松散煤巖體鉆封注耦合注漿錨固機理與試驗研究*

張 輝，李國盛 ，支光輝,3

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院, 北京 100013；3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

0 引言

隨著煤礦開采深度逐漸向深處延伸，我國許多煤礦出現了不同程度上的松散煤巖體，成為制約煤礦安全高效生產的主要因素。對于松散煤巖體巷道，錨桿支護很難有效地控制圍巖的變形破壞，圍巖巖層破碎嚴重，錨桿孔成孔困難，錨固力低，導致錨桿支護潛力無法有效發揮[1-3]。目前松散煤巖體巷道支護大多采用“錨桿錨索+注漿加固”聯合支護的方法，注漿加固不僅改善了圍巖的力學特性，而且為錨桿支護提供了穩固的傳力基礎，提高了錨桿的支護效果[4-7]。

國內外有關學者對松散煤巖體巷道的破壞機理進行了大量的研究，認為其主要受復雜地質構造、構造應力、支護結構與參數及水理作用等因素的影響[8-10]。同時相關學者也對松散煤巖體巷道的支護對策進行了大量研究，形成了一系列的支護技術。王興開等[11]采用了低預應力錨桿配合鋼塑網護表、高預應力錨桿配合鋼塑網與鋼筋編織網聯合護表的支護技術；宗義江等[12]提出了由預留變形量、錨網索噴耦合支護、二次錨注加固組成的動態迭加耦合支護技術方案；孟慶彬等[13]采用“錨網索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯合支護技術方案，提出了“錨注加固體等效層”概念；馬振乾等[14]提出了以錨、帶、網、索主動支護為基礎，配合高強度拱形梁的綜合控制技術；張紅軍等[15]通過數值計算得出采用“錨桿”和“錨注”聯合支護方案，提高承載結構的整體性與承載能力。

綜上可知，采用注漿加固技術成為松散煤巖體巷道圍巖加固的主要措施，并在煤礦中得到廣泛應用，單純靠孔口封孔很難實現錨桿帶壓注漿，最終導致漿液擴散范圍較小，錨桿錨固力低。因此，封孔成為制約錨桿注漿加固技術在松散煤巖體巷道中應用的關鍵問題。鑒于此，實現封孔和注漿在時間和空間上的耦合，達到帶壓注漿，增大漿液的擴散范圍，改善支護結構的受力情況，提高圍巖的自承載能力，從而較好地解決巷道施工安全和長期穩定的問題。

1 鉆封注分次耦合注漿加固原理

鉆封注分次耦合注漿加固機理就是利用封孔漿液和加固漿液實現時空耦合。在空間上，封孔漿液主要作用是在錨固孔錨固段內實現全長封孔，加固漿液主要作用是在封孔漿液封孔基礎上實現帶壓注漿，增大漿液的擴散范圍；在時間上，在封孔漿液膠結固化后，應及時注入加固漿液，否則因封孔效果不好而影響漿液的擴散范圍及加固效果。

1.1 封孔漿液的作用機理

封孔漿液充填于鉆孔孔壁的裂隙中，主要作用是實現鉆孔內的全長封孔。在注漿壓力的作用下，漿液被擠壓到鉆孔孔壁圍巖淺部裂隙中，將鉆孔長度內的破碎煤巖體粘結成整體，使其具有穩定的傳力基礎，改善圍巖力學特性，增大了圍巖的強度，提高了錨桿支護效果。

1.2 加固漿液的作用機理

加固漿液是在帶壓注漿的情況下進行的，其作用機理主要包括以下幾個方面：①注漿加固可以利用漿液形成的膠結體封堵圍巖裂隙，隔絕空氣與內部圍巖之間的接觸，避免其風化，從而防止降低圍巖的本身強度；②在注漿壓力作用下將加固漿液擠壓到鉆頭端頭深處圍巖裂隙中，擴大漿液的擴散范圍，將已破碎煤巖體重新粘結成整體，改變了圍巖結構成分組成，提高了煤巖體整體黏聚力和抗拉強度，改善支護結構的受力條件；③對煤巖體中的裂隙進行充填，避免了圍巖內部在承載過程中出現應力集中的現象，使松散煤巖體的破壞機制得到改善，使圍巖的彈性模量和強度大大提高；④加固漿液滲入到圍巖縱橫交貫的裂隙中膠結，形成新的網格骨架結構，使膠結過的煤巖體具有較好的韌性和粘結強度，提高圍巖的殘余強度，使其受到較大的圍巖變形時而不會破壞，從而防治破壞進一步擴展，改善了巷道維護狀態。

