深部巷道圍巖復(fù)合注漿加固技術(shù)

付玉凱， 王濤， 孫志勇， 岳延朋

（1. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4. 山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

由于淺部煤炭資源已被大量開采，我國許多煤礦逐步轉(zhuǎn)向開發(fā)深部煤炭資源。深部巷道圍巖開挖過程中不可避免地會遇到各種復(fù)雜地質(zhì)巖體，如構(gòu)造破碎帶、斷層、軟弱巖層等[1-2]。同時，深部開采過程中的“三高一擾動”（高應(yīng)力、高滲透壓力、高溫度和開采擾動）地質(zhì)力學(xué)環(huán)境加大了圍巖控制難度，深部巷道圍巖呈現(xiàn)變形劇烈、變形量大及變形時間長等特點，巷道需要經(jīng)過多次返修才能滿足安全使用要求[3]。

注漿作為深部巷道圍巖控制的主要手段之一，具有充填圍巖裂隙、提高巖體單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖抗變形破壞能力的作用。充填圍巖裂隙，可增強(qiáng)裂隙巖體密實性。裂隙巖體密實性越強(qiáng)，其抗變形能力越強(qiáng)，同時錨固性能越好，越有利于錨桿錨固力學(xué)特性的發(fā)揮，且可更好地發(fā)揮錨桿預(yù)應(yīng)力的傳遞作用；裂隙巖體單軸抗壓強(qiáng)度越高，圍巖自承載能力越強(qiáng)，越能發(fā)揮錨桿的主動支護(hù)作用[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對注漿加固機(jī)理、技術(shù)及工程實踐等開展了諸多研究，分析了不同注漿方式的效果及適用條件，但主要仍以單一注漿方式為主[6-7]。由于深部巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)單一注漿方式難以保證圍巖控制效果，致使注漿加固后的巷道圍巖坍塌、冒頂事故時有發(fā)生。巷道圍巖注漿加固后仍產(chǎn)生坍塌、冒頂?shù)谋举|(zhì)在于傳統(tǒng)單一注漿方式不能滿足深部復(fù)雜地質(zhì)巖體可靠性能指標(biāo)的要求。

針對上述問題，本文提出一種深部巷道圍巖復(fù)合注漿加固技術(shù)。復(fù)合注漿加固技術(shù)包括注漿工藝復(fù)合和材料復(fù)合。注漿工藝復(fù)合是指根據(jù)煤巖體分區(qū)破裂特征，針對不同破裂區(qū)域的巖體選用不同的注漿工藝和參數(shù)。材料復(fù)合是指在進(jìn)行注漿加固設(shè)計時，根據(jù)圍巖破裂特征和裂隙分布規(guī)律選擇多種注漿材料，從而實現(xiàn)各注漿材料間的優(yōu)勢互補。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗地點選擇在山西晉城某礦的3210工作面，該工作面三側(cè)采空，屬于典型的孤島工作面。工作面平均埋深為680 m，3210回風(fēng)巷為沿空掘巷，煤柱寬度為15 m，巷道寬度為5.0 m、高度為3.4 m，沿頂掘進(jìn)，3210工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 3210工作面巷道布置Fig. 1 Roadway layout of 3210 working face

3號煤層厚5.5 m，為近水平煤層，單軸抗壓強(qiáng)度為11.50 MPa。直接頂為碳質(zhì)泥巖，厚2.12 m，直接頂巖性和厚度不穩(wěn)定，為典型的復(fù)合巖層頂板，頂板巖層平均單軸抗壓強(qiáng)度為22.30 MPa，巖層中富含膨脹性礦物成分，遇空氣易崩解、風(fēng)化。直接底為泥巖，平均厚度為13.18 m，單軸抗壓強(qiáng)度為20.5 MPa，層理發(fā)育，松軟破碎。3210工作面巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 3210工作面巖層柱狀圖Fig. 2 Rock stratum histogram of 3210 working face

測得3210工作面區(qū)域原巖最大水平主應(yīng)力為20.40 MPa，最小水平主應(yīng)力為10.54 MPa，垂直主應(yīng)力為17.39 MPa，屬高應(yīng)力區(qū)。

