破碎圍巖巷道注漿加固設(shè)計及其效果分析

徐學標

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

伊田煤業(yè)有限公司11#煤帶式輸送機大巷因受斷層及陷落柱影響，圍巖松軟破碎，破碎圍巖自穩(wěn)性差導致圍巖整體承載能力較弱，巷道變形量大，常規(guī)支護已不能保證圍巖穩(wěn)定。基于此，選擇高強度支護的前提下，采取注漿加固使破碎圍巖膠結(jié)形成整體，從而提升圍巖自穩(wěn)性能和整體承載能力，控制巷道變形，保證巷道服務年限。

1 工程概況

11#煤帶式輸送機大巷用于21 采區(qū)煤（矸）外運及采區(qū)進風，布置層位為11#煤層。11#煤層平均厚度5.2 m，煤層硬度系數(shù)0.3，頂板為松軟破泥巖，硬度系數(shù)2.7。11#煤帶式輸送機大巷屬于典型松軟破碎圍巖巷道，該巷地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，存在多處小型斷層及陷落柱，原支護方式為錨網(wǎng)索支護+29U 型鋼套棚加固，設(shè)計斷面寬×高=4200 mm×3600 mm，設(shè)計服務年限為12 a。但4 年內(nèi)就發(fā)生較大變形，巷道受壓變形后最大變形處巷寬僅2.7 m，巷高僅2.6 m，嚴重影響該巷安全運輸及通風。11#煤帶式輸送機大巷大變形巷段位置如圖1。

圖1 11#煤帶式輸送機大巷大變形段平面位置圖

2 注漿加固的原理及作用分析

采用滲透性強且能固化的復合注漿材料加水配比成的漿液，通過特殊方法注入破碎圍巖裂隙，漿液在裂隙間固結(jié)，使破碎圍巖膠結(jié)形成整體，封閉圍巖裂隙，從而阻止圍巖因風化而強度降低[1]，提高圍巖力學性能及整體承載能力。

（1）漿脈網(wǎng)絡(luò)固結(jié)支撐作用

注漿期間，漿液在注液壓力作用下向破碎的圍巖裂隙間滲透，當漿液充滿裂隙并固化后，在原本圍巖裂隙間形成漿脈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于固化后漿體具有較高強度，具備一定支撐能力，形成網(wǎng)絡(luò)支撐骨架將破碎圍巖固結(jié)成整體[2]，從而提高圍巖整體強度。

（2）強化壓力拱效應

壓力拱效應是圍巖自穩(wěn)能力的體現(xiàn)，圍巖破碎條件下，巖層內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力均較小，且原巖開掘后易導致圍巖進一步變形，導致壓力拱效應較弱。通過對破碎圍巖注漿固結(jié)，可提高巖層內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力，使壓力拱效應得以強化，從而改善壓力拱的受力情況，提高壓力拱的承載能力，維持巷道圍巖穩(wěn)定性[3]。此作用分析也可通過庫倫理論表達式論證：

式中：τ 為巖體抗剪強度，MPa；c 為圍巖內(nèi)聚力，MPa；σ 為承載應力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)庫倫理論表達式，巖體抗剪強度與圍巖內(nèi)聚力、承載應力及內(nèi)摩擦角有關(guān)，圍巖承載應力與上覆巖層有關(guān)。該影響因素不可改變，但通過注漿實現(xiàn)圍巖固結(jié)，提高圍巖內(nèi)聚力和巖層內(nèi)摩擦角，使巖體抗剪強度提高，圍巖自穩(wěn)能力和整體承載能力增強，即壓力拱效應得以強化。

（3）提高錨桿主動支護性能

錨桿支護的錨固方式通常采用端頭錨固，在破碎圍巖中采用端頭錨固的錨桿，錨固端可能受破碎圍巖擠壓導致錨固失效，進而導致錨桿支護失效，發(fā)生頂板整體垮落冒頂事故。通過注漿對破碎圍巖加固后，在提高圍巖自穩(wěn)性能和整體承載能力的同時，進入錨桿與錨桿孔壁間隙內(nèi)的漿體固化后使錨桿由端頭錨固變?yōu)槿L錨固，改善錨桿的受力狀態(tài)，增強錨桿的承載能力[4-6]。端頭錨固與注漿后端頭錨固錨桿的錨固力對比如圖2。

3 注漿加固方案與實施

3.1 注漿設(shè)計

（1）注漿材料及配比

注漿材料采用滲透性較強、固化效果較好的復合材料，復合材料包括水泥、JCT-2 復合劑、JCT-3固化劑，水灰比為水:水泥:JCT-2 復合劑:JCT-3 固化劑=0.5:0.85:0.15:1.5。

