破碎圍巖巷道注漿關鍵參數確定及應用

晁紅彬，陳召，王輝

1.河南永錦能源有限公司，河南禹州，461670；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作，454000

0 引言

近年來，隨著礦井開采深度和強度的加劇[1-3]，巷道受不規則構造應力的影響較大，巷道周圍非對稱變形嚴重[4-6]。如果采用不合理的加固措施，會導致原本就發育的裂隙巖體持續發育，難以發揮錨固體的錨固作用，使得巷道控制變形的難度增加[7-9]。目前針對此類型巷道，注漿加固是一種應用成熟且有效直接的技術手段。張農等[10]統計了巷道的肩窩處破壞、一般內擠的多種非對稱破壞形態，提出采取錨桿索+注漿的支護方式使圍巖封閉，構造完整全斷面的支護體系。李明遠[11]等分析了破碎圍巖巷道的變形破裂特征，提出以“中空注漿錨桿索”為核心的深—淺耦合全斷面錨注支護技術，并通過注漿效果評價手段檢驗了此支護技術可以有效控制破碎圍巖巷道的變形破壞。翟新獻[12]等以平頂山八礦丁四采區軌道下山為工程背景，分別對比了錨噴和錨注支護方案下巷道差異化的變形破壞機理，最終采用效果更優的錨注支護方案成功抑制了巷道的變形。黃耀光[13]對于錨注漿液滲流機理進行了深入研究，分析得到巖體破碎程度、應力分布、注漿壓力、時機和注漿間排距這些參數都對漿液的擴散范圍有一定的影響。

目前，由于注漿參數的設計大都采用經驗類比的方法，不同地質條件下的注漿效果也千差萬別。本文以云蓋山一礦23采區泵房聯絡巷為工程背景，通過室內試驗和經驗類比的方法確定了合理的注漿參數，以期達到確保巷道穩定的目的，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況和注漿支護方案

1.1 工程概況

云蓋山一礦23采區東翼泵房聯絡巷布置在煤層頂板之上30～50m范圍，標高-330m，埋深大約為660m，掘進過程中依次穿越巖層為砂質泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖。掘進傾角12°～25°，平均18.5°，設計巷道斷面形狀為直墻半圓拱，凈寬、高分別為5.0m、4.3m。巷道頂板以砂巖層為主，夾雜粉砂巖層，底板含有砂質泥巖，強度略低。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

通過現場調研和鉆孔窺視結果如圖1可知，巷道的頂板呈現淺-中-深部破碎范圍分布不均勻，兩幫呈現出非對稱變形破壞特征，上幫砂質泥巖受到擠壓涌入巷道空間，下幫變形量相對較小，底鼔嚴重，底板中部凸起，不同巖性段變形存在差異，導致交匯處出現不協調變形現象。

圖1 巷道斷面變形特征及素描圖

1.3 巷道注漿支護方案

根據巷道概況和變形特征分析，非對稱變形與層理、節理的不均勻分布密切相關。采取中空錨桿索淺深部和高低壓相結合的注漿方式對破碎巖體節理和巖層層理進行膠結，高強度錨網索進一步將膠結后的層理、節理進行擠壓加固的支護思路設計“高強錨網索+中空注漿錨桿索”全斷面聯合支護方案，如圖2所示。

圖2 巷道全斷面支護參數圖

（1）頂板及兩幫：高強錨桿間排距800×800 mm，底角高強錨桿偏移角度15°；注漿錨索全斷面布置3根，在頂板中心布置1根，每側第2根距中心線間排距為1400×1600 m，注漿錨桿以巷道中線向兩側對稱布置，一側各4根。拱基線以上第1根注漿錨桿離巷道中線間排距1200×1600mm；第2根依次向下布置間排距為1400×1600mm、其余2根間排距1600×1600 mm，底角注漿錨桿偏移角度45°。

（2）底板：底板預注漿鉆孔間距為1600 mm，間隔1600 mm布置1排，巷道兩底角的錨桿偏向巷道幫部15°，底板中間的錨桿垂直底板布置；底板注漿錨索垂直于底板布置，錨索間排距1600×1600 mm。

2 注漿關鍵參數研究

2.1 水灰配比

注漿材料選擇CGM超細水泥，其水灰配比對于錨注工藝而言是一項重要的參數，合理的水灰配比不僅能最大程度地提高漿液的固化強度，而且對于漿液合適的凝結時間和滲透的流動性也是十分重要的。

（1）流動性測試實驗。分別對比水灰配比為1:1、1:2、1:3的注漿材料析水量統計結果如圖3所示。

圖3 CGM超細水泥不同水灰配比析水量

分析試驗結果可知，水灰比越小，漿液充分攪拌靜置后離析出的水越少，當水灰比為1:1時，有少量水析出；水灰比為1:2時，漿液表面有極少水析出；水灰比為1:3時，漿液表面無水析出，水灰比=1:2時漿液的流動速率最理想。

（2）漿液固結體強度。漿液固結體強度是漿液很重要的一個性質，對破碎圍巖體進行注漿加固，要求漿液固結體具有較高的早期、后期強度，來確保加固體的強度、漿液固結體與錨桿的粘結強度。

分別對比水灰配比為1:1、1:2、1:3的水泥漿固結立方體試塊3 d、8 d齡期的抗壓強度。測試結果如圖4所示。

圖4 不同水灰配比下水泥漿固結體抗壓強度測試結果

綜合兩種實驗結果分析，CGM超細水泥雖然水灰比為1:3時固結體強度最高，但其析水率最小。綜合確定合理的水灰比在1:2 ～1:3之間，可以根據現場應用情況進行微調。

2.2 注漿壓力

注漿壓力是確保漿液的滲透范圍是否可以覆蓋圍巖破碎區域、松動圈的大小的重要參數，防止壓力過大導致脆弱的巖石被高壓劈裂破壞，或者壓力較小無法達到理想的加固范圍。鑒于23采區泵房聯絡巷圍巖破碎程度的差異化現象，注漿壓力根據經驗類比結合實際情況進行差異化設計，圍巖較完整的巷道右側注漿壓力在1.0～1.5MPa之間；圍巖較破碎的巷道中線左側至少采用1.5～2.0MPa之間的注漿壓力。

3 現場應用效果分析

將設計的注漿支護參數運用到23采區泵房聯絡巷的實際施工中，并通過現場調研的手段完善優化注漿施工的工藝來確保注漿效果，最后采用礦壓監測手段來分析支護效果。

由監測結果根據可知，1#測站監測數據結果顯示，兩幫移進量在200mm左右，頂底板移進量在70mm左右；2#測站監測數據結果顯示，兩幫移進量約為150mm，頂底板移進量為75mm左右。

4 結論

（1）根據巷道兩幫破碎范圍不均勻、頂板非對稱變形破壞的特征，采取中空錨桿索淺深部和高低壓相結合的方式對破碎巖體節理和巖層層理進行膠結，加固圍巖。

（2）通過室內試驗和經驗類比法確定CGM超細水泥合理的水灰比在1:2～1:3之間，圍巖較完整的巷道右側注漿壓力在1.0～1.5MPa之間；較破碎的巷道中線左側至少采用1.5～2.0MPa之間的注漿壓力。

（3）通過現場礦壓觀測結果表明，注漿后的巷道變形得到控制，頂板下沉量穩定在70mm左右，兩幫移近量穩定在175mm，加固效果明顯。