1.2 巷道變形破壞特點

3210回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中圍巖礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道從掘進(jìn)至回采期間一直未能穩(wěn)定，變形持續(xù)時間長達(dá)3 a。3210回風(fēng)巷掘進(jìn)和回采過程中呈現(xiàn)出如下特點：

（1） 巷道呈現(xiàn)整體變形破壞。巷道掘出180 d后，巷道斷面出現(xiàn)整體變形收斂，頂?shù)装逡平?.5 m，兩幫移近1.0 m。頂板大量錨桿（索）出現(xiàn)破斷，鋼帶、金屬網(wǎng)部分撕裂。

（2） 巷道變形持續(xù)時間長、變形劇烈。3210回風(fēng)巷從掘進(jìn)到回采完畢歷時3 a，巷道放置時間長，巷道放置過程中持續(xù)變形，圍巖一直未能穩(wěn)定，巷道多次返修后仍不能穩(wěn)定。巷道頂板累計變形量達(dá)1 200 mm，兩幫移近2 400 mm，底鼓量達(dá)3 100 mm。

（3） 圍巖破壞深度大，支護(hù)系統(tǒng)失效嚴(yán)重。頂板巖層破壞深度超過2 m，巷幫煤體破壞深度超過4 m，破壞深度超過頂板錨桿長度和巷幫錨索長度，導(dǎo)致部分錨桿和錨索錨固結(jié)構(gòu)失效，錨固結(jié)構(gòu)失效加劇了巷道圍巖變形，使巷道穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化。

2 復(fù)合注漿加固原理

2.1 深部巷道圍巖破裂區(qū)劃分及滲透特征

深部巷道掘出后，圍巖應(yīng)力釋放，巖體受力狀態(tài)發(fā)生改變，應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致圍巖由淺入深分別產(chǎn)生完全破碎區(qū)、破碎降低區(qū)、塑性硬化區(qū)和類原巖區(qū)。假設(shè)深部巷道等效半徑為a，塑性硬化區(qū)位于半徑為R和m的圓之間，破碎降低區(qū)位于半徑為m和f的圓之間，完全破碎區(qū)位于半徑為f和a的圓之間。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]可計算出4個分區(qū)的具體范圍，將深部巷道圍巖應(yīng)力曲線分為4個階段，如圖3所示。圖3中， σm為巖體峰值強(qiáng)度， σR為巖體屈服強(qiáng)度， σ*為 巖 體殘 余 強(qiáng)度， εep為類 原 巖區(qū)臨 界 應(yīng)變，εm為破碎降低區(qū)臨界應(yīng)變， εf為完全破碎區(qū)臨界應(yīng)變，α為應(yīng)變硬化系數(shù)，β為應(yīng)變軟化系數(shù)。

圖3 深部巷道圍巖應(yīng)力與破裂區(qū)Fig. 3 Surrounding rock stress and crack zonein deep roadway

深部巷道圍巖破裂區(qū)范圍計算公式[10]為

式中：η為擴(kuò)容系數(shù)；Pi為 支護(hù)應(yīng)力；P為圍巖原巖應(yīng)力；K為應(yīng)力集中系數(shù)。

根據(jù)式（1）-式（7），可計算3210回風(fēng)巷各分區(qū)的范圍。公式中部分參數(shù)要依據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果、煤巖體物理力學(xué)參數(shù)等手段確定，因篇幅限制，在此不過多敘述。巷道等效半徑為2.3 m，原巖應(yīng)力水平為16.10 MPa（三向應(yīng)力平均值），煤體抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分別為11.50，7.75，0.5 MPa。其他參數(shù)取值：擴(kuò)容系數(shù)η=1.4，應(yīng)變硬化系數(shù) α=1.55，應(yīng)變軟化系數(shù)β=3.7，應(yīng)力集中系數(shù)K=2.5，支護(hù)應(yīng)力Pi=0.1 MPa。3210回風(fēng)巷各分區(qū)范圍見表1。

