不穩(wěn)定區(qū)巷道圍巖注漿加固技術(shù)應(yīng)用分析

楊和平

（霍州煤電集團(tuán)河津五星煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

隨著煤層開采的深度的增加，巷道的不穩(wěn)定性越來越嚴(yán)重（如底鼓、片幫等），巷道支護(hù)和保持長期穩(wěn)定的難度也增加。這些問題也成為眾多相關(guān)支護(hù)專家和研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國內(nèi)外專家針對巷道圍巖支護(hù)技術(shù)已經(jīng)形成了比較成熟的松動圈理論、聯(lián)合支護(hù)等許多支護(hù)理論和技術(shù)，在煤礦開采的實(shí)際應(yīng)用中起到了很大作用，減少了許多不必要的損失。但不同煤礦巷道的地質(zhì)條件和破壞形式非常復(fù)雜，一些傳統(tǒng)的支護(hù)方法很難對不穩(wěn)定的圍巖巷道進(jìn)行有效支護(hù)[1-3]。在這種背景下，巷道圍巖注漿加固技術(shù)逐步得到應(yīng)用，并且在諸多煤礦的巷道支護(hù)工作中起到了很好的效果。注漿加固技術(shù)，是在錨索網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上對不穩(wěn)定巷道圍巖進(jìn)行注漿，當(dāng)漿液充填圍巖內(nèi)部后形成完整的結(jié)構(gòu)連續(xù)體，使圍巖的承載能力變得較強(qiáng)并且穩(wěn)定[4-5]。以霍州煤電集團(tuán)河津五星礦變形相對嚴(yán)重的巷道圍巖為研究分析實(shí)例，根據(jù)圍巖裂隙分區(qū)理論，分析該巷道圍巖裂隙分區(qū)特征，進(jìn)而探討適宜的注漿工藝以及各個(gè)注漿工藝的參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用實(shí)踐后巷道圍巖注漿加固技術(shù)獲得成功。

1 圍巖裂隙分區(qū)分析

由于圍巖內(nèi)部破碎程度不同，張農(nóng)等人將圍巖分為完全滲流區(qū)、定向滲流區(qū)、滲流屏蔽區(qū)、原巖滲流區(qū)，圍巖表面破碎區(qū)[6]，如圖1所示，這五個(gè)分區(qū)將不穩(wěn)定圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整的呈現(xiàn)出來，這種圍巖分區(qū)理論比較成熟，且在各種礦井中廣泛應(yīng)用。

圖1 圍巖破碎區(qū)的分區(qū)

完全滲流區(qū)即表面破碎區(qū),由于該區(qū)貫通性裂隙的發(fā)育錯(cuò)綜復(fù)雜，其方向性不能明確，注漿時(shí)主要為填充注漿。這種注漿方式可以達(dá)到快、穩(wěn)的效果，對于漏漿有很好的控制作用，一般漿液采用凝結(jié)速度較快、稠度高、粘度高的注漿材料對完全滲流區(qū)進(jìn)行填充。完全滲流范圍一般在0～2.5 m。定向滲流區(qū)的巖體由高滲透性向低滲透性過渡的區(qū)域，區(qū)域大小取決于巖體的強(qiáng)度的大小、巖體受載程度的強(qiáng)弱等情況。在注漿時(shí)，定向滲流區(qū)與完全滲流區(qū)的注漿方式完全不同，主要呈現(xiàn)出滲透注漿的形式，注漿材料也與完全滲流區(qū)有很大的區(qū)別，基本采用高滲透性、低粘度的注漿材料進(jìn)行注漿。滲流屏蔽區(qū)沿徑向滲透性逐漸降低。原巖滲流區(qū)巖體與原來巖體應(yīng)力狀態(tài)無太大差別，滲流屏蔽區(qū)較大。

2 圍巖分區(qū)現(xiàn)場測定

在圍巖裂隙分區(qū)理論的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場圍巖情況進(jìn)行了具體的分區(qū)，并設(shè)置了相應(yīng)的觀測點(diǎn)。河津五星礦3306巷掘進(jìn)工作面沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，掘進(jìn)斷面初始設(shè)計(jì)為5 m×3.5 m。由于該工作面受到附近采掘工作面的一些影響，加上原本設(shè)計(jì)的支護(hù)工作強(qiáng)度不大，另外掘進(jìn)工作面斷面相對較大，所以此圍巖巷道的整體性和穩(wěn)定性都受到一定程度的影響，變形現(xiàn)象比較嚴(yán)重，需要及時(shí)對其進(jìn)行注漿加固支護(hù)。分區(qū)現(xiàn)場實(shí)測時(shí)，通過設(shè)備放入鉆孔中觀測地質(zhì)構(gòu)造，為了使分區(qū)數(shù)據(jù)更有科學(xué)和有效，對巷道圍巖進(jìn)行了十處鉆孔，并對各個(gè)分區(qū)進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 各分區(qū)統(tǒng)計(jì)

