注漿加固破碎圍巖技術分析與應用

田 波

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036002）

0 引 言

某礦所開采的3#煤層開拓巷道處于地下500～600m范圍，井底車場開拓系列巷道在距3#煤層約20m的底板巖層中，主要采用錨網噴支護，巷道支護成型一個月到半年時間內，井底車場開拓巷道與硐室都顯現出明顯的幫部與拱頂噴層開裂甚至脫落的變形與破壞，圍巖與原支護鋼筋網片裸露，威脅著設備和人員的安全；井底水窩巖壁變形導致澆筑的鋼筋混凝土開裂與脫落，造成井壁變形。布置測點連續觀測得出井底水窩仍處于變形不穩定階段，巷道與硐室圍巖內新的裂縫不斷產生。井底水窩的服務年限與整個礦井的壽命相同，關系著一切生產活動，是否穩定至關重要。因此，對已經發生變形破壞的井底水窩開展注漿加固技術研究并提出科學合理的加固支護技術十分必要。

1 高壓注漿加固破碎圍巖技術分析

高壓注漿是將顆粒型或溶液型漿液材料通過高壓注入到破碎的圍巖內部，將已經破壞的巷道圍巖重新組合并形成連續結構體，使其恢復到破壞前的完整結構，提高自身承載能力與傳遞錨桿（索）主動支護力的能力，從而提高支護質量與效果。通過現場松動圈測試得出，經過高壓注漿后的破碎圍巖又基本恢復到原來的連續狀態，膠結良好。但注漿材料自身的強度與巖體相比很低，承載能力不強，因此在對已經遭到破碎的圍巖注漿加固后還要結合強力錨索實施綜合支護主動。強力錨索的作用是對經注漿恢復連續性的圍巖實施邊界約束條件，使其具有高承載能力，防止二次破壞，保證經高壓注漿+強力錨索主動支護的巷道圍巖在復雜應力條件下處于穩定狀態[1][2]。

圖1 注漿加固示意圖

根據地質條件和圍巖變形程度調查結果，結合實際生產揭露情況得出造成井底車場開拓巷道短時間內變形與破壞嚴重的原因是該巷道與硐室的初次支護方式單一，強度較弱，且處于深部高應力區，圍巖結構松軟破碎，需進一步采取多種主動支護措施來控制破碎圍巖的長期蠕變，恢復圍巖內部結構的完整性。

通過高壓注漿可以將巷道圍巖內部已經發育的裂隙充填，破碎的圍巖被重新組合[3]，圍巖自身的承載能力提高，破壞前完整的巖體結構被恢復而形成一個連續結構體，從而能夠傳遞錨桿（索）的加固預應力，提高支護質量和效果[4]。

2 注漿加固材料選擇及性能分析

從材料的性質角度可將目前應用的注漿材料劃分為顆粒型漿材與溶液型漿材兩類[5]。具體工程應用中的注漿材料與漿液配比是結合注漿目的、材料性質及經濟成本等眾多因素綜合考慮確定的。

普通硅酸鹽水泥漿液的結石強度高、耐久性好且成本低，因而成為注漿加固首選的材料。但是水泥注漿液易離析與沉淀，穩定性弱，且對于小于顆粒度的細小裂隙或孔隙無法注入，擴散半徑小[6]。顆粒型硅酸鹽水泥注漿材料在松散或離層明顯的破碎圍巖加固工程應用中比較適用。

與顆粒型硅酸鹽水泥注漿材料相比，化學材料漿液的可注性很好[7]。除了環氧類及不飽和聚酯類注漿化學材料之外，其余的化學注漿材料雖然價格貴，但是耐久性和結石體強度都相對比較低。因此，化學注漿材料適用于裂隙寬度小且加固后對圍巖變形要求低的破碎區域加固。

注漿工藝不僅要充分考慮圍巖內裂隙被充填滿，還需要注漿材料有一定的強度和粘結力使圍巖內的裂隙不再張開破壞。因此，本研究對于該礦井底水窩破碎圍巖采用水泥漿+高分子化學漿混合注漿加固支護；針對裂隙小而顆粒型硅酸鹽水泥注漿液不能注入的范圍使用化學注漿[8]。

2.1 水泥漿材料

添加劑配比：按照水泥重量的8%～10%計算確定添加劑的用量。

水灰比：根據具體的注漿情況選擇水泥漿的水灰比為 0.6∶1～1∶1。

水泥+水玻璃配比：水泥漿液按照水泥重量8%～10%的添加劑和0.6∶1～1∶1的水灰比配制；水玻璃漿液的濃度范圍是48～55波美度，模數為2.8～3.2。水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.4～1∶0.6。

封孔：注漿孔外注漿泵的注漿管與孔內的注漿花管連接，孔口注漿管使用棉紗+水泥固定并封孔。

2.2 高分子化學漿材料

高分子化學漿液材料不僅粘度低、滲透力強，而且固結強度比較高。具有的特性如下：

材料構成：按照1∶1的體積比雙組份材料構成；

粘 度（20℃）/Cp：270～400；

初凝時間（20℃）/s：100～120；

固化時間（20℃）/s：180～300；

反應溫度：＜140℃；

抗壓強度：＞45MPa；

抗拉強度：＞5MPa；

抗剪強度：＞20MPa；

阻燃性：阻燃。

封孔：中空鉆桿注漿，自行封孔。

3 注漿加固方案研究

注漿孔布置：在立井水窩硐室斷面的幫、頂以排按照“三花眼”形式布置圍巖注漿鉆孔，圍巖注漿孔的排距全部為1.6m，間距為1.884m。具體的圍巖注漿孔布置形式如圖2所示。

圖2 注漿孔布置形式

鉆孔：按照直徑為56mm的鉆頭，使用地質鉆打立井水窩硐室的幫、頂圍巖的水泥漿液注漿孔。

注漿孔深度：設計立井水窩硐室的幫、頂板圍巖的水泥漿液注漿孔深度為3m。

注漿孔角度：立井水窩硐室內所有的圍巖注漿孔都按照與巷道圍巖表面垂直的方向施工。

注漿方式：全長一次注漿，在注漿孔內放置2m長的注漿花管，孔口通過封孔器與注漿管絲扣或者插銷連接。

注漿材料：硅酸鹽水泥漿液、硅酸鹽水泥+水玻璃雙液漿。

注漿壓力：結合現場注漿情況確定注漿壓力為1～2MPa。

注漿過程中應嚴格按照設計的注漿壓力向破碎圍巖內注漿，當局部漏漿時，采取相應堵漏措施后繼續注漿；當局部漏漿嚴重無法堵漏時，停止向該區域注漿并在臨近范圍補打注漿孔。

4 結 語

注漿的作用是將漿液材料注入到已經遭到破碎的巷道或硐室圍巖內，從而在其內部形成一定厚度包容巖塊的結石體，把漿液中的顆粒材料嵌入到圍巖裂隙內，充填裂隙并固化后具有一定的抗壓強度，阻止圍巖向深部擴容破壞。破碎圍巖裂隙被漿液材料充填固結后能夠有效傳遞錨桿（索）對圍巖表面施加的預應力，擴大支護范圍與作用深度，顯著改善支護效果。