

3.3.2 表面位移監(jiān)測

通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，巷道底鼓治理段的底鼓變形量明顯減少，與非治理段相比，其變形量僅相當(dāng)于非治理段的1/3。鉆錨注段頂板下沉量比非鉆錨注段頂板下沉量增加73 mm。鉆錨注段兩幫移近量比非鉆錨注段兩幫移近量多10～107 mm。但是，順槽的幫部和頂板變形量卻有明顯的增加，這主要是因?yàn)?

1）巷道試驗(yàn)段位于回撤通道交叉點(diǎn)，應(yīng)力集中，導(dǎo)致變形量大。

2）由于底板得到有效控制，使應(yīng)力向幫部和頂部轉(zhuǎn)移，增大了幫部和頂部的變形量。

3）經(jīng)鉆錨注底板應(yīng)力無法釋放，向周圍圍巖轉(zhuǎn)移。從上述加固實(shí)踐情況可以看出，在治理底板圍巖的同時(shí)，必須加固兩幫的圍巖，否則容易導(dǎo)致兩幫變形量過大。

4 結(jié)論

1）鉆錨注一體化加固技術(shù)可以優(yōu)化破碎煤巖體的裂化力學(xué)特征，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，將破碎煤巖體黏結(jié)在一起，從而達(dá)到加固圍巖的目的。同時(shí)，影響巖體應(yīng)力重新分布。

與此同時(shí)，自鉆錨桿還能有效的把錨固區(qū)域內(nèi)的巖體連接起來，使巷道圍巖保持整體穩(wěn)定。

2）現(xiàn)場工程試驗(yàn)表明，鉆錨注一體化支護(hù)技術(shù)可以有效加固破碎煤巖體，注漿漿液可以黏結(jié)、充填煤巖體裂隙，保持巷道圍巖的整體穩(wěn)定，從而形成強(qiáng)度比較高的底板，而且漿液和錨桿共同作用可有效控制巷道松動圈的擴(kuò)展?？傊?，鉆錨注支護(hù)對破碎底板底鼓控制十分有效。

［1］楊景賀.綜放面頂煤加固技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999（4）：4-6.

［2］楊新安，陸士良.軟巖巷道錨注支護(hù)理論與技術(shù)的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1997（1）:32-36.

［3］林登閣，韓立軍.巷道底鼓機(jī)理及防治研究［J］.建井技術(shù)，1997（6）:22-26.

［4］韓立軍，林登閣.不穩(wěn)定巷道中錨注聯(lián)合支護(hù)［J］.礦山壓力與頂板管理，1999（1）:15-17.

Grouting Reinforcement Technique and Application of Fractured Coal and Rock

Zhang Bao-fang

Grouting reinforcement technique is an important surrounding rock reinforcement measure to underground geotechnical engineering，it has good effects on engineering construction such as broken coal and rock，soft rock，subsidence control，grouting and plugging water and so on.Analyzes grouting reinforcement mechanism，difference and application range of cement paste and chemical pulp，grouting process and parameters.Combines with the inland coal mine grouting reinforcement project，discusses grouting reinforcement effect of coal mine broken coal and rock，obtains that grouting reinforcement can drastically increase the integrity of broken coal and rock，enlarge the bearing capacity，close to coal wall of surrounding rock maximum principal stress，it can effectively control roadway floor heave.By analyzing engineering example，expects that it can provide references for the future grouting construction of similar project.

Coal and rock；Grouting reinforcement；Chemical grout；Effect evaluation

TD353

B

1672-0652（2014）12-0032-04

2014-11-12

張保芳（1966—），男，山西襄汾人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦開掘生產(chǎn)技術(shù)方面的管理工作（E-mail）543913570@qq.com