依據(jù)圍巖裂隙分區(qū)理論，并通過觀測記錄數(shù)據(jù)分析，該煤礦不穩(wěn)定區(qū)圍巖巷道完全滲流區(qū)范圍在0～1.91 m，定向滲流區(qū)的范圍在1.91～5.97 m，滲流屏蔽區(qū)的范圍在5.9～7.7 m，原巖滲流區(qū)位于圍巖深處、范圍為距圍巖表面7.7 m以深區(qū)域。

3 注漿工藝及參數(shù)

注漿時(shí)機(jī)的選擇對注漿支護(hù)效果的影響十分重要，注漿分為圍巖淺部注漿、深部注漿。在注漿時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)漏漿、跑漿的現(xiàn)象，注漿完成工作容易滯后?？紤]到這種現(xiàn)狀，通過調(diào)整注漿材料中的水灰比的大小進(jìn)行解決。一般選取水灰比較小凝結(jié)速度較快的注漿材料，對淺部進(jìn)行注漿；接著采用水灰比較大的低粘度注漿材料以滲透注漿對定向裂隙區(qū)、滲流屏蔽區(qū)進(jìn)行二次注漿，配合錨索網(wǎng)支護(hù)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.1 注漿分析

（1）圍巖裂隙發(fā)育程度的影響

適宜的注漿施工時(shí)機(jī)跟圍巖裂隙的發(fā)育程度有緊密聯(lián)系。漿液在巷道圍巖裂隙中的流動滲透的難易程度，會因掘進(jìn)時(shí)間段的變化而變化。隨著時(shí)間的增加，掘出后的巷道圍巖不穩(wěn)定性增大，其裂隙也會發(fā)生變化。主要表現(xiàn)在裂隙的張開程度會隨著巷道圍巖暴露時(shí)間的增長而增大，裂隙則會不斷增大加寬，最寬達(dá)8～10 mm。時(shí)間往后推移，圍巖變形越嚴(yán)重，但圍巖間的裂隙張開度卻變小。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)巖石裂隙充分發(fā)育后，裂隙間距變小之前的那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是巖石裂隙滲透最佳的狀態(tài)。

（2）注漿加固強(qiáng)度的影響

一般來說，注漿時(shí)間越早，對圍巖的加固就能越早起作用。不過這對注漿材料的抗拉壓強(qiáng)要求也比較高，因?yàn)樵S多注漿材料的注漿體承壓滯后時(shí)間過長，注漿后形成的承載體并不一定立即起到好的支護(hù)效果。若要從提高圍巖整體承載能力的角度出發(fā)，合適的注漿時(shí)間點(diǎn)非常重要。研究認(rèn)為圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律隨著時(shí)間變化以及巖石強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示。從圖中看出，OA段圍巖屬于開始變形階段，AB段圍巖有部分破壞，也有部分的承載能力，BC段破壞程度最大，其中AB段為最佳注漿時(shí)機(jī)。

圖2 圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律及巖石強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律趨勢

3.2 鉆孔深度

注漿鉆孔深度是不穩(wěn)定圍巖注漿加固技術(shù)中設(shè)計(jì)必須要考慮的參數(shù)，它主要受到支護(hù)強(qiáng)度、漿液擴(kuò)散性能的影響。支護(hù)強(qiáng)度取決于固結(jié)圈的厚度，固結(jié)圈厚度過大，圍巖徑向變形剛度則比較大，有利于控制巷道圍巖變形。根據(jù)鉆孔窺視圖像淺部注漿鉆孔選擇3 m，破碎圍巖注漿深部注漿鉆孔一般是6 m，如圖3所示。

圖3 圍注漿深度最小值確定方法

3.3 注漿壓力

巷道圍巖注漿加固時(shí)，注漿壓力的選擇規(guī)律隨著地質(zhì)條件的不同而不同。壓力損失P1包括P1′（輸漿管摩擦阻力）、P1″（注漿管摩擦阻力）和P1出（出漿孔阻力）等。具體計(jì)算公式為[7-9]：

式中：L為輸漿管路的長度；q為注漿量；μ1輸漿管路摩擦系數(shù)；L1輸漿管路長度。

注漿時(shí)管路的壓力損失為：

假設(shè)注漿過程中兩管的高度差為零，以及考慮到漿液的動態(tài)因素，則壓力損失差可以忽略不計(jì)。另外煤巖體的抗拉強(qiáng)度也可以忽略掉，那么主要考慮到跑漿、漏漿的問題。根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗(yàn)，淺部注漿的壓力應(yīng)該是偏小的，如果淺部注漿的壓力較大，會導(dǎo)致出現(xiàn)跑漿、漏漿等現(xiàn)象；但 壓力過小時(shí)漿液擴(kuò)散效果較差，無法到達(dá)需要注漿的范圍之內(nèi)。因此，深部注漿的壓力一般選擇在2～2.5 MPa。

