巷道破碎煤巖體注漿加固的可行性分析

付琛　曹明

摘要：目前相關巷道破碎煤巖體注漿加固已被廣泛使用，但其理論研究較少，巷道破碎煤巖體注漿機理方面的研究總體來說主要停留在對宏觀顯現(xiàn)定性的總結，缺乏深入的研究。文章討論了巷道破碎煤巖體注漿加固的作用，并對巷道破碎巖塊注漿加固后的固結性能與力學狀態(tài)進行了初步分析。

關鍵詞：巷道；破碎煤巖體；注漿加固；固結性能；力學狀態(tài) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD265 文章編號：1009-2374（2015）03-0158-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0268

高分子材料注漿加固煤巖體技術是近些年來逐步發(fā)展起來的一門技術，就是利用專門注漿設備將新型高分子材料漿液壓入煤巖體，其封閉、充填和固結周圍巖體及周圍煤層裂隙面提高圍巖的整體性，隔絕透風、滲水、預防瓦斯災害及加固周圍巖體。

1 巷道破碎煤巖體的注漿加固作用

1.1 網(wǎng)狀骨架支撐結構提高體的整體強度

在破裂的煤炭巖體程中，漿體的作用下擠壓或滲入到碎煤巖體的裂隙中，漿體凝固后固態(tài)的形式充填在裂隙中并與原有巖體固結，這些充填的材料在原有巖體內(nèi)形成新的網(wǎng)狀的骨架式構。

注漿后原有巖體增加了由加固材料形成的漿脈，根據(jù)現(xiàn)場觀察測量得到的漿脈厚度大約為0.5～50mm。這些漿脈在巖體中呈薄厚不均的片狀或帶狀，但彼此相聯(lián)系，形成網(wǎng)狀骨架結構。網(wǎng)狀骨架內(nèi)側(cè)則是均勻密實的巖體，形成網(wǎng)狀骨架式的充填材料具有較好的彈性和粘結強度。

1.2 增強加固作用

當集中的切向應力高于原有巖體的強度承受極限時，巷道表面的圍巖先遭受破壞，產(chǎn)生裂隙，巖體原有的內(nèi)應力及內(nèi)摩擦角下降，巷道周圍的巖體一定范圍內(nèi)形成圍巖破碎帶，在這個破碎帶內(nèi)的巖體仍然具有一定的殘余強度，使抵抗巷道圍巖深部變形的承受能力減小。注漿加固的作用就是通過注漿使該區(qū)域內(nèi)的破碎巖體的強度及整體性得到加強，當漿液在巖體內(nèi)充填，固結強度得到加強，使巷道周圍形成完整的不間斷的承壓體，圍巖應力分布趨向均勻，減輕了應力集中現(xiàn)象，增強了支架的承載能力，從而加強了周圍巖體的穩(wěn)定

程度。

注漿有利于改變原巖體弱面的力學性能，從而增強裂隙的粘聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊體間相對位移的阻力，提高圍巖整體的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場直接觀察測驗和實驗室進行的模擬實驗結論，對分析注漿前后的巖體力學性能。從結構面力學性能和抗剪強度實驗能夠發(fā)現(xiàn)，注漿后巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角都有著不同程度的提高，硬度和抗剪強度都得到改善，其中硬度的變化更為顯著。

1.3 充填注漿對壓實作用的影響

注漿漿液在注漿泵注漿壓力作用下，不但能夠?qū)⑾嗷ミB通的巖體裂隙充填，還能夠同時在壓力作用下將充填不到的封閉裂隙和空隙壓縮，從而對整個巖體起到壓實作用。壓實作用的結果是使巖體的彈性模量提高，強度也會隨之相應提高。

1.4 有利于破壞機理作用的轉(zhuǎn)變

當巖體中存在較大的裂隙時，裂隙附近的巖石單元處于雙向應力狀態(tài)。如果裂隙內(nèi)充滿加固材料，則應力發(fā)生變化，這些單元將轉(zhuǎn)變成三向受力的狀態(tài)。巖石在三向受力狀態(tài)下的強度極限將比在兩向應力或單向應力時的狀態(tài)會有顯著的增強并且脆性減小，塑性加強，注漿加固從而起到了轉(zhuǎn)換破壞機理和增加巖體強度的

作用。

1.5 共同承載作用得以加強

在破碎松散巖體中進行注漿加固，可以讓巷道破碎煤巖體重新膠結成整體，形成承載結構，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，并與巷道原有支護體系共同支撐，從而減輕原有支護體系承受的載荷。

1.6 安全作用

巷道破碎煤巖體注漿后，凝固后的漿液固結體將封閉圍巖的裂隙，阻止地下水和有害氣體侵入、滲漏，防止巷道圍巖裂隙引起的透風、滲水現(xiàn)象，從而減少甚至杜絕瓦斯和水害事故的發(fā)生，對減少瓦斯?jié)B入和預防水患具有重要的作用。

2 對于巷道破碎巖塊注漿加固后的固結性能分析

在地質(zhì)過程中形成和改造過的天然巖體，特別是與人類工程活動密切相關的地殼表層巖體，是由軟弱面切割成的巖石塊體所組成的復雜介質(zhì)。軟弱面是具有強度低和易變形特性的各種地質(zhì)界面，如裂隙、層面、斷裂的統(tǒng)稱。由一些軟弱巖面將巖體切割成為巖石塊體，這種巖石塊體被稱為結構體。