2 鉆封注分次耦合注漿加固技術

2.1 鉆封注錨桿的構成

鉆封注支護所用的錨桿稱為自鉆錨桿，鉆封注支護是將錨桿支護與注漿技術進行結合，以這2種技術為依托，是研究這種新型支護技術的基礎。而目前普遍使用的注漿錨桿多為內注式，而使用該類錨桿在松散破碎煤巖體內進行鉆進、錨固和注漿施工時，較為困難，易塌孔，嚴重影響了巷道支護速度和效率。因此研制了一種自鉆錨桿，完成鉆進、封孔和注漿，實現鉆封注一體化施工。

新型鉆封注錨桿的組成主要包括鉆頭、桿體、螺旋肋、連接套、止漿塞、注漿連接套、變徑接頭、截止閥等。桿體前端與鉆頭連接，后端與鉆尾連接，鉆尾與鉆機連接后便可實施煤巖體的鉆進，桿體通過連接套可接長。

鉆封注一體化錨桿為中空錨桿，錨桿外徑25 mm，內徑12 mm，單根錨桿長1 m，可通過中間連接套實現錨桿的接長；鉆錨注錨桿前端的鉆頭為兩翼式鉆頭坯子，為一次性構件，鉆進完成后不抽出錨桿，直接進行注漿。另外在錨桿前端的外側，焊接有兩排平行分布的螺旋肋，在鉆進的過程中可以較好的起到排渣作用，降低鉆進阻力，在注漿加固后還可以提高錨桿錨固力。鉆封注錨桿實物圖、示意圖分別如圖1～2所示。

2.2 注漿材料的配制

1)封孔注漿材料

封孔材料主要選取硅酸鹽類注漿材料，采用封孔料Ⅱ號、硫鋁酸鹽熟料、減水劑和膨脹劑等按一定比例配合后作為封孔材料，其中封孔料Ⅱ號由A料、B料按照質量比1∶1組成，膨脹劑的使用量每增加1%，膨脹效果增加10%左右。封孔注漿材料性能參數如表1所示。

圖1 新型鉆封注錨桿實物Fig.1 Physical map of a new type bolt for drilling,sealing and grouting

圖2 新型鉆封注錨桿示意Fig.2 Sketch map of a new type bolt for drilling， sealing and grouting

2)加固注漿材料

加固注漿材料主要采用無機材料配制而成，以硫鋁酸鹽熟料和硅酸鹽42.5#水泥為主料，輔以速凝劑、懸浮劑和減水劑等為外添加劑，按一定比例配制而成，混合后即可實現速凝早強，這種注漿材料水灰比為1∶0.08～1∶0.5之間，初凝時間在8～10 min。這種注漿材料的主要優點是，速凝，流動性好，充填效果好，成本較低且固結后整體強度較高。

表1 封孔注漿材料性能參數Table 1 Sealed grouting material performance parameters

2.3 注漿壓力的選擇

注漿壓力是決定注漿效果的一個重要參數，提供漿液在巷道圍巖內擴散的動力。采用新型鉆封注工藝進行施工時，第1次注漿液主要用于封孔，注漿壓力為0.8 MPa，注水沖洗錨桿孔壓力為0.5 MPa；第2次所注漿液主要用于加固和填充破碎圍巖裂隙，應加大注漿壓力，注漿壓力為2 MPa左右。

2.4 鉆封注分次耦合注漿施工工藝

錨注支護技術是維護軟巖巷道圍巖穩定的一種有效方式，錨注支護時機的選擇對巷道支護效果具有很大的影響[16-17]。鉆封注分次耦合注漿加固分2次完成，第一次注漿用于封孔，第二次注漿用于加固，如何實現這兩種施工工藝的時空耦合成為了封孔注漿加固的關鍵。