3.4 擴(kuò)散半徑

注漿擴(kuò)散半徑受到較多因素影響，主要以設(shè)計(jì)的漿液擴(kuò)散距離要求為主。在設(shè)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑時(shí)，主要考慮到不穩(wěn)定圍巖內(nèi)部裂隙的實(shí)際開裂情況，以及漿液材料自身的粒徑大小、注漿壓力的大小等。經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，注漿擴(kuò)散半徑已經(jīng)有成熟的理論公式：

式中：k為滲透系數(shù)；t為注漿時(shí)間，s；h為以厘米水柱表示注漿壓力，cm；r0為注漿管半徑，cm；β為漿液黏度；n為孔隙率。

一般情況下，注漿工作實(shí)際上得到的注漿擴(kuò)散半徑都要小于理論計(jì)算出的注漿擴(kuò)散半徑。其原因主要是漿液在裂縫內(nèi)部受到許多因素影響，加上漿液自身逐漸凝固、變稠，流動的速度就會減小，擴(kuò)散半徑也減小。當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)條件不能確定時(shí)，一般要用實(shí)際注漿試驗(yàn)對擴(kuò)散半徑進(jìn)行測試并確定其數(shù)值。

對于本次探討的巷道工程，技術(shù)人員采用三角形布孔方式對注漿擴(kuò)散半徑進(jìn)行現(xiàn)場測試。注漿后在三角形中心部位進(jìn)行鉆孔，并取芯驗(yàn)證。這種方式需要經(jīng)過多次反復(fù)的測試，以便得到更科學(xué)合理的注漿擴(kuò)散半徑數(shù)據(jù)。最后經(jīng)過試驗(yàn)并計(jì)算，確定本次注漿擴(kuò)散半徑約為2 m。

3.5 封孔長度

封孔長度的設(shè)計(jì)在施工過程中影響著施工的質(zhì)量，尤其對于跑漿的影響更為直接。為確定淺部注漿理想的封孔長度，技術(shù)人員選取了與本研究不穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)相似的圍巖巷道進(jìn)行試驗(yàn)測試，以確定最佳的封孔長度。對0.2 m、0.4 m、0.6 m等不同封孔長度封孔效果進(jìn)行考察，最后測試出的結(jié)果如表2所示。

表2 注漿量統(tǒng)計(jì)

從表2和圖4數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)不穩(wěn)定圍巖的其它條件基本相似時(shí)，封孔長度一樣時(shí)，注漿工作需要的注漿量數(shù)值偏差并沒有太大。但是對于不同的封孔長度，需要的注漿量則有明顯的變化，一般呈遞增趨勢，即注漿量的大小隨著封孔長度的增加而明顯增大，但是會因?yàn)閮?nèi)部縫隙的減小達(dá)到一定的極限值。測試中當(dāng)封孔長度增加到1 m后，注漿量隨著封孔長度的增加變化已經(jīng)不大，趨于平緩?？紤]到施工難度隨著封孔長度的增加而加大，確定該條件下淺部注漿封孔長度為1 m。而深部注漿比較復(fù)雜，因此封孔長度為2 m。

圖4 均注漿量變化規(guī)律

4 注漿效果分析

當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)到760～840 m的時(shí)候通過H104斷層，對圍巖進(jìn)行注漿，注漿總量約10 t，3306巷注漿后進(jìn)行觀測，并對沒有注漿過的H103斷層進(jìn)行對比，觀測結(jié)果如表3所示。

表3 工作面過斷層片幫情況統(tǒng)計(jì)

從注漿效果看，漿液凝結(jié)速度比較快、粘度也相對較大，因此上墻的速度相對也快。在實(shí)際支護(hù)工作中，當(dāng)掘進(jìn)工作面經(jīng)過斷層構(gòu)造時(shí)，注漿加固范圍內(nèi)片幫平均深度由未注漿的1.18 m降為0.52 m，有效地控制了圍巖的變形和破碎，并使大范圍片幫現(xiàn)象得到有效控制，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語

通過分析不穩(wěn)定區(qū)巷道圍巖分區(qū)特性，擬定了不穩(wěn)定區(qū)圍巖的注漿工藝和參數(shù)；現(xiàn)場測定了分區(qū)范圍，同時(shí)分析探討了注漿時(shí)機(jī)和注漿壓力、注漿擴(kuò)散半徑、封孔深度等參數(shù)；得出具有科學(xué)性的數(shù)據(jù)，從而為河津五星礦中不穩(wěn)定圍巖巷道確定了一套完整的注漿加固工藝技術(shù)；在實(shí)施注漿工藝后，通過實(shí)測對注漿效果進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證，得到巷道圍巖的加固效果良好；對類似不穩(wěn)定區(qū)巷道圍巖條件下，運(yùn)用注漿加固技術(shù)具有很好的借鑒作用。