破碎煤巖巷道注漿加固材料實驗及應用研究

梁旭超，馬振乾,，祖自銀，李桂臣，韓 森，官瑞沖，楊 威

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州盤江煤電集團技術研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.中國礦業大學礦業工程學院深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采工程中有大量巷道不可避免在節理多的圍巖中進行布置，處于高應力環境的巷道受到工作面采動影響圍巖極其松散破碎，巷道圍巖穩定控制成為了一大難題。目前，大量學者針對破碎圍巖巷道控制做了大量的實驗并取得了一定的成果[1-3]。馬振乾等[4]針對厚層軟弱頂板煤巷地質條件，分析巷道破壞機理，找出影響巷道穩定性的關鍵因素，采用了錨桿支護和U型鋼支護治理厚層頂板破碎難題；張紅軍等[5]采用錨桿結合錨注的支護方法加固巷道穿越軟弱破碎的泥巖層，提高巷道整體承載效果；陳曉祥等[6]采用超前注漿+錨網索聯合支護方式對斷層破碎區巷道進行加固支護；秦江江[7]采用注漿方法對破碎圍巖進行了加固，并通過現場觀測實驗提出了注漿綜合效果的評價；李飛等[8]針對火鋪礦巷道破碎松散圍巖進行注漿，并對巷道移近量提出效果評價；彭英華等[9]針對裂隙圍巖巷道破壞進行裂隙發育機理分析，通過實驗選出水泥-水玻璃最佳配比并應用于現場，控制效果良好。

現階段許多學者對控制破碎圍巖巷道變形做了大量的理論及現場實驗研究[9-14]，支護手段大多采用以錨網索結合注漿聯合支護，注漿能夠提高圍巖的承載能力，因此注漿對控制巷道圍巖穩定具有十分重要的意義。目前，對于注漿性能大多都采用理論分析、數值模擬以及現場就地取材實驗研究方法，而對不同成分、不同水灰比漿液澆筑試件力學性質、微觀結構、孔徑分布特征之間關系研究較少。本文鑒于前人研究方法，以山腳樹煤礦破碎圍巖226軌道石門大變形作為工程背景，展開巷道圍巖穩定分析及漿液配比室內單軸壓縮、劈裂實驗和壓汞實驗，分析不同配比、孔徑分布、微觀裂隙結構特征以及力學參數變化規律，確定最優的注漿材料配比。基于室內試驗研究結果，對巷道支護提出建議，現場實施結果表明破碎圍巖巷道穩定性極大提高，為類似地質條件下巷道支護提供一定的借鑒作用。

1 工程概況

山腳樹煤礦位于西南地區盤縣境內，屬于盤江精煤股份有限公司年產90萬t的礦井。226軌道石門下接22軌道石門(圖1)，水平標高+1 170 m，距離地面垂直深度為812～892 m，依次揭露礦區23#煤層、22#煤層、21#煤層、20#煤層、19#煤層、18#煤層，其中23#煤層、22#煤層、21#煤層為煤線， 煤層傾角約為8°， 煤層頂底板巖性見表1。軌道石門上方布置22188綜采工作面，工作面標高為+1 259 m。煤層間多為泥質粉砂巖及泥巖，節理發育較為明顯，質地較軟，尤其上部經過22188綜采工作面回采過后，圍巖極其破碎。

圖1 266軌道石門巷道布置剖面Fig.1 Location profile of 226 rail haulage cross-cut

表1 煤層頂底板特性Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

226軌道石門斷面為直墻半圓拱形，寬為5.2 m，高為3.2 m，原支護方案采用錨網索噴聯合支護，幫部錨桿采用Φ18 mm×1 800 mm，頂部錨桿采用Φ20 mm×2 470 mm，間排距為700 mm×700 mm；錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線，間排距1 400 mm×700 mm；鋼筋網Φ3.5～50 mm×50 mm；標號425水泥與沙子體積比為1∶2.5的混凝土噴層厚100 mm，原巷道支護設計如圖2所示。

