立體聯(lián)合注漿加固技術(shù)在動(dòng)壓巷道支護(hù)中的研究與應(yīng)用

呂源

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的支護(hù)理論主要有3 個(gè)。新奧法理論提出“在進(jìn)行工程圍巖穩(wěn)定時(shí)，必須了解原巖應(yīng)力及開挖后的巖體強(qiáng)度變化”和“節(jié)理裂縫對(duì)巖體工程穩(wěn)定的作用”；應(yīng)變控制理論，圍巖的變形隨支撐結(jié)構(gòu)的增加而減小，而允許的應(yīng)變則隨著支撐結(jié)構(gòu)的增大而增大，采用增設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以使圍巖變形在允許范圍之內(nèi)；董方庭等提出松動(dòng)圈學(xué)說，將圍巖開挖時(shí)產(chǎn)生的松動(dòng)區(qū)稱作圍巖松動(dòng)區(qū)，認(rèn)為圍巖開挖后圍巖松動(dòng)區(qū)的支護(hù)是以破裂（擴(kuò)展）力為主的支護(hù)，支護(hù)的目的是控制這種破壞（擴(kuò)展）力所造成的破壞變形，其困難程度可通過定量的圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力參數(shù)來表示。

灌漿加固的機(jī)制主要是：①加固巖體的裂縫，裂縫填充后，裂縫端部的應(yīng)力分布明顯減小，甚至消失，從而使裂縫擴(kuò)展和破壞機(jī)理發(fā)生變化，并對(duì)其流變變形起到抑制作用；②對(duì)巖體表面的應(yīng)力狀況進(jìn)行了改進(jìn)，注漿壓力消失后，采用錨噴支護(hù)，使其在巖體上的受力得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，由此，可有效地改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高其強(qiáng)度，并且圍巖得到了較好的穩(wěn)定。

1 概 況

羊東礦礦井埋深大，礦壓顯現(xiàn)明顯。隨開采的影響，礦井每年需整修巷道工程量近5 000 m，尤其是作為生產(chǎn)采區(qū)的開拓、準(zhǔn)備巷道，每次翻修不僅占用開掘隊(duì)伍、花費(fèi)大量資金，影響礦井生產(chǎn)地區(qū)銜接，制約企業(yè)發(fā)展。為解決這一問題，該礦在五二軌道上山錨網(wǎng)噴索支護(hù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用壁后注漿加固技術(shù)，采用淺層注漿孔與深層注漿錨桿結(jié)合注漿，提高巷道整體穩(wěn)定性。通過合理的后期監(jiān)測(cè)手段對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，降低了工程巷道翻修率。

2 聯(lián)合注漿加固技術(shù)

2.1 巷道布置及支護(hù)情況

五二采區(qū)為礦井目前主要生產(chǎn)采區(qū)，正在回采8270 工作面，深部還有8471、8268 兩個(gè)工作面尚未回采。采場(chǎng)的準(zhǔn)備模式是2 煤層和4 煤層的聯(lián)合布置，采用單側(cè)向采煤。從工作面向下的順序?yàn)檐壍郎仙?、皮帶上山、回風(fēng)上山（圖1）。預(yù)計(jì)采區(qū)準(zhǔn)備巷道剩余服務(wù)年限至少為8 a，所以降低該巷道維修率、延長(zhǎng)周期對(duì)礦井有重要意義。

圖1 巷道布置Fig.1 Roadway layout

五二軌道上山擔(dān)負(fù)五二軌道運(yùn)輸及行人任務(wù)。巷道高度-587～-747 m，深度650～790 m，在2號(hào)煤底板和4 號(hào)煤頂板之間，采用穿層式方法掘進(jìn)。煤巷圍巖主要為粉砂巖、頁(yè)巖，巖體間夾雜著泥質(zhì)條帶，巖體易吸水、膨脹。巖體橫向、縱向節(jié)理較發(fā)育，具有脆性，易風(fēng)化片落。巖石中局部透鏡狀結(jié)核特別發(fā)育，結(jié)核與圍巖膠結(jié)強(qiáng)度低，極易片落。煤巖層為單斜構(gòu)造，傾角6°～26°，局部斷層發(fā)育，斷層走向與巷道方向夾角30°～70°。

巷道原支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)，局部巷段采用套加可縮性U36 鋼支架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。錨固采用高強(qiáng)度左旋錨，直徑為22 mm，長(zhǎng)2 000 mm，每列間距700 mm。錨索采用直徑21.6 mm、長(zhǎng)7 000 mm 的鋼絞線，間距為1 400 mm，每列5 個(gè)錨纜，噴射混凝土強(qiáng)度C20，噴射層厚度100 mm。

