破碎圍巖巷道注漿加固設(shè)計(jì)及其效果分析

徐學(xué)標(biāo)

（山西潞安集團(tuán)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(jī)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(dǎo)致圍巖整體承載能力較弱，巷道變形量大，常規(guī)支護(hù)已不能保證圍巖穩(wěn)定。基于此，選擇高強(qiáng)度支護(hù)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(wù)年限。

1 工程概況

11#煤帶式輸送機(jī)大巷用于21 采區(qū)煤（矸）外運(yùn)及采區(qū)進(jìn)風(fēng)，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(jī)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(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)+29U 型鋼套棚加固，設(shè)計(jì)斷面寬×高=4200 mm×3600 mm，設(shè)計(jì)服務(wù)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(yán)重影響該巷安全運(yùn)輸及通風(fēng)。11#煤帶式輸送機(jī)大巷大變形巷段位置如圖1。

圖1 11#煤帶式輸送機(jī)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(qiáng)且能固化的復(fù)合注漿材料加水配比成的漿液，通過(guò)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(fēng)化而強(qiáng)度降低[1]，提高圍巖力學(xué)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)度。

（2）強(qiáng)化壓力拱效應(yīng)

壓力拱效應(yīng)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(kāi)掘后易導(dǎo)致圍巖進(jìn)一步變形，導(dǎo)致壓力拱效應(yīng)較弱。通過(guò)對(duì)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(yīng)得以強(qiáng)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(guò)庫(kù)倫理論表達(dá)式論證：

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

根據(jù)庫(kù)倫理論表達(dá)式，巖體抗剪強(qiáng)度與圍巖內(nèi)聚力、承載應(yīng)力及內(nèi)摩擦角有關(guān)，圍巖承載應(yīng)力與上覆巖層有關(guān)。該影響因素不可改變，但通過(guò)注漿實(shí)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(qiáng)度提高，圍巖自穩(wěn)能力和整體承載能力增強(qiáng)，即壓力拱效應(yīng)得以強(qiáng)化。

（3）提高錨桿主動(dòng)支護(hù)性能

錨桿支護(hù)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(dǎo)致錨固失效，進(jìn)而導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效，發(fā)生頂板整體垮落冒頂事故。通過(guò)注漿對(duì)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(shí)，進(jìn)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(zhǎng)錨固，改善錨桿的受力狀態(tài)，增強(qiáng)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(duì)比如圖2。

3 注漿加固方案與實(shí)施

3.1 注漿設(shè)計(jì)

（1）注漿材料及配比

注漿材料采用滲透性較強(qiáng)、固化效果較好的復(fù)合材料，復(fù)合材料包括水泥、JCT-2 復(fù)合劑、JCT-3固化劑，水灰比為水:水泥:JCT-2 復(fù)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(fù)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(jī)大巷圍巖破碎、離層深度及單孔注漿滲透半徑，設(shè)計(jì)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(gè)注漿孔，其中，拱頂布置1 個(gè)，2 個(gè)拱肩各布置1 個(gè)，兩幫各布置1 個(gè)，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(jì)如圖3。

圖2 端頭錨固與注漿后端頭錨固錨桿錨固力對(duì)比示意圖

圖3 斷面內(nèi)注漿孔布置設(shè)計(jì)圖

（4）注漿量計(jì)算

為確保注漿效果，便于注漿期間的工程量考核與管理，對(duì)每米巷道所需注漿量計(jì)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(zhǎng)，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(gè)、排距3 m，計(jì)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(jìn)行。沿巷道走向方向按照跳躍式循環(huán)注漿方式進(jìn)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(jìn)行第二循環(huán)注漿，每個(gè)循環(huán)為一個(gè)小分段，分段長(zhǎng)度為12 m，依次向前推進(jìn)。注漿孔編號(hào)按照左幫孔編號(hào)為①，注漿順序?yàn)椋?），右?guī)涂拙幪?hào)為②，注漿順序?yàn)椋?），頂孔編號(hào)為③，注漿順序?yàn)椋?），左拱肩孔為④，注漿順序?yàn)椋?），右拱肩孔為⑤，注漿順序?yàn)椋?）。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(gè)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(jìn)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(jiàn)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(duì)巷道圍巖有較好的封閉作用，注漿后可以有效防止圍巖進(jìn)一步風(fēng)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(jiàn)已經(jīng)固結(jié)的注漿材料充分滲透至圍巖裂隙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiàn)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(dá)到預(yù)期目的。

此外，為觀察注漿后圍巖變形速率，對(duì)各注漿段建立礦壓觀測(cè)站，并對(duì)各觀測(cè)站進(jìn)行為期90 d 的觀測(cè)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(jī)大巷圍巖破碎段通過(guò)注漿提高了圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（2）通過(guò)注漿，巷道頂板3 m 范圍內(nèi)的破碎圍巖實(shí)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(wù)年限。