圖2 226軌道石門原設計方案Fig.2 Design scheme of 226 rail haulage cross-cut

通過現場調研，該巷道變形破壞具有以下特點：巷道頂板下沉嚴重，出現大量的網兜，頂部錨索出現托盤陷入圍巖內且拉斷狀況，頂底板最大變形量達1 900 mm；巷道兩幫嚴重向內擠壓，兩幫之間最大變形量能夠達到1 800 mm，幫部錨桿出現脫落，金屬網外露，巷道斷面呈M型。

在高應力環境中，圍巖質地較軟且自身存在節理，巷道連續穿層后，接觸巖層間較大節理面，巖石隨著時間推移，微小裂隙發育產生擴容現象，支護結構不斷受到圍巖帶來的高荷載，最終導致巷道支護結構超過允許承載強度進而失效，與此同時圍巖加速變形，塑性區范圍急劇增加，巷道出現嚴重片幫，底鼓及頂板下沉。

為解決以上破碎圍巖巷道支護難題，現場決定重點對巷道圍巖進行注漿加固。為確定較優的注漿參數，以現有的原材料超細水泥及普通水泥按不同的混合比例和不同水灰比澆筑試件開展室內試驗，測定試件的物理力學參數及強度，為破碎穿層巷道注漿支護設計方案理論提供依據。

2 室內實驗

2.1 實驗方案設計

根據現有的材料可知水泥有普通水泥和超細水泥，設置5種普通水泥和超細水泥的成分配比，超細水泥占比分別為0%、30%、70%、100%。水灰比設置2種比例，為0.45∶1和0.55∶1，見表2。將不同配比的水泥按方案稱量重量，利用攪拌機將漿液攪拌充分，分別倒入提前準備好的模具當中，將磨具放到震動裝置上方，震動出漿液中的氣泡，待漿液固化形成試件后，拆模取出試件，利用磨平機將試件兩個圓形截面進行打磨平整，要求截面的平整度誤差小于0.02 mm，制作成為Φ50 mm×100 mm注漿試件。為了保證試件的均質性，試驗前需對試件進行肉眼的篩選，對試件表面氣泡性較大的試件棄用，盡可能精度滿足巖石力學試驗的要求。

表2 實驗方案Table 2 Experimental scheme

2.2 漿液澆筑強度特征

注漿的強度是重要材料指標之一，關系到漿液與圍巖構成固結體的穩定性[11]，所以研究不同配比漿液固結體強度特征對巷道圍巖加固具有實際工程指導意義。為了分析漿液澆筑強度特征，室內采用巖石伺服機對漿液試件單軸抗壓強度試驗。因試件強度小于硬質巖石強度，本試驗中采用位移控制，加載速率0.01 mm/s。根據試驗方案，開展不同配比條件下的漿液澆筑試件抗壓強度和劈裂測試，如圖3所示。

從圖3中可以看出，注漿體單軸應力應變曲線主要有四個階段：壓密階段、彈性階段、塑性階段及破壞階段。壓密階段過程中應力應變曲線呈現內凹型，該階段過程注漿體內部微觀空隙孔被壓密，曲線斜率逐漸增大。隨著軸向應力增加，軸向應力與應變呈現線性關系，這個過程為彈性階段。塑性階段，該階段注漿試件出現宏觀裂隙，并伴隨聲響及小部分注漿塊被拋出，應力-應變曲線出現鋸齒狀的特征，主要是注漿試件內部微觀裂隙擴展，部分應力集中，超過自身的承載極限瞬間形成較大的宏觀裂紋，應力將會急劇下降，由于注漿主體依然較為完整，裂隙又進一步壓實，應力還能逐漸升高。破壞階段，隨著較多宏觀裂紋交叉貫通發育，最后注漿體整體強度急劇下降，整體失穩。不同超細水泥成分比例及不同水灰比單軸壓縮實驗結果見表3。