表1 3210回風(fēng)巷各分區(qū)范圍Table 1 Crack zone range of 3210 return air roadway m

不同破裂區(qū)的注漿漿液滲透特性有明顯差異，根據(jù)漿液滲透特性，巷道圍巖又可分為高滲透區(qū)、中等滲透區(qū)和低滲透區(qū)：① 漿液高滲透區(qū)對應(yīng)巷道圍巖的完全破碎區(qū)。完全破碎區(qū)內(nèi)裂隙主要由巷道開挖產(chǎn)生，裂隙多垂直于巷道表面，裂隙開度大，發(fā)育程度高。該區(qū)域具有較高的漿液滲透性。② 漿液中等滲透區(qū)對應(yīng)巷道圍巖的破碎降低區(qū)和塑性硬化區(qū)。破碎降低區(qū)內(nèi)的圍巖主要受剪切破壞，微裂隙發(fā)育，但貫通性差，是高滲透區(qū)向低滲透區(qū)過渡的中間區(qū)域。塑性硬化區(qū)內(nèi)圍巖受到壓縮效應(yīng)，與破碎降低區(qū)相比，裂隙開度更低，但微裂隙發(fā)育。③ 漿液低滲透區(qū)對應(yīng)巷道圍巖的類原巖區(qū)。類原巖區(qū)受巷道開挖擾動較小，裂隙以原生裂隙為主，裂隙開度小，漿液滲透性極低。

根據(jù)3210回風(fēng)巷各分區(qū)范圍，可得高滲透區(qū)范圍為2.30～6.14 m，中等滲透區(qū)范圍為6.14～9.02 m，低滲透區(qū)范圍為9.02 m～∞。

2.2 復(fù)合注漿工藝

注漿工藝是保障注漿效果的重要環(huán)節(jié)之一，與深部巷道圍巖分區(qū)破裂特征相匹配的注漿工藝能提升注漿效果[11-12]。若注漿工藝與圍巖裂隙分布特征不適應(yīng)，不但浪費注漿材料，還達(dá)不到注漿加固的目的，影響注漿加固工程安全。

復(fù)合注漿工藝是指根據(jù)煤巖體分區(qū)破裂特征，針對不同破裂區(qū)的巖體選用不同的注漿工藝和參數(shù)。基于圍巖分區(qū)破裂特點，提出3步注漿工藝，即淺部低壓滲透注漿、深部高壓劈裂注漿和補充注漿。

第1步主要是對破裂煤巖體的完全破碎區(qū)進(jìn)行注漿加固。完全破碎區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，漿液滲透性好，適宜采用低壓、高濃度漿液進(jìn)行加固。通過第1步的注漿，使淺部圍巖漏漿通道封堵，從而為第2步注漿提供封堵屏障，有利于第2步注漿時漿液集中向深部擴(kuò)散。

第2步主要是對深部巖體的破碎降低區(qū)和塑性硬化區(qū)進(jìn)行加固。該區(qū)域裂隙發(fā)育相對較低，加上高地應(yīng)力的影響，漿液滲透性較差，漿液擴(kuò)散阻力大，適宜采用高壓、中等濃度漿液注漿。同時，要適當(dāng)增加注漿時間，以增加漿液擴(kuò)散范圍。

第3步主要是對注漿區(qū)域的補充或擴(kuò)大注漿范圍。由于深部圍巖單軸抗壓強(qiáng)度低、破壞范圍大，應(yīng)對其進(jìn)行補充注漿。補充注漿宜采用高壓、高分子注漿材料，由于破裂圍巖的宏觀裂隙和主裂隙已被漿液充填，漿液在微裂隙中滲透難度大，選擇高分子注漿材料有利于漿液擴(kuò)散。

2.3 復(fù)合注漿材料選擇

淺部圍巖裂隙主要是由巷道開挖擾動及開挖后期裂隙演化引起的，距離巷道圍巖表面越近，裂隙開度和密度越大[13]，漿液阻力越小，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。當(dāng)漿液顆粒粒徑大于裂隙開度一定數(shù)值時，漿液難以在裂隙中滲透，裂隙開度與漿液顆粒粒徑的匹配性嚴(yán)重影響漿液的滲透性能。