采用新型鉆封注分次注漿具體施工工序為：①鉆孔完成后，在不抽出錨桿的情況下，直接進行注漿；②第1次注漿為封孔注漿，所注漿液為膨脹性材料漿液，具有良好的膨脹性，對漿液進行攪拌并保持其流動性，在高壓泵作用下將漿液擠壓至鉆孔孔壁裂隙深處；③第2次為加固注漿，所注漿液為高強度加固材料，漿液在注漿壓力的作用下，進入鉆頭端破碎圍巖的裂隙內部，并向深處進行擴散，在鉆桿端頭形成近似橢圓形錨固體，隨著注漿液體充填裂隙并聚集凝結，形成一個凸體結構，從而增大了注漿體與孔壁的摩擦阻力，提高了錨固性能。鉆封注施工工藝如圖3所示。

圖3 注漿效果示意Fig.3 Grouting effect diagram

3 井下工業性試驗

3.1 試驗地點

現場試驗在新鄭煤電公司趙家寨煤礦12205工作面回風巷進行，該礦煤層為典型的“三軟”煤層，煤體較松散破碎，部分巷道進行錨桿支護時，易出現塌孔現象，鉆孔成孔效果較差。

錨桿為幫部及頂板錨桿，注漿位置選在距離12205工作面200 m處，分別在巷道幫部和頂板拱角處進行注漿，其中幫部和頂板各分布2個錨桿，交叉分布排列，水平間距為700 mm左右。

3.2 井下注漿試驗及結果分析

采用新型鉆封注錨桿鉆打錨固孔，成孔后不抽出錨桿，直接進行第1次封孔注漿，采用封孔材料進行全長封孔；24 h后進行第2次注漿，注入加固材料，連接截止閥，在加固注漿階段打開截止閥，使之實現帶壓注漿，避免漿液倒流。注漿試驗如圖4所示。

圖4 井下注漿試驗Fig.4 Grouting test in underground coal mine

現場測試顯示，在單孔注漿時，加固材料存在從煤體中流出的現象，表明研制的加固材料流動性較好，加固漿液在鉆孔深處得到了充分擴散。加固注漿完成后，24 h后對注漿錨桿進行井下拉拔試驗，檢測錨桿的錨固力，驗證注漿加固試驗的效果，每組各對2根未注漿的采用全長樹脂錨固劑黏結的錨桿進行錨固力對比，其中，B樹脂-1，B樹脂-2及B1，B2分別為未進行注漿及進行注漿的幫部錨桿拉拔試驗編號；D樹脂-1，D樹脂-2及D1，D2分別為未進行注漿及進行注漿的頂板錨桿拉拔試驗編號。試驗結果如表2所示。

根據表2可知，由于巷道煤巖體中較松散破碎，導致在頂板拱角處注漿漏漿量較多，隨著注漿壓力增大，漿液擴散半徑較大，注漿擴散良好，基本上填充了圍巖裂隙，注漿加固效果較好，幫部錨桿錨固力比頂板錨桿提高9.4%，通過采用鉆封注分次注漿加固的幫部和頂板錨桿錨固力均比樹脂錨固劑提高1.0倍以上，表明了對松散破碎煤巖體鉆封注分次注漿加固的可行性。

表2 錨桿拉拔試驗結果Table 2 Anchor pull test results

4 結論

1)提出了采用鉆封注分次注漿加固的技術方法，研發了一種自鉆錨桿、封孔與注漿材料，并提出全長封孔、帶壓注漿的加固技術，使封孔注漿和加固注漿實現時空耦合，封孔材料實現鉆孔內全長封孔，加固材料實現帶壓注漿。

2)試驗結果表明，封孔材料具有較好的流動性，能夠實現鉆孔的全長封孔及填充孔壁裂隙，改善了鉆孔結構狀態，可實現對極松散破碎煤巖體的充填固結作用，且固結后的整體強度較高。

3)井下工業性試驗結果顯示，對松散煤巖體起到了較好的注漿加固作用，與樹脂錨固劑錨固的錨桿錨固力進行拉拔對比試驗，其錨固力提高了1倍以上，表明鉆封注分次注漿加固技術具有較強的應用價值。