2.2 巷道破壞情況及原因分析

2.2.1 巷道破壞情況

采區(qū)竣工后，巷道圍巖受力難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形破壞嚴(yán)重，距工作面較近側(cè)的軌道下山表現(xiàn)尤為明顯。其特征為底板隆起，隨后兩幫開裂，內(nèi)擠收斂，頂板下陷，變形后斷面形狀表現(xiàn)為馬蹄狀。巷道圍巖的變形初始速度較快，變形不斷，較難保持穩(wěn)定。兩組初始最大收斂速度為12 mm/d，持續(xù)變形速率1.5 mm/d 左右，導(dǎo)致巷道維修周期短。

2.2.2 巷道破壞原因分析

（1）拱正頂部出現(xiàn)砼層開裂，金屬網(wǎng)折曲錯(cuò)斷，巷道破壞形式明顯體現(xiàn)出巷道受水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂向應(yīng)力。

（2）底鼓嚴(yán)重，伴隨拱基線以下呈曲線內(nèi)擠收斂，尤其底腳處兩幫移近量大，經(jīng)多次擴(kuò)刷、臥底整修后，造成巷道底腳圍巖完整性破壞。

（3）巷道圍巖巖性的主要成分是泥質(zhì)粉砂巖和頁(yè)巖，巖石強(qiáng)度弱，單軸抗壓強(qiáng)度低，巷道埋深大，屬于工程軟巖范疇，巷道圍巖具有流變性。

（4）錨索拉斷、脫落，錨桿無明顯破壞，因錨索延展率小，讓壓空間不足，不能適應(yīng)圍巖的劇烈變形。

2.3 聯(lián)合注漿方案

根據(jù)上述分析，決定采用深淺孔聯(lián)合注漿加固配合錨網(wǎng)噴索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于五二軌道上山整修施工。由于巷道多次整修，圍巖本身破碎嚴(yán)重、裂隙發(fā)育，尤其底腳圍巖整體性破壞極其嚴(yán)重，所以要求淺孔注漿盡可能緊跟整修頭；深部注漿滯后，利用注漿錨索進(jìn)行施工。

2.3.1 注漿參數(shù)

（1）淺孔注漿參數(shù)。

注漿孔間距1 400 mm，排距700 mm，孔深3 000 mm，孔口管采用1.2 吋鋼管，長(zhǎng)度為600 mm，外端頭處50 mm 為連接絲扣。兩底角注漿孔與巷道底板呈下斜45°打設(shè)，其余注漿孔均垂直于巷壁。注漿孔滯后整修工作面迎頭10 000 mm。注漿以水泥漿料為主，采用42.5 等級(jí)的一般硅酸鹽水泥，按質(zhì)量比（0.7～1）∶1 的比例進(jìn)行注漿，當(dāng)注漿量較大時(shí)，應(yīng)增加其濃度。

（2）深孔注漿參數(shù)。

利用中空注漿錨索進(jìn)行深孔注漿，錨索的規(guī)格為φ22 mm×7 500 mm，其間排距為1 200 mm，每排布置7 根注漿錨索，錨索鉆孔孔徑32 mm，孔深7 200 mm，每孔注2 支Z2850 型樹脂錨固劑。注漿錨索滯后工作面迎頭30m。

采用混合灌漿料，即525 水泥按1∶2 比例配制水灰比，再摻入8%ACZ-I 灌漿助劑。

2.3.2 淺孔注漿施工技術(shù)

（1）根據(jù)間距的需要，在指定眼位上打洞。注漿采用水泥漿料，采用42.5 等級(jí)的一般硅酸鹽水泥，按質(zhì)量比（0.7～1）∶1 的比例進(jìn)行注漿，次序從下往上，濃度隨量增大。

（2）在注漿前，將注漿管進(jìn)行注水沖孔，每次鉆孔至少需要10 min 以上。間歇注漿，間隔30 s。在灌漿壓力為3～4 MPa，維持20 min 后，關(guān)閉閥門，完成灌漿并及時(shí)封閉，防止?jié){液外泄。

（3）注漿泵的控制。根據(jù)巷道情況，適時(shí)啟動(dòng)、停用注漿泵，并時(shí)刻關(guān)注注漿泵的灌漿壓力，防止出現(xiàn)堵管、崩塌、漏漿現(xiàn)象。掌握灌漿流量、灌漿壓力，及時(shí)拆除、清除灌漿閥門、管線。另外，管口絲扣連接要緊固嚴(yán)密。

（4）應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的部位、角度安裝注漿管道并施工。在注漿期間，當(dāng)壓力達(dá)到1.5 MPa 時(shí)，泵不能停止。嚴(yán)格按照規(guī)定比例進(jìn)行混合。在井下發(fā)生大量的泥漿滲漏時(shí)，應(yīng)在注漿前先堵塞一段時(shí)間。保留每次的灌漿記錄。

2.3.3 中空錨索注漿施工工藝

（1）鉆注漿錨索孔。鉆頂?shù)奈恢檬窃O(shè)計(jì)位置，運(yùn)用的工具是錨桿鉆機(jī)，幫錨索直徑32 mm。鉆孔深度較注漿錨長(zhǎng)度短300 mm。

