松軟破碎巷道圍巖注漿加固技術研究

李 強

（山西煤炭運銷集團四通煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

隨著礦井煤炭開采深度增加，回采巷道掘進過程中受地質構造、地應力等影響更為凸顯，特別是巷道掘進至地質構造影響區，巷道掘進會導致破碎圍巖原有的應力平衡狀態，往往出現圍巖變形量過大、控制困難問題，甚至出現頂板冒落安全事故。現階段礦井回采巷道圍巖支護常采用錨桿索方式或者架棚方式，但是當巷道掘進范圍內為松軟破碎圍巖時，上述支護方式難以滿足圍巖控制需求，常出現錨桿索失效、架棚彎曲變形等問題，為確保巷道掘進以及后續使用安全，需要針對松軟破碎巷道圍巖特點采取針對性的注漿加固措施。山西某礦7 號煤層運輸巷在掘進至地質構造帶時，圍巖呈現出松軟、破碎特征，為此文中針對性巷道現場實際特點，提出采用復合材料對圍巖進行注漿加固，有效提高了松軟破碎圍巖巷道穩定性以及承載能力，為礦井高效生產奠定了良好基礎。

1 工程概況

山西某礦20705 運輸巷為7 號煤層運輸巷，巷道沿著7 號煤層底板掘進，巷道主要服務于煤炭運輸、通風以及行人等工作，巷道設計斷面為直墻半圓拱型，凈高3.7 m、凈寬4.2 m，采用錨網索聯合支護工藝。7 號煤層為現階段礦井主采煤層，煤層厚度均值5.02 m，煤層賦存穩定，局部區域地質構造發育。根據已有地質資料顯示，20705 運輸巷在掘進過程會揭露有陷落柱、斷層等多種地質構造，在地質構造影響區內運輸巷圍巖為松軟破碎圍巖，具體巷道掘進位置示意圖見圖1 所示。運輸巷在現有的支護方式下出現圍巖變形量較大問題，現場監測發現巷道頂底板、巷幫最大變形量分別為980 mm、1 356 mm，給巷道使用安全帶來一定威脅。

圖1 20705 運輸巷位置示意圖

2 圍巖注漿加固

2.1 破碎圍巖注漿加固機理

對松軟破碎巖體進行注漿加固后，可提高巖體穩定性以及強度，具體可將注漿加固效果提高巖體承載能力、為錨桿提供穩定及可靠錨固端、在破碎巖體內形成支撐骨架。注漿可有效提高松軟破碎巖體的內摩擦角以及粘聚力，并提升壓力拱整體穩定性，確保巷道圍巖穩定；注漿后可為錨桿提供較為穩定的錨固端，提高錨桿支護效果。現有研究表明，錨桿施工完成后進行注漿加固，可將錨桿由以往端錨變為全錨，不僅提高錨桿支護效果而且有助于強化巷道淺部巖體承載能力。具體端錨、注漿端錨兩種方式圍巖支護效果見圖2 所示。

圖2 端錨、注漿端錨圍巖支護效果對比圖

注漿漿液在破碎巖體裂隙內擴展形成網絡結構，形成的網絡結構不僅可改善圍巖強度而且有利于對圍巖進行支撐。

2.2 注漿加固方案

在20705 運輸巷掘進至圍巖松軟破碎范圍內時，采用復合材料對圍巖進行注漿加固。采用的復合注漿材料參數包括有水泥、JCT-2 復合劑、JCT-3 復合劑，具體注漿材料中水、水泥、JCT-2 復合劑、JCT-3 復合劑配比（質量比）分別為1∶0.85∶0.15∶1.5。根據20705 運輸巷松軟破碎圍巖現場實際情況，對巷道頂部、肩部以及巷幫等位置均布置注漿孔，并為便于后續注漿鉆孔施工將注漿鉆孔孔深統一設計為3.0 m。

注漿壓力會直接影響注漿量以及注漿效果，根據現場注漿采用的復合材料性能，為確保注漿加固過程中不會出現注漿壓力過大導致圍巖劈裂情況，將注漿壓力最終確定為2～4 MPa。

注漿鉆孔按照3 m 排距布置，一個斷面布置5 個鉆孔，其中頂孔、肩部孔以及巷幫鉆孔數分別為1 個、2 個、2 個。頂孔垂直頂板布置、肩部孔向上斜插50°、巷幫鉆孔垂直巷幫布置。具體巷道斷面注漿鉆孔布置見圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔布置示意圖（mm）

鉆孔注漿時注漿量可依據下述經驗公式確定：

式中：Q 表示巷道每米注漿量，m3；λ 為注漿期間漿液損失系數，取1.4；η 為圍巖孔隙率，取值1%～5%；ρ 為注漿漿液密度，取1 585 kg/m3；β 充填系數，取0.6；L為加固范圍，3 m；h 為巷道直墻高度，取1.5 m；b 為巷道拱形長度，取值6.6 m。

將上述參數帶入到公式（1）中就即可求得Q=1 150 kg。設計的注漿鉆孔間距為3.0 m，即巷道3 m 距離布置5 個注漿孔，注漿時按照1.3 富裕系數，則單個鉆孔注漿量約為897 kg。

2.3 注漿控制

在20705 運輸巷掘進至圍巖松軟破碎帶時，設計的注漿加固過程：注漿鉆孔施工、封孔、注漿、停注、移至下一鉆孔注漿。依據運輸巷現場實際情況，注漿采用間隔注漿方式，注漿時先對巷道左幫4 排鉆孔進行注漿，后對巷道右幫4 排注漿孔進行注漿，最后對巷道頂孔進行注漿，待12 m 范圍內鉆孔全部注漿完畢后再進行后續一段鉆孔注漿。

3 破碎圍巖注漿加固效果分析

注漿加固為隱蔽工程，注漿效果無法直觀從巷道表層觀察獲取，為此，提出使用鉆孔窺視技術對松軟破碎圍巖注漿效果進行考察。在注漿加固區域施工窺視鉆孔，采用型號CXK12 窺視儀進行窺視，具體不同窺視深度內裂隙充填效果見圖4 所示。

圖4 不同窺視深度內裂隙充填效果

從圖4 中看出，在注漿加固范圍內，圍巖孔隙被注漿漿液充填，圍巖穩定性得以明顯提升。

對注漿加固區域內圍巖變形進行為期30 d 監測，期間頂底板以及兩幫變形量均較小，分別為38 mm、15 mm，圍取得較好圍巖控制效果。

4 結論

20705 運輸巷掘進至地質構造影響范圍內時圍巖為松軟破碎巖體，巷道采用的錨網索支護方式存在圍巖變形量大、部分支護結構失效等問題，無法滿足巷道圍巖控制需要。為此，提出采用注漿方式對松軟破碎巖體進行加固。依據巷道現場實際情況對注漿加固方案進行設計，現場應用后注漿漿液可有效提高松軟破碎巖體強度、提高破碎巖體承載能力以及穩定性，并將巷道頂底板及兩幫變形量分別控制在38 mm、15 mm 以內。