煤礦井下破碎圍巖注漿加固技術(shù)研究

何希興

甘肅萬勝礦業(yè)有限公司 甘肅慶陽 745700

1 圍巖注漿加固理論及材料的選擇

1.1 圍巖注漿加固機(jī)理

注漿改性技術(shù)是提高碎裂巖體完整性和穩(wěn)定性的有效途徑。在破碎煤巖體中注入漿液，漿液沿著縫隙流動(dòng)，凝結(jié)后在散體中形成網(wǎng)絡(luò)骨架，通過注漿可改變散體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)，通過其黏結(jié)作用，將破碎圍巖作用成為一個(gè)整體的受力結(jié)構(gòu)，與其他支護(hù)構(gòu)件形成共同的承載體，進(jìn)而提高破碎圍巖的強(qiáng)度和承載能力。其作用機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）增強(qiáng)圍巖承載能力。漿液在注漿壓力的作用下，在破碎圍巖內(nèi)流動(dòng)并形成脈狀骨架，與破碎圍巖的相互作用，充填破碎圍巖的裂隙空間，將破碎圍巖形成統(tǒng)一的整體，提高黏聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提升其承載能力[1]。

（2）轉(zhuǎn)變圍巖的受力變形破壞機(jī)理。圍巖破碎時(shí)，巖體處于二向受力狀態(tài)，當(dāng)采用漿體加固之后，充實(shí)的破碎圍巖受力狀態(tài)也將轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。三向受力的巖體強(qiáng)度得到一定的提高，更有利于圍巖的穩(wěn)定。

（3）注漿改善錨桿受力狀態(tài)。對(duì)于破碎圍巖，漿體使其承載能力得到增強(qiáng)，同時(shí)與錨桿作用為統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，兩者共同作用，提高圍巖的穩(wěn)定性[2]。

為了達(dá)到最佳的加固效果，首先要選擇合適的注漿材料，其次要根據(jù)實(shí)際的注漿范圍和漿體性質(zhì)設(shè)計(jì)合理的注漿壓力和注漿時(shí)間。對(duì)于注漿加固目前比較成熟的理論為滲透注漿法理論。不同性質(zhì)的漿體通過破碎圍巖的裂隙進(jìn)入圍巖深處，與破碎圍巖相互作用，將其黏結(jié)為統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)，達(dá)到加固圍巖的目的。根據(jù)漿液的擴(kuò)散形式，滲透注漿法理論分為球形和柱形2 種擴(kuò)散理論，

1.2 注漿材料的選擇

注漿材料的力學(xué)性能必須滿足回撤通道支護(hù)和維護(hù)頂板及煤壁穩(wěn)定性的要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、施工工藝等因素，注漿材料也必須滿足以下條件：①?gòu)?qiáng)度配比易于調(diào)節(jié)，有較好的流動(dòng)性；②凝結(jié)時(shí)間適中，且凝結(jié)后易于采煤機(jī)的截割；③材料易于購(gòu)買，便于井下施工。

2 注漿加固技術(shù)要點(diǎn)探討

2.1 鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

①圍巖淺層和深層劃分。采用圍巖松動(dòng)圈測(cè)試和鉆孔窺視相結(jié)合方式，確定圍巖破壞范圍和裂隙發(fā)育情況，將圍巖劃分為淺層和深層，淺層一般0-4m，深層一般4-12m；②確定漿液擴(kuò)散半徑。先進(jìn)行漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)，以淺層鉆孔為例，先布置至少3 個(gè)淺孔，間隔5m-10m，進(jìn)行注漿，分別記錄不同注漿壓力下漏漿距離，最后進(jìn)行匯總分析，得出注漿壓力與擴(kuò)散半徑關(guān)系；③鉆孔設(shè)計(jì)。根據(jù)劃分的淺層和深層，確定淺層和深層的鉆孔深度，根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑，分別確定淺層和深層鉆孔的間排距[3]。

2.2 注漿材料

①淺層注漿材料。淺層裂隙發(fā)育程度高，漏漿嚴(yán)重，注漿材料應(yīng)滿足快速凝固，快速封堵漏漿。②深層注漿材料。深層裂隙不發(fā)育，貫通性差，注漿材料應(yīng)滿足超細(xì)、流動(dòng)性好、高強(qiáng)度，能夠使?jié){液在裂隙中充分?jǐn)U散，填充微小裂隙[4]。

