破碎圍巖巷道注漿加固設計及其效果分析

徐學標

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 蒲縣 041200）

伊田煤業有限公司11#煤帶式輸送機大巷因受斷層及陷落柱影響，圍巖松軟破碎，破碎圍巖自穩性差導致圍巖整體承載能力較弱，巷道變形量大，常規支護已不能保證圍巖穩定。基于此，選擇高強度支護的前提下，采取注漿加固使破碎圍巖膠結形成整體，從而提升圍巖自穩性能和整體承載能力，控制巷道變形，保證巷道服務年限。

1 工程概況

11#煤帶式輸送機大巷用于21 采區煤（矸）外運及采區進風，布置層位為11#煤層。11#煤層平均厚度5.2 m，煤層硬度系數0.3，頂板為松軟破泥巖，硬度系數2.7。11#煤帶式輸送機大巷屬于典型松軟破碎圍巖巷道，該巷地質構造較為發育，存在多處小型斷層及陷落柱，原支護方式為錨網索支護+29U 型鋼套棚加固，設計斷面寬×高=4200 mm×3600 mm，設計服務年限為12 a。但4 年內就發生較大變形，巷道受壓變形后最大變形處巷寬僅2.7 m，巷高僅2.6 m，嚴重影響該巷安全運輸及通風。11#煤帶式輸送機大巷大變形巷段位置如圖1。

圖1 11#煤帶式輸送機大巷大變形段平面位置圖

2 注漿加固的原理及作用分析

采用滲透性強且能固化的復合注漿材料加水配比成的漿液，通過特殊方法注入破碎圍巖裂隙，漿液在裂隙間固結，使破碎圍巖膠結形成整體，封閉圍巖裂隙，從而阻止圍巖因風化而強度降低[1]，提高圍巖力學性能及整體承載能力。

（1）漿脈網絡固結支撐作用

注漿期間，漿液在注液壓力作用下向破碎的圍巖裂隙間滲透，當漿液充滿裂隙并固化后，在原本圍巖裂隙間形成漿脈網絡結構，由于固化后漿體具有較高強度，具備一定支撐能力，形成網絡支撐骨架將破碎圍巖固結成整體[2]，從而提高圍巖整體強度。

（2）強化壓力拱效應

壓力拱效應是圍巖自穩能力的體現，圍巖破碎條件下，巖層內摩擦角及內聚力均較小，且原巖開掘后易導致圍巖進一步變形，導致壓力拱效應較弱。通過對破碎圍巖注漿固結，可提高巖層內摩擦角及內聚力，使壓力拱效應得以強化，從而改善壓力拱的受力情況，提高壓力拱的承載能力，維持巷道圍巖穩定性[3]。此作用分析也可通過庫倫理論表達式論證：

式中：τ 為巖體抗剪強度，MPa；c 為圍巖內聚力，MPa；σ 為承載應力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）。

根據庫倫理論表達式，巖體抗剪強度與圍巖內聚力、承載應力及內摩擦角有關，圍巖承載應力與上覆巖層有關。該影響因素不可改變，但通過注漿實現圍巖固結，提高圍巖內聚力和巖層內摩擦角，使巖體抗剪強度提高，圍巖自穩能力和整體承載能力增強，即壓力拱效應得以強化。

（3）提高錨桿主動支護性能

錨桿支護的錨固方式通常采用端頭錨固，在破碎圍巖中采用端頭錨固的錨桿，錨固端可能受破碎圍巖擠壓導致錨固失效，進而導致錨桿支護失效，發生頂板整體垮落冒頂事故。通過注漿對破碎圍巖加固后，在提高圍巖自穩性能和整體承載能力的同時，進入錨桿與錨桿孔壁間隙內的漿體固化后使錨桿由端頭錨固變為全長錨固，改善錨桿的受力狀態，增強錨桿的承載能力[4-6]。端頭錨固與注漿后端頭錨固錨桿的錨固力對比如圖2。

3 注漿加固方案與實施

3.1 注漿設計

（1）注漿材料及配比

注漿材料采用滲透性較強、固化效果較好的復合材料，復合材料包括水泥、JCT-2 復合劑、JCT-3固化劑，水灰比為水:水泥:JCT-2 復合劑:JCT-3 固化劑=0.5:0.85:0.15:1.5。