對于注漿技術(shù)而言，注漿材料選擇是關(guān)鍵。在進(jìn)行注漿加固設(shè)計時，要根據(jù)圍巖破裂特征和裂隙分布規(guī)律選擇多種注漿材料，從而實現(xiàn)各注漿材料間的優(yōu)勢互補。

（1） 深部破裂圍巖的高滲透區(qū)宜采用無機(jī)水泥注漿材料。高滲透區(qū)裂隙開度和密度大，與水泥漿顆粒粒徑匹配，漿液滲透性較好，在完全破碎區(qū)內(nèi)構(gòu)建破裂煤巖體的骨架結(jié)構(gòu)，可提高完全破碎區(qū)圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度和整體性。同時，由于完全破碎區(qū)裂隙發(fā)育，空隙率大，需要的注漿量大，采用無機(jī)水泥注漿材料可大幅度降低注漿成本。高滲透區(qū)可選用普通水泥和水玻璃雙液漿，漿液配比參數(shù)見表2。

表2 高滲透區(qū)注漿材料配比參數(shù)Table 2 Proportioning parameters of grouting materials in high permeability zone

（2） 深部破裂圍巖的中等滲透區(qū)宜采用超細(xì)水泥注漿材料。中等滲透區(qū)內(nèi)圍巖裂隙開度和密度減小，在高應(yīng)力作用下漿液滲透阻力增加，漿液滲透性能降低。傳統(tǒng)的水泥漿顆粒較大（直徑為30～100 μm），在中等滲透區(qū)內(nèi)擴(kuò)散困難。超細(xì)水泥漿液滲透性好，材料粒徑可降至5 μm以下，比表面積在800 m2/kg以上。AEF-J超細(xì)水泥材料具有快凝、滲透性好等特點，漿液在（0.6～1.2）∶1水灰比范圍內(nèi)流動性好。超細(xì)水泥凝固后單軸抗壓強(qiáng)度見表3，其中t0為水泥凝固后經(jīng)過的時間。

表3 超細(xì)水泥凝固后單軸抗壓強(qiáng)度Table 3 Uniaxial compressive strength of superfine cement after solidification

（3） 深部破裂圍巖的低滲透區(qū)內(nèi)宜采用高分子化學(xué)漿液進(jìn)行補注。低滲透區(qū)主要為類原巖區(qū)，圍巖中的裂隙主要為原生裂隙，裂隙開度和密度非常小，無機(jī)漿液滲透困難。此外，高滲透區(qū)和中等滲透區(qū)前期已經(jīng)進(jìn)行了水泥漿和超細(xì)水泥漿的充填，裂隙尺度也進(jìn)一步減小。此時，采用高分子化學(xué)漿進(jìn)一步注漿滲透和劈裂注漿，使由水泥和超細(xì)水泥漿液構(gòu)建的固結(jié)體的密度、完整性和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高，最終形成縱橫交錯的多種漿脈骨架復(fù)合結(jié)構(gòu)，大幅度提高深部破裂圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和承載力。高分子化學(xué)注漿材料不但滲透性強(qiáng)，對煤體的粘結(jié)能力也高，尤其適合于在煤體中使用。但由于價格高昂，用量要適當(dāng)控制。如天地101號加固材料屬于低發(fā)泡中高強(qiáng)度聚氨酯雙組份化學(xué)漿液，凝固后抗壓強(qiáng)度＞45 MPa，抗剪強(qiáng)度＞20 MPa，抗拉強(qiáng)度＞5 MPa。低滲透區(qū)注漿材料配比參數(shù)見表4。

表4 低滲透區(qū)注漿材料配比參數(shù)Table 4 Proportioning parameters of grouting materials in low permeability zone

2.4 注漿壓力參數(shù)確定

為了確定注漿過程中的注漿壓力和間排距，在3210回風(fēng)巷選擇典型地點開展注漿試驗。注漿鉆孔深度為8 m，采用封孔器進(jìn)行隔段封孔注漿試驗，注漿試驗段范圍分別為0～3，3～6，6～8 m，分別對應(yīng)高滲透區(qū)、中等滲透區(qū)和低滲透區(qū)，測試每一段時將鉆孔測試段兩端進(jìn)行封孔。注漿材料為普通水泥漿，漿液水灰比為1∶1，通過現(xiàn)場注漿試驗獲取深部破裂煤巖體不同區(qū)域的壓力（P）-流量（Q）-時間（t）特征曲線，如圖4所示。

