深厚破碎軟巖巷道地面注漿加固技術研究

江明明，詹金明，葛海軍

（1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001；2.安徽省煤田地質局 第一勘探隊，安徽 淮南232052）

對軟巖巷道來說，當巷道的位置大于某一開采深度時，散體狀破碎巖體圍巖常為彈塑性、塑性或流變性，產生以拱形冒落為主的變形破壞形式。眾多學者對軟巖巷道穩定問題進行了研究，從不同的角度提出了有效的控制理論〔1－4〕。但國內外地面預注漿加固巷道圍巖穩定性的工程較少，目前地面預注漿在煤礦的應用主要針對井壁修復以及煤層地板改造加固。本文將結合某煤礦－780m水平南翼軌道大巷的支護工程實踐，探討地面注漿加固圍巖技術。

1 工程概況

某煤礦南翼－780m膠帶機由北向南掘進遇到F108斷層，迎頭涌出15～20m3的伴有泥漿的裂隙水；根據地質勘探資料及巖石化學物相分析，巖層異常破碎軟弱，在700～780m段RQD值小于30%，783～900段RQD值為0〔5〕，且巖石中伊利石和高嶺石占60%，屬于遇水易軟化高蠕變性巖石。由于地處地質異常區，井下巷道無法成形，掘進時巷道變形量太大，給巷道掘進施工造成了極大的困難和存在著重大的安全隱患。

2 軟巖巷道變形主要特征

硬巖常看作線性彈性體或理性彈塑性體，圍巖以小變形為主，硬巖巷道的關鍵問題是強度失穩，而軟巖容易產生明顯的非線性、非光滑的塑性變形，軟巖巷道的關鍵問題是大變形失穩〔6〕。

巷道開挖前，巖體中各質點在特定地應力場中處于相對平衡狀態。巷道開挖后，原來的受力平衡狀態遭到破壞，巖體向巷道內脹松變形，使得應力、應變發生調整，出現新的平衡狀態。

巷道開挖后，形成以沿著巷道壁圍巖切線方向應力的最大主應力，以沿著巷道徑向應力為最小主應力。如果調整后的應力大于圍巖強度，圍巖就會遭受破壞，一般而言靠近巷道壁的圍巖最先破壞，接著最大主應力集中區開始向圍巖內部傳遞，巷道周圍的圍巖再次進行調整，形成大致3個區域，由采空區向外依次為破裂區、塑性區和彈性區（見圖1）。

圖1 軟巖巷道圍巖分區

塑性區具有一定范圍限制，因為巷道壁圍巖的切向應力為最大值，向圍巖內部逐漸減小，而徑向應力在巷道壁圍巖為零，向圍巖內部逐漸增大，由巷道壁單向應力狀態變為雙向應力狀態，各向等壓下塑性區半徑由下式計算〔7〕：

式中：P為圍巖原應力；C為粘結力；φ為內摩擦角。

由公式可知巷道的穩定性主要與圍巖原應力和內摩擦角及粘結力c有關。

3 軟巖巷道加固控制機制

軟巖巷道的加固過程常用動態控制方法，具體分為三個階段。

第一階段：采用預應力支護體。在軟巖巷道變形初期采用預應力支護體系是為了調動圍巖自身的承載能力，同時由于支護阻力和圍巖變形存在負指數關系，提高支護阻力減少巖體位移，釋放部分能量保持巖體穩定。

第二階段：注漿加固圍巖。注漿使得破碎的巖體膠結為整體，改善了巖體力學性能，同時充填裂隙強化了第一階段的預應力支護體，加固了圍巖條件。

第三階段：重要部位控制。軟巖巷道工程中關鍵部位的破壞往往會成為工程破壞的突破口〔2〕，必須加強重要部位支護以此提升工程全面的整體穩定性。

某煤礦南翼－780m膠帶機巷道進入異常區后先后雖采取了錨網噴加U型鋼伸縮支架等支護措施，仍然難以控制巷道的變形，現巷道4.6m的寬度最小處變形至2.1m，給施工和安全帶來很大的安全隱患。由于井下不具備高壓注漿施工條件，經研究決定采用地面預注漿的措施對巖體進行加固。

4 注漿加固

4.1 注漿孔布置

原設計布置9個鉆孔，對120m膠帶機大巷進行注漿。平行于巷道西邊五孔（A1、A3、A1、B3、C3），巷道東邊4孔（B1、B2、C1、C2）；按分支孔的方案進行施工，地面上三臺鉆機，分三組，一臺鉆機施工一組，鉆探工程量3834m。注漿后期地面增加一個注漿檢查孔，對注漿質量進行檢查，并增加一臺鉆機對其施工；同時為確保工程質量，注漿量不受設計限制，實行能注則注（見圖2）。