（2）注漿壓力控制

根據(jù)復合材料性能及巷道注漿需求，選擇注漿壓力控制在1.5～3 MPa 之間。

（3）注漿孔布置

根據(jù)11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎、離層深度及單孔注漿滲透半徑，設(shè)計注漿孔深度為3 m，間距為1.6 m，排距為3 m，斷面內(nèi)共布置5 個注漿孔，其中，拱頂布置1 個，2 個拱肩各布置1 個，兩幫各布置1 個，注漿孔角度與巷道輪廓線切線方向垂直。斷面內(nèi)注漿孔布置設(shè)計如圖3。

圖2 端頭錨固與注漿后端頭錨固錨桿錨固力對比示意圖

圖3 斷面內(nèi)注漿孔布置設(shè)計圖

（4）注漿量計算

為確保注漿效果，便于注漿期間的工程量考核與管理，對每米巷道所需注漿量計算如下：

式中：Q 為每米注漿量，kg；ρ 為漿體密度，1560 kg/m3；λ 為漿液損失系數(shù)，取1.5；β 為漿液充填系數(shù)，取0.6；η 為巷道圍巖裂隙率，取3%，L為注漿深度，取3 m；h 為斷面墻高，取1.95 m；b為斷面拱長，取值6.2 m。

代入式（2）得出每米巷道注漿量為1 276.2 kg，根據(jù)斷面內(nèi)注漿孔為5 個、排距3 m，計算得出單孔注漿量為765.7 kg。

3.2 注漿方案

（1）注漿施工工藝

施工注漿孔→埋注漿管→安裝截止閥→注漿→封閉注漿孔。

（2）注漿步驟

為防止注漿期間造成臨近注漿孔堵塞以及保證漿液均勻分布，確保注漿效果，斷面內(nèi)注漿孔注漿步驟按照先注兩幫孔、再注拱頂孔、后注拱肩孔順序進行。沿巷道走向方向按照跳躍式循環(huán)注漿方式進行，即第一循環(huán)注漿孔按照排距6 m 施工，第一循環(huán)注漿完成后再在每排中間施工一排注漿孔進行第二循環(huán)注漿，每個循環(huán)為一個小分段，分段長度為12 m，依次向前推進。注漿孔編號按照左幫孔編號為①，注漿順序為（1），右?guī)涂拙幪枮棰?，注漿順序為（2），頂孔編號為③，注漿順序為（3），左拱肩孔為④，注漿順序為（4），右拱肩孔為⑤，注漿順序為（5）。注漿步驟如圖4（a），循環(huán)注漿步驟如圖4（b）。

圖4 分段循環(huán)式注漿步驟示意圖

4 注漿效果分析

為觀察注漿后漿液在破碎圍巖中的固結(jié)效果，在已注漿巷段每隔12 m 在頂部、幫部各施工一個窺視鉆孔，窺視鉆孔深度為3 m，并采用鉆孔內(nèi)部窺視儀器進行孔內(nèi)窺視以觀察注漿效果。注漿效果鉆孔窺視如圖5。

圖5 注漿效果鉆孔窺視圖

從鉆孔窺視圖中可以看出，在頂部和幫部窺視鉆孔內(nèi)的0～0.15 m 范圍內(nèi)均可見注漿材料及噴漿層，可知注漿材料已滲透同噴漿材料固結(jié)，對巷道圍巖有較好的封閉作用，注漿后可以有效防止圍巖進一步風化。在頂部和幫部窺視鉆孔內(nèi)的0.15～2 m范圍內(nèi)均可見已經(jīng)固結(jié)的注漿材料充分滲透至圍巖裂隙內(nèi)，實現(xiàn)對破碎圍巖的膠結(jié)。在頂部和幫部窺視鉆孔內(nèi)的2～3 m 范圍內(nèi)均可見孔壁完整，未出現(xiàn)破碎圍巖，由此可知漿液已均勻滲透至深部圍巖，注漿效果達到預期目的。

此外，為觀察注漿后圍巖變形速率，對各注漿段建立礦壓觀測站，并對各觀測站進行為期90 d 的觀測及數(shù)據(jù)收集，90 d 內(nèi)注漿段巷道頂板下沉量為9 mm，兩幫位移量為12 mm，巷道圍巖變形速率得到控制。由此可知，11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎段通過注漿提高了圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

（1）通過分析11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎巷道變形機理及注漿加固原理，設(shè)計針對性注漿加固方案，對注漿步驟、注漿順序、單孔注漿量、注漿壓力等具體參數(shù)進行控制，保證了注漿效果。

（2）通過注漿，巷道頂板3 m 范圍內(nèi)的破碎圍巖實現(xiàn)有效固結(jié)，注漿段巷道90 d 內(nèi)頂板下沉量為9 mm，兩幫位移量為12 mm，有效控制了巷道圍巖變形速率，保障了巷道服務年限。