結構面對原位巖體的強度、變形性、滲透性、各項異性、力學上的不間斷性以及巖體中應力分布等均有顯著影響。一般來說，結構面是影響巖體力學問題的控制性因素。不同類型的結構面具有不同的工程地質(zhì)特征，這些不同特征直接取決于結構面的自然特性以及造成它們自然特性差異的地質(zhì)成因和力學成因。不同類型的巖體結構單元在巖體組合和排列形式構成了不同的巖體結構。各類巖體結構的典型圖如圖1所示：

a.整體結構圖；b.塊狀結構圖；c.層狀結構圖；d.薄層狀結構圖示；e.鑲嵌破碎結構圖示；f.層狀破碎結構圖示；g.破碎結構圖示；h.散體結構圖示

圖1 各類巖體結構圖

破裂巖石注漿固結體是由不規(guī)則巖塊、各種孔隙構成的弱面、滲入到深部分弱面中的漿液凝膠體等共同組成的多項復合材料，在宏觀層次上可將其視為均勻不間斷材料，分析研究其整體力學性能，便于在工程層次上研究巷道圍巖注漿加固機理和整體效果；在細觀層次上可將其視為不均勻間斷材料，分析漿液滲入裂隙面后的固結性能，適合選擇巖塊進行力學性能及固結性能分析；在微觀層次上時和研究注漿材料凝膠體及其和巖石的粘結性。由于化學和力學的原因，高分子類漿液與巖石裂隙面之間產(chǎn)生一定的粘結力，它通常取決于組成界面的實際接觸面積及界面自由能的強弱程度和其他因素影響，包括注漿材料品種、裂隙面粗糙起伏度及表面結構、巖塊強度等。對水泥類注漿材料，界面的粘結強度小于巖塊本身的強度，也小于凝膠體的強度，表現(xiàn)為結構中最薄弱的環(huán)節(jié)，是固結體最容易破壞的地方。

而對化學注漿材料，由于化學漿液凝膠體的抗壓強度達到80MPa，高于巖石試塊本身的強度，并且化學凝膠體與巖石裂隙表面的粘結強度也較高，甚至高于試塊巖石本身的抗剪強度，因而對化學注漿而言，注漿固結體容易破壞的環(huán)節(jié)應在漿液沒滲透進的巖石裂隙或

弱面。

破裂巖塊注漿加固后力學性能有一定的改善，強度恢復系數(shù)>1，即經(jīng)過注漿固結后，巖塊的強度較之于原試塊承載能力有所提高，抗壓強度也隨之提高，并且固結體大都沿新產(chǎn)生的裂隙面破壞，破裂機理有一定改變，反映了德克因材料與巖體的破裂面的粘結力較高，改變了巖塊的破壞方式。破裂巖石注漿固結體的穩(wěn)定性主要在于固結強度，因此破裂巖體的注漿固結效果尚需在整體固結性能上加以分析。

3 影響注漿效果的因素

破裂巖體和松散煤巖體注漿固結實驗都表明注漿固結效果的影響因素包括三個方面：巖石材料性能、注漿材料性能、注漿參數(shù)。

3.1 注漿材料對注漿效果的影響

對德克因材料而言，影響材料性能的主要是漿液的放置時間、漿液粘度、漿液凝膠體的抗強度等參數(shù)，一般來說，漿液放置時間越長，其粘度也就越大，粘度越大漿液的滲透性越低。漿液的粘度是漿液材料的重要注漿參數(shù)，它與漿液的放置時間、溫度等因素相關，而凝膠體抗壓強度則與漿液的膨脹倍數(shù)有關。漿液的粘度降低漿液的滲透性能增加，漿液能夠注入更細微的裂隙中，有利于對巖體的固結。

3.2 注漿壓力對注漿效果的影響

注漿壓力是在注漿過程中，克服漿液流動阻力并將之壓注進巖體裂隙中的動力。水泥類漿液是顆粒型漿液，其流動阻力大于溶液型的化學漿液，當巖體裂隙度較小時，漿液滲透性低，則需要較高的注漿壓力才能保證注漿效果。

不同水泥漿凝固時的收縮性不同，當注漿完成后，注漿壓力也隨之減小或消失，而德克因材料在凝膠過程中具有膨脹性，這不僅會促進漿液的滲透，還能使注漿壓力作為人為的側(cè)向力隨漿液的凝膠而使巖體內(nèi)部保存下來，注漿壓力相當于在注漿過程中為巖體人為地施加了一側(cè)向約束力，側(cè)向力的增大，巖體的穩(wěn)定性也增強。因此在注漿過程中，注漿壓力越大，注漿效果越好，從目前我國煤礦注漿經(jīng)驗來看，注漿壓力大都在5MPa以下，注漿壓力偏小。目前由于受注漿機具的限制，注漿壓力也不能無限制地增加。從實踐的角度來看，巷道破碎煤巖加固時，注漿壓力應不低于15MPa，對遇到松軟致密的巷道巖層時，注漿壓力應在20MPa

以上。

4 結語

綜上所述，注漿可以有效加固巖體改善巖體的力學性能。可是由于用于比較的巖體力學指標概念不明確或條件不同，常常不具有比較性，所以結果差距懸殊或工程意義不具體。本文根據(jù)巷道圍巖的實際賦存狀態(tài)的分析，明確指出注漿主要是加固和改善破裂后巖體的力學性能，為巷道圍巖加固注漿建立了理論基礎。得出了以下結論：（1）固結體的強度受巖性、漿液性能和注漿壓力等因素的制約，影響程度可以用強度恢復系數(shù)指標n從不同的側(cè)面描述破裂巖塊注漿固結效果。巖性從根本上決定固結體的力學性能，這里巖體的破裂程度和狀態(tài)又是至關重要的，當塊體裂隙較少時，注漿固結效果不明顯，注漿時其n值約為1.5；（2）由于水泥類材料與巖體的粘結力較低，注漿固結體依舊是含弱面的巖體，強度仍不同程度地低于完整巖石，仍然沿原存在的破裂面發(fā)生剪切破壞。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）