2.3 注漿壓力設(shè)計(jì)

①根據(jù)鉆孔間排距。漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力密切相關(guān)，在鉆孔間排距確定的情況下，必須根據(jù)注漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑之間關(guān)系，滿足漿液的充分?jǐn)U散，相鄰鉆孔擴(kuò)散半徑相互交叉，所有鉆孔聯(lián)合擴(kuò)散范圍必須覆蓋整個(gè)巷幫，注漿壓力設(shè)計(jì)應(yīng)略大于滿足整個(gè)巷幫擴(kuò)散所需的注漿壓力；②根據(jù)巷幫鼓出情況。注漿初始階段，漿液充填已有裂隙，巷幫基本不發(fā)生變化，當(dāng)注漿壓力逐漸升高，漿液會(huì)擠壓煤體或者張開裂隙，使巷幫發(fā)生輕微鼓出，軟煤注漿巷幫鼓出尤為普遍，巷幫輕微鼓出屬正?，F(xiàn)象，但不應(yīng)超過100mm，超過時(shí)應(yīng)減小注漿壓力或停止注漿；③建議值。一般淺層注漿孔口終壓1-6MPa，深層注漿孔口終壓4-10MPa。

2.4 最佳注漿時(shí)機(jī)

①靜壓巷道。對(duì)于不受動(dòng)壓影響的巷道，如礦井主要大巷，裂隙發(fā)育程度變化緩慢，對(duì)已形成裂隙，可以經(jīng)過分析，直接進(jìn)行淺層和深層注漿，不存在最佳注漿時(shí)機(jī)問題；②動(dòng)壓影響巷道。如工作面復(fù)用順槽、離采面較近的盤區(qū)集中巷，其裂隙發(fā)育隨工作面回采動(dòng)壓影響而變化，裂隙發(fā)育經(jīng)歷未受采動(dòng)影響階段、初始張開階段、劇烈發(fā)展階段、穩(wěn)定階段[5]。大量的理論研究和工程實(shí)踐表明，在未受采動(dòng)影響階段，裂隙發(fā)育程度低，可注性差，注漿壓力高而注漿量極小，注漿后受動(dòng)壓影響，裂隙重新張開，注漿效果較差；而在劇烈發(fā)展階段，注漿過程中新的裂隙不斷產(chǎn)生，注漿量較大，雖能抵抗一定的巷道變形破壞，但巷幫內(nèi)仍然存在較多裂隙，影響巷道后期穩(wěn)定；在穩(wěn)定階段，大量裂隙已經(jīng)生成，注漿量極大，但是由于巷幫變形量大，原始錨桿索支護(hù)大量破壞，巷幫已經(jīng)喪失大部分承載能力，新補(bǔ)錨桿索錨固力下降，即使注漿也難以保證后期巷幫穩(wěn)定，并且需要消耗大量的注漿材料。因此認(rèn)為，裂隙初始張開階段為最佳注漿時(shí)機(jī)，此時(shí)巷道有一定變形，壓力適當(dāng)釋放，裂隙貫通性增強(qiáng)，可以顯著提高注漿量，同時(shí)，巷幫圍巖結(jié)構(gòu)仍較為完整，注漿后及時(shí)進(jìn)行錨桿索補(bǔ)強(qiáng)，控制巷幫位移，能夠起到良好的注漿效果，并能大幅節(jié)約注漿材料使用。

3 結(jié)語

圍巖破碎巷道修復(fù)前進(jìn)行注漿加固，對(duì)施工的安全具有積極意義，提高了修復(fù)施工的安全可靠程度。目前破碎圍巖注漿加固已經(jīng)發(fā)展成為一種安全高效的圍巖加固方法。為了達(dá)到最佳的注漿效果，需要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的圍巖條件、注漿材料、注漿壓力等。注漿加固綜合治理后，巷道圍巖形成了一個(gè)良好的整體塑性承載結(jié)構(gòu)，承載能力得到了較大的提升。