表3 漿液試件力學參數Table 3 Mechanical parameters of slurry

圖3 試件單軸壓縮應力-應變曲線Fig.3 The stress-strain curve of the specimen

2.3 注漿體強度及彈性模量變化規律

為了分析不同超細水泥含量、不同水灰比對注漿液注強度及彈性模量的影響，將不同超細水泥含量、不同水灰比得到的強度及彈性模量進行統計，見圖4。從圖4中可以看出，隨著超細水泥含量增加，漿液的抗壓強度呈現先增大后減小的現象。超細水泥含量占70%時的強度都大于其他占比的強度。同時水灰比0.45∶1的漿液單軸抗壓平均值為19.9 MPa；水灰比0.55∶1的漿液單軸抗壓平均值為13.8 MPa；水灰比0.45∶1的漿液比水灰比0.55∶1的漿液強度增加近44.2%。原因在于水灰比為0.55∶1時的漿液流動性較好，注漿效果好，但漿液含水泥量較少，漿液整體強度降低，單軸抗壓強度平均值整體較低。

圖4 不同配比漿液澆筑強度規律Fig.4 The strength rule of different ratio slurry

隨著超細水泥占比的增加，漿液的抗壓強度及抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢，這主要是普通水泥顆粒粒徑較大，顆粒之間含有較多的空隙，超細水泥顆粒粒徑較小，普通水泥和超細水泥顆粒能夠相互嚙合，空隙較少，整個注漿體整體完整性較高，具有較高的強度。

彈性模量是反應材料抗變形能力的指標，通過應力-應變曲線可以得出材料的性模量，從而能夠進一步分析不同超細水泥占比及不同水灰比下彈性模量的分布規律。從圖5中可以看出，不同水灰比隨著超細水泥的含量增加彈性模量有先增加后減小的趨勢。水灰比0.45∶1的彈性模量均大于0.55∶1，水灰比0.45∶1平均彈性模量為2 369.6 MPa，水灰比0.55∶1平均彈性模量為2 053.6 MPa，0.55∶1比0.45∶1的水灰比彈性模量平均值降低了13.3%。從圖5中可以得到兩種水灰比下，超細水泥含量占70%時彈性模量都達到最大值。同一水灰比下，漿液的抗壓強度高，彈性模量較大，與不同超細水泥含量注漿體抗壓強度變化規律一致。

圖5 不同配比彈性模量Fig.5 The elastic modulus of different ratio slurry

3 注漿孔隙特征分布規律

漿液內部微觀結構與宏觀抗壓、拉強度有著直接的影響，因此采用AutoPore IV 9500壓汞儀對漿液澆筑試件實驗。壓汞實驗原理是將實驗樣品在真空狀態下通過增加液態汞的壓力使之進入樣品的裂隙當中。采用壓汞法對平均彈性模量及平均抗壓強度較高的水灰比0.45∶1注漿體試件進行測試， 測試結果如圖6所示。

從圖6中超細水泥占比70%和100%進汞曲線可以看出，當壓力為5～1 800 Pa時，該階段進汞曲線平緩，表明試件大于100 nm的孔徑較少。超細水泥占比0%和30%在壓力初期進汞量較多，說明相對存在較多大于100 nm的孔隙。在壓力超過1 800 Pa時，四個注漿試件進汞曲線急劇上升，表明內部含有大量的小孔。從退汞曲線可以看出，在高壓下的退汞都較為緩慢，有較明顯的滯留環，表明試件當中有大量的連通空隙。 從數據可以看出，總進汞量隨著超細水泥增加而減小，表明超細水泥顆粒與普通水泥顆粒能夠嚙合，空隙率降低。 大量學者將>1 000 nm、1 000～100 nm、100～10 nm、<10 nm分別分為大孔、中孔、小孔、微孔。對不同超細水泥占比進行空隙統計，見表4。從空隙體積方面，隨著超細水泥含量的增加，孔隙度不斷地減小，大孔及中控孔容比下降，小孔及微孔孔容比上升，表明采用超細水泥能夠降低孔隙率及提高小孔、微孔的孔容比，同時漿液試件內部較大空隙減少，強度得到提高。采用漿液注漿圍巖，孔隙率低的漿液在高壓泵作用下能夠更容易深入圍巖內部擴散至微小裂隙，將帶有裂隙的圍巖凝聚固化效果，起到加固圍巖的作用，提高圍巖強度。