（2）安裝注漿錨索及封孔。將2 根K2850 樹脂錨固劑用空心錨繩緩慢推進(jìn)到鉆孔內(nèi)，再用錨桿機(jī)械進(jìn)行攪拌，用足夠棉絲在距錨索外端（注漿口端）500～800 mm 處順時(shí)針纏繞錨索表面,在鋼索與孔壁間填塞嚴(yán)密，用水泥迅速封閉。然后再裝入托盤，不要預(yù)先壓緊，待注漿完畢后再進(jìn)行預(yù)緊。

（3）配料。將混合桶用清水沖凈，按一次灌漿孔的數(shù)量決定，按照1∶2 的水灰比，同時(shí)加入水和525 號(hào)水泥并進(jìn)行攪拌，水泥的添加應(yīng)緩慢連續(xù)。在此期間，添加8%acz-i 灌漿料，并持續(xù)攪拌5 min。

（4）注漿。為防止鉆孔崩塌，注漿效果不好，應(yīng)在相同的排錨索完成后，馬上進(jìn)行注漿。卸下錨栓，將注漿設(shè)備與錨桿末端的內(nèi)螺紋相連接，慢慢旋緊注漿設(shè)備，并檢查與注漿泵相連的注漿管道是否通暢。注漿要緩慢，在攪拌過程中要進(jìn)行灌漿。在灌漿過程中，攪拌的速率會(huì)降低。注漿時(shí)，若聽到灌漿泵有低沉響聲，則表示注漿泵的壓力已經(jīng)達(dá)到最大（7 MPa)，說明漿已注滿?？申P(guān)掉注漿泵，等2～3 min，再用另外的纜繩注漿，直至注滿。

2.4 施工質(zhì)量監(jiān)控及補(bǔ)充措施

壁后注漿施工隱蔽性強(qiáng)，必須加強(qiáng)施工質(zhì)量與注漿效果監(jiān)控，此次應(yīng)用1 臺(tái)TYGD 型巖層鉆孔探測(cè)儀來對(duì)巷道圍巖裂隙變化情況和注漿效果進(jìn)行仔細(xì)觀察。

每10 m 施工1 組探孔，分別位于巷道頂部及兩幫腰線位置，利用巖層鉆孔探測(cè)儀對(duì)注漿效果進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)原位于淺孔中間局部區(qū)域未能有效充填。經(jīng)分析巷道為穿層布置，圍巖中沿巷道走向裂隙連通性差。為此，每?jī)膳艤\孔間再增加一排進(jìn)行二次注漿，注漿參數(shù)與第一次相同。再次進(jìn)行效果檢驗(yàn)時(shí)，充填效果良好。

3 應(yīng)用效果分析

為檢驗(yàn)注漿加固效果，淺孔注漿施工完成后，建立巷道變形監(jiān)測(cè)站。觀測(cè)站要求間距30～40 m，設(shè)立觀測(cè)站時(shí)，距整修工作面迎頭不超過20 m。

利用“雙十字法”觀測(cè)了巷道表層圍巖的收斂性變形。觀測(cè)站各設(shè)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于拱頂中線位置、兩幫拱基線位置、兩幫腰線以下1.0 m 位置，底板中線位置（圖2）。

圖2 測(cè)量基點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of measurement base point

觀測(cè)時(shí)，利用線繩、刻度尺等對(duì)量測(cè)指標(biāo)OA、OC、OB、OD、O1F、O1E 進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，觀察儀器會(huì)自動(dòng)讀出所需數(shù)值。比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)，可以獲悉頂板的下沉量、底膨量、兩幫變形量等數(shù)據(jù)，經(jīng)過60 d 連續(xù)觀察，巷道兩側(cè)最大位移為80～100 mm，主要是巷道底部的變形比較大，頂板位移在100～130 mm，以底部鼓包為主，且巷道沒有欠皮裂縫，滿足運(yùn)輸行人要求。隨臨近工作面推采至停采線附近，超前壓力影響下巷道未出現(xiàn)劇烈變形，除相對(duì)應(yīng)巷段出現(xiàn)砼層開裂，金屬網(wǎng)并未見剪斷、撕扯，只需簡(jiǎn)單找頂即可。

4 結(jié) 語(yǔ)

聯(lián)合注漿加固技術(shù)在五二軌道上山整修中的應(yīng)用結(jié)果表明，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期要求，使該巷道整修周期由8 個(gè)月提高到3 a。此次整修巷道工程量共計(jì)550 m，每米巷道整修按7 500 元計(jì)算，減少2 次翻修可為礦井節(jié)省費(fèi)用412.5 萬元。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)降低了巷道翻修率，為礦井安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)，可在類似破碎圍巖及動(dòng)壓巷道掘進(jìn)和整修施工中推廣。