（2）注漿壓力控制

根據復合材料性能及巷道注漿需求，選擇注漿壓力控制在1.5～3 MPa 之間。

（3）注漿孔布置

根據11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎、離層深度及單孔注漿滲透半徑，設計注漿孔深度為3 m，間距為1.6 m，排距為3 m，斷面內共布置5 個注漿孔，其中，拱頂布置1 個，2 個拱肩各布置1 個，兩幫各布置1 個，注漿孔角度與巷道輪廓線切線方向垂直。斷面內注漿孔布置設計如圖3。

圖2 端頭錨固與注漿后端頭錨固錨桿錨固力對比示意圖

圖3 斷面內注漿孔布置設計圖

（4）注漿量計算

為確保注漿效果，便于注漿期間的工程量考核與管理，對每米巷道所需注漿量計算如下：

式中：Q 為每米注漿量，kg；ρ 為漿體密度，1560 kg/m3；λ 為漿液損失系數，取1.5；β 為漿液充填系數，取0.6；η 為巷道圍巖裂隙率，取3%，L為注漿深度，取3 m；h 為斷面墻高，取1.95 m；b為斷面拱長，取值6.2 m。

代入式（2）得出每米巷道注漿量為1 276.2 kg，根據斷面內注漿孔為5 個、排距3 m，計算得出單孔注漿量為765.7 kg。

3.2 注漿方案

（1）注漿施工工藝

施工注漿孔→埋注漿管→安裝截止閥→注漿→封閉注漿孔。

（2）注漿步驟

為防止注漿期間造成臨近注漿孔堵塞以及保證漿液均勻分布，確保注漿效果，斷面內注漿孔注漿步驟按照先注兩幫孔、再注拱頂孔、后注拱肩孔順序進行。沿巷道走向方向按照跳躍式循環注漿方式進行，即第一循環注漿孔按照排距6 m 施工，第一循環注漿完成后再在每排中間施工一排注漿孔進行第二循環注漿，每個循環為一個小分段，分段長度為12 m，依次向前推進。注漿孔編號按照左幫孔編號為①，注漿順序為（1），右幫孔編號為②，注漿順序為（2），頂孔編號為③，注漿順序為（3），左拱肩孔為④，注漿順序為（4），右拱肩孔為⑤，注漿順序為（5）。注漿步驟如圖4（a），循環注漿步驟如圖4（b）。

圖4 分段循環式注漿步驟示意圖

4 注漿效果分析

為觀察注漿后漿液在破碎圍巖中的固結效果，在已注漿巷段每隔12 m 在頂部、幫部各施工一個窺視鉆孔，窺視鉆孔深度為3 m，并采用鉆孔內部窺視儀器進行孔內窺視以觀察注漿效果。注漿效果鉆孔窺視如圖5。

圖5 注漿效果鉆孔窺視圖

從鉆孔窺視圖中可以看出，在頂部和幫部窺視鉆孔內的0～0.15 m 范圍內均可見注漿材料及噴漿層，可知注漿材料已滲透同噴漿材料固結，對巷道圍巖有較好的封閉作用，注漿后可以有效防止圍巖進一步風化。在頂部和幫部窺視鉆孔內的0.15～2 m范圍內均可見已經固結的注漿材料充分滲透至圍巖裂隙內，實現對破碎圍巖的膠結。在頂部和幫部窺視鉆孔內的2～3 m 范圍內均可見孔壁完整，未出現破碎圍巖，由此可知漿液已均勻滲透至深部圍巖，注漿效果達到預期目的。

此外，為觀察注漿后圍巖變形速率，對各注漿段建立礦壓觀測站，并對各觀測站進行為期90 d 的觀測及數據收集，90 d 內注漿段巷道頂板下沉量為9 mm，兩幫位移量為12 mm，巷道圍巖變形速率得到控制。由此可知，11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎段通過注漿提高了圍巖穩定性。

5 結語

（1）通過分析11#煤帶式輸送機大巷圍巖破碎巷道變形機理及注漿加固原理，設計針對性注漿加固方案，對注漿步驟、注漿順序、單孔注漿量、注漿壓力等具體參數進行控制，保證了注漿效果。

（2）通過注漿，巷道頂板3 m 范圍內的破碎圍巖實現有效固結，注漿段巷道90 d 內頂板下沉量為9 mm，兩幫位移量為12 mm，有效控制了巷道圍巖變形速率，保障了巷道服務年限。