圖4 裂隙煤巖體不同破裂區(qū)域P-Q-t特征曲線Fig. 4 P-Q-t characteristic curves for different crack zones of crack coal and rock mass

從圖4可看出，不同滲透區(qū)漿液的P-Q-t特征曲線明顯不同。高滲透區(qū)煤巖體注漿流量大，為4.5～12.5 L/min，壓力為2.1 MPa；中等滲透區(qū)注漿流量為0～10 L/min，壓力為6.4 MPa；低滲透區(qū)注漿流量為0～4.5 L/min，壓力為8.1 MPa。高滲透區(qū)注漿流量波動較大，主要是由于完全破碎區(qū)內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育，漿液以充填為主，同時注漿過程中淺部圍巖漏漿嚴(yán)重；中等滲透區(qū)以滲透注漿為主，注漿流量比較穩(wěn)定，注漿壓力也相對較高；低滲透區(qū)以劈裂注漿為主，注漿壓力高，注漿流量也出現(xiàn)一定波動。

通過現(xiàn)場注漿試驗，基本能夠確定不同圍巖滲透區(qū)的注漿壓力參數(shù)：高滲透區(qū)注漿壓力為0～2 MPa，中等滲透區(qū)注漿壓力為5～7 MPa，低滲透區(qū)注漿壓力為8～12 MPa。同時根據(jù)現(xiàn)場觀測孔中漿液滲透情況，也可以初步確定鉆孔間排距不宜大于3 m。

3 復(fù)合注漿加固方案

首先，根據(jù)復(fù)合注漿加固原理，結(jié)合現(xiàn)場試驗區(qū)域的地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果、煤巖體物理力學(xué)參數(shù)等，依據(jù)式（1）-式（7）計算得出3210回風(fēng)巷各破裂區(qū)的范圍；其次，根據(jù)各分區(qū)的范圍確定3步注漿工藝中各個鉆孔的深度；然后，根據(jù)各個分區(qū)中裂隙的發(fā)育程度和裂隙開度，選擇相應(yīng)的注漿材料；最后，根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗，確定不同破裂區(qū)的注漿壓力參數(shù)。3210回風(fēng)巷注漿加固方案如下：

（1） 第1步注漿參數(shù)設(shè)置。巷道頂部鉆孔采用“3-3”布置方式，鉆孔排距為3 m，間距為2 m，深度為3 m，直徑為42 mm，封孔長度為1 m，孔口埋孔口注漿管，孔內(nèi)下塑料射漿管，兩側(cè)鉆孔外偏15°，中間鉆孔垂直于頂板。巷幫鉆孔采用“3-3”布置方式，鉆孔深度為4 m，間距為1.4 m，兩側(cè)鉆孔外偏15°，中間鉆孔垂直于巷幫，其他參數(shù)與頂板鉆孔相同。注漿材料以普通水泥漿為主，漏漿采用水泥+水玻璃封堵。注漿壓力不大于2 MPa（壓力超過2 MPa停注），水灰比為0.8∶1，注漿過程中要實時查看煤壁變形情況，避免因注漿壓力過大破壞巷幫煤體或噴層。注漿順序為先兩幫后頂板。

（2） 第2步注漿參數(shù)設(shè)置。頂板注漿鉆孔采用“2-2”布置方式，每排鉆孔布置在第1步施工鉆孔的中部，鉆孔排距為3 m，間距為2 m，深度為5 m，直徑為42 mm，封孔長度為3 m，孔口埋孔口注漿管，孔內(nèi)下塑料射漿管，兩側(cè)鉆孔外偏10°，中間鉆孔垂直于頂板。巷幫鉆孔采用“2-2”布置方式，鉆孔深度為6 m，封孔長度為4 m，間距為1.4 m，兩側(cè)鉆孔外偏10°，中間鉆孔垂直于巷幫，其他參數(shù)與頂板鉆孔相同。注漿材料為AEF-J超細(xì)水泥，漏漿嚴(yán)重時可提高漿液濃度。注漿壓力為5～7 MPa，水灰比為1∶1，注漿順序為由下向上。