圖2 鉆孔布置

4.2 鉆探施工

（1）各鉆孔分支組合。現場主要根據各孔施工進度及定向、注漿技術要求，同時由于平距過大，給定向造成難度；鉆孔彎度過大，給注漿拉塞及解塞造成難度，故現場充分考慮到這一點，最終10個鉆孔分支組合為：第一批為A1、A2；第二批為 A3、B2、B3；第三批為C1、C2、檢查孔；第四批為B1、C3。

（2）鉆具組合。一開新地層及風化帶段：Φ244.5mm三翼（或牙輪鉆頭）＋Φ159mm鉆鋌＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動鉆桿。

二開基巖非注漿段：Φ165.1mm牙輪鉆頭＋Φ121mm鉆鋌＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動鉆桿。

三開注漿段：Φ118mm牙輪鉆頭＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動鉆桿。

（3）鉆進方法。采用回轉鉆進、定向鉆進及復合鉆進的方法施工。

（4）孔斜控制及定向鉆進。本工程直孔段施工采用上海地學儀器廠生產的JJX－3D高精度測斜儀，對鉆孔進行跟蹤測斜，表層管下管前及直孔段施工至注漿段均進行了系統側斜，確保鉆孔軌跡符合設計要求。

分支孔采用北京海藍公司生產的有限隨鉆定向儀，采用山東鄒城生產的Φ130mm螺桿，采用日本生產的Φ121 mm無磁鉆鋌定向。嚴格按照設計軌跡定向施工，分支孔施工至注漿段軌跡落點在2m半徑設計靶域之內。

4.3 注漿工藝

（1）注漿段高劃分。為確保注漿量和注漿效果，采用分段注漿方式。具體段高劃分如下：A2、主C1、C2、C3孔分三段注漿，即第一段為22m、第二段為25m、第三段為26.5m；主 A1、A2、主B1、B2、B3孔分二段注漿，即第一段為26m、第二段為27.5m。實際施工時，可根據情況適當調整。

（2）注漿壓力。本次采用經驗公式，即設計注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，并且最終壓力不能低于靜水壓力的2.5倍，根據地層注漿量的情況，壓力從小到大施加。

（3）注漿材料及配比。漿液配合比，通過實驗室內配合比試驗，得到優化漿液配比為0.6∶1～1.5∶1，期間加入了5%及0.5‰以食鹽和三乙醇胺為原料的早強劑。

（4）注漿結束標準。①達到設計注漿壓力；②每米注漿量達到20m3；③注漿流量小于或等于250L／min；④以上條件達到，復注時每20m注漿段注漿量控制在50m3左右。

5 注漿效果分析

為了更有效地檢驗評價注漿效果，又在異常地質構造帶加固注漿范圍內施工一個注漿檢查孔，通過取芯來觀察巖心完整性和水泥漿液膠結情況，判斷注漿是否達到預期效果。通過檢查孔取芯，地質員現場鑒定，結果見表1。

表1 檢查孔巖芯描述

孔深／m 芯長／m取芯率／%巖心描述785.0～786.2 2.4 69砂質泥巖，灰色到黑色，破碎，裂隙發育，見水泥充填，見圖3（b）786.2～798.0 6 51 中砂巖，淺灰色，極破碎，裂隙發育，見水泥充填，見圖3（c）798.0～804.5 4.0 62 砂質泥巖，深灰色，破碎，裂隙發育，見水泥充填，見圖3（c）

從現場取芯結果來看，大部分芯樣可見水泥漿充填，異常構造帶內取芯率較高，巖體的內摩擦角和粘結力c得到了改善，由公式可知塑性區的半徑隨內摩擦角和粘結力的增大而減小，阻礙了圍巖破碎區向彈性區的發展，提高了軟巖巷道的穩定性。

6 結語

1）根據深厚破碎軟巖巷道變形的主要特征，提出了軟巖巷道動態控制方法。

2）由于在第一階段采用預應力支護體系效果不明顯，經研究決定采用地面預注漿加固圍巖措施，改善了巖體力學參數，減小塑性區范圍，有效阻止了破碎區的發展，提高了軟巖巷道的穩定，為深部巷道的使用創造了安全條件。

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