表4 不同配比漿液孔容比Table 4 The pore volume ratio of different ratio slurry

圖6 進退汞曲線圖Fig.6 The intrusive mercury curve of different ratio slurry

根據室內實驗結果水灰比采用0.45∶1、超細水泥占70%的漿液，抗壓強度最高，抗拉強度及抗拉強度能夠達到最大值，漿液內部孔徑小，針對山腳樹破碎圍巖的特性，該配比漿液在高壓注漿泵作用下能夠侵入裂隙圍巖內部，提高圍巖的強度以及完整性，從而整體提高巷道的承載能力。最終確定的注漿漿液超細水泥占70%，水灰比為0.45∶1。

4 工業性實驗

根據現場調研、巷道失穩控制對策及注漿實驗效果，提出“雙層錨網+中空注漿錨索”聯合支護控制技術，即：在初次支護采用金屬網、錨桿、錨噴、注漿；二次加強支護采用加長錨桿、金屬網、錨噴層和中空注漿錨索。具體支護參數如下所述。

初次支護采用Φ22 mm×2400 mmⅣ級左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配兩根2支Z2535樹脂藥卷(一支快速，一支中速)，間排距為800 mm×800 mm，底腳布置與水平成20°～40°錨桿；金屬網采用Φ6 mm冷拔電焊鋼筋網，網孔規格為100 mm×100 mm；噴射50 mm厚混凝土覆蓋金屬網；采用風鉆打孔徑Φ=36 mm、孔深2 800 mm，間排距為1 800 mm×1 200 mm的鉆孔，用4分鋼管進行淺孔注漿，注漿壓力為3 MPa。

二次加強支護采用Φ22 mm×3 000 mm Ⅳ級左旋無縱筋螺紋鋼加長錨桿配和2支Z2535中速樹脂藥卷；金屬網采用Φ6 mm冷拔電焊鋼筋網；復噴50 mm后混凝土斷面布置5根Φ=21.6 mm×8 000 mm中空注漿錨索，排距為1 600 mm，每根錨索配300 mm×300 mm×15 mm高強度拱形托盤和4支Z2535中速樹脂藥卷，錨索施工在工作面后方30～40 m處施工，注漿壓力為5～7 MPa。

為了驗證巷道實施“雙層錨網+中空注漿錨索”支護效果，對圍巖變形進行位移監測。 實施支護后，巷道頂底板及兩幫得到有效的控制，最大頂底板變形量控制在280 mm以內，兩幫最大移近量為253 mm，比最初方案變形分別減少了85%和86%，錨索受力在100～120 kN趨于穩定，說明破碎圍巖在漿液作用下構成較好的完整體，使得巷道布置的錨桿索發揮出良好的作用，具有較優的控制效果，能夠滿足安全生產要求。

5 結 論

1) 山腳樹煤礦226軌道石門多次揭露煤層，圍巖節理較多且處于高應力環境，支護結構不能支撐圍巖變形阻力，原支護不能滿足控制巷道大變形的能力。

2) 通過巷道大變形的特點，分析破壞機理，提出注漿能夠提高圍巖的承載能力有利于巷道穩定控制，并通過單軸壓縮實驗結果及壓汞實驗分析得到最優配比漿液，超細水泥占70%，水灰比為0.45∶1。

3) 根據室內實驗得出的最佳配比結果，針對山腳樹226軌道石門破碎圍巖巷道提出“雙層錨網+中空注漿錨索”聯合支護方案，并現場進行注漿實驗及巷道變形監測，與原方案相比頂底板變形量減少了85%，兩幫變形量減小了86%，錨索受力在100～120 kN趨于穩定，提出的聯合支護方案和漿液對巷道圍巖具有良好控制能力。