（3） 第3步注漿參數(shù)設(shè)置。第3步注漿主要目的是增加漿液固結(jié)范圍并補注前2步注漿的空白區(qū)域。頂板注漿鉆孔采用“1-1”布置方式，鉆孔排距為6 m，深度為7 m，直徑為42 mm，封孔長度為3 m，孔口埋孔口注漿管，孔內(nèi)下塑料射漿管。巷幫鉆孔采用“1-1”布置方式，位于巷幫中部，鉆孔深度為8 m，封孔長度為4 m，其他參數(shù)與頂板鉆孔相同。注漿材料為低發(fā)泡中高強(qiáng)度聚氨酯雙組份化學(xué)漿液（天地101號加固材料），注漿壓力為6～9 MPa，注漿順序為由下向上。

3步注漿工藝在空間和時間上要合理布置。當(dāng)圍巖破壞范圍淺、破壞程度不大時，可采用前2步注漿；當(dāng)圍巖破壞深度較大、支護(hù)結(jié)構(gòu)大量失效時，可采用3步注漿工藝。同時，各步注漿工藝要間隔一定時間，第1步和第2步注漿間隔時間為5～7 d，第2步和第3步注漿間隔時間為7～10 d。

4 復(fù)合注漿加固效果評價

注漿工程具有隱蔽性，注漿過程中難以判斷注漿效果，為了保障加固巷道的安全性并驗證注漿方案的科學(xué)性，采用多種注漿效果檢驗手段顯得非常重要。本文主要采用注漿加固巖體錨固力、注漿加固巖體單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖完整性3個指標(biāo)綜合判斷注漿加固效果。

4.1 注漿加固巖體錨固力分析

在3210回風(fēng)巷未注漿區(qū)域和注漿區(qū)域進(jìn)行錨桿錨固力測試，測試對象為巷幫錨桿。錨桿桿體為500號鋼材，直徑為22 mm，長度為2.4 m，用2種錨固劑加長錨固，錨固長度為1.2 m，測試曲線如圖5所示。

圖5 圍巖錨桿錨固力-位移曲線Fig. 5 Anchoring force-displacement curve of surrounding rock bolt

從圖5可看出，錨桿錨固力曲線大致可分為3個階段，分別為拉拔力升高階段、波動階段和衰減階段。從錨固力大小來看，注漿加固影響煤體錨固性能，采用復(fù)合注漿后煤體錨固力峰值達(dá)230 kN，超過了500號錨桿的屈服載荷；未注漿區(qū)域煤體錨固力峰值為94.4 kN，僅為復(fù)合注漿區(qū)域的41%。復(fù)合注漿區(qū)域漿液充填了煤體中原生裂隙，使巷道圍巖煤體力學(xué)性能提高，從而改善了錨桿錨固效果。復(fù)合注漿區(qū)域錨桿拉拔過程中的最大位移為32 mm，未注漿煤體最大位移為67 mm，復(fù)合注漿區(qū)域錨桿錨固力上升階段的斜率顯著大于未注漿區(qū)域，這說明注漿加固提高了圍巖抗變形能力，同時也增加了錨固結(jié)構(gòu)的彈性模量。

4.2 注漿加固巖體單軸抗壓強(qiáng)度分析

為了對比分析復(fù)合注漿和未注漿區(qū)域的巖體單軸抗壓強(qiáng)度，在3210回風(fēng)巷復(fù)合注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域采用觸探法進(jìn)行原位強(qiáng)度測試，分別測試2個區(qū)域的巷幫和頂板圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 圍巖單軸抗壓強(qiáng)度Fig. 6 Uniaxial compressive strengths of surrounding rock

從圖6可看出，復(fù)合注漿區(qū)域的頂板單軸抗壓強(qiáng)度和巷幫煤體單軸抗壓強(qiáng)度都得到了顯著提高。未注漿區(qū)域頂板和巷幫平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為45.70 MPa和18.87 MPa，復(fù)合注漿區(qū)域頂板和巷幫單軸抗壓強(qiáng)度分別為50.68 MPa和22.37 MPa。與未注漿區(qū)域相比，復(fù)合注漿區(qū)域頂板和巷幫單軸抗壓強(qiáng)度分別提高10.9%和18.5%。

整體來看，復(fù)合注漿后，兩幫煤體單軸抗壓強(qiáng)度提高幅度高于頂板圍巖，這主要是由于巷幫煤體破碎更加嚴(yán)重。復(fù)合注漿后，固結(jié)體的完整性和單軸抗壓強(qiáng)度增加相對比較顯著。總之，注漿漿液充填了煤體中原生裂隙，使巷道表面煤體力學(xué)性能提高，其不但能提高圍巖的錨固性能，也能提高圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度，從而提高圍巖的自承載能力。

4.3 圍巖完整性分析

聲波波速與圍巖完整性密切相關(guān)，圍巖完整性越好，波速越大。采用聲波檢測方法檢測圍巖完整性。由于巷道頂板巖層完整性相對較好，巷幫煤體更加破碎，加固難度相對更高，本次測試對象僅為巷幫煤體。分別在復(fù)合注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域打設(shè)1個鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，深度為6 000 mm，下傾5°，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 圍巖波速Fig. 7 Wave velocities of surrounding rock

從圖7可看出，未注漿區(qū)域圍巖波速為350～820 m/s，不同深度的圍巖波速不同，淺部3 m范圍內(nèi)圍巖波速波動大，波速較小，說明淺部圍巖裂隙較發(fā)育。未注漿區(qū)域巷幫煤體平均波速為651 m/s，復(fù)合注漿區(qū)域圍巖波速為500～880 m/s，不同深度的圍巖波速也顯著不同，但相對平穩(wěn)，各個測點波速差異不大，整體表現(xiàn)為淺部波速較低、深部波速較高。復(fù)合注漿區(qū)域巷幫煤體平均波速為750 m/s，與未注漿區(qū)域相比，復(fù)合注漿區(qū)域巷幫煤體波速提高15.2%。整體來看，復(fù)合注漿區(qū)域圍巖完整性更好，裂隙得到了有效充填。

注漿完成后，對巷道斷面表面位移量進(jìn)行觀測。觀測發(fā)現(xiàn)，注漿完成后初期頂板下沉、兩幫移近及底鼓的平均速率分別為1.2，2.3，3.5 mm/d。巷道表面變形速率未出現(xiàn)明顯下降趨勢，這主要是由于注漿初期漿液未完全凝固，圍巖抗變形能力還未能發(fā)揮，并且注漿也會適當(dāng)增加圍巖變形量。注漿完成20 d后，巷道頂板、兩幫基本保持穩(wěn)定，底板仍有持續(xù)變形，變形速率為3.0～5.0 mm/d。從注漿區(qū)域與未注漿區(qū)域圍巖變形速率和變形量來看，復(fù)合注漿加固技術(shù)取得了良好效果。

5 結(jié)論

（1） 復(fù)合注漿加固技術(shù)采用3步注漿工藝和3種注漿材料復(fù)合，高滲透區(qū)采用無機(jī)水泥漿液低壓滲透注漿，中等滲透區(qū)采用超細(xì)水泥高壓注漿，低滲透區(qū)采用化學(xué)漿高壓劈裂注漿。用復(fù)合注漿技術(shù)加固的破碎巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角及單軸抗壓強(qiáng)度顯著大于普通注漿固結(jié)體。

（2） 現(xiàn)場測試結(jié)果表明：復(fù)合注漿區(qū)域煤體錨固力達(dá)到230 kN，是未注漿區(qū)域煤體錨固力的2.44倍；頂板和巷幫圍巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為50.68 MPa和22.37 MPa，分別比未注漿區(qū)域圍巖單軸抗壓強(qiáng)度提高10.9%和18.5%；巷幫煤體平均波速為750 m/s，比未注漿區(qū)域巷幫煤體波速提高15.2%。與單一注漿方式相比，復(fù)合注漿加固技術(shù)效果更優(yōu)，保證了對深部破裂圍巖的有效控制。