深淺耦合注漿技術在松散破碎圍巖中的研究與應用

吳方超

（冀中能源股份有限公司章村礦，河北 邢臺 054100）

引言

章村礦-200 井底車場位于-200 水平4224 采區上部，2004 年由于所在層位為松散破碎巖層，加上附近工作面采動影響，巷道變形非常嚴重，不得以進行了多次返修，主要采用鋼筋混凝土與錨噴聯合支護并對底板實行澆筑底拱后又套環形U 型鋼加固。但由于采動影響，巷道變形嚴重并進行了多次返修，巷道圍巖已松散破碎，自持力和支撐力已基本消失，且鋼筋混凝土碹體力的傳遞也不均衡。導致巷道的使用斷面逐年減小，變形速度也逐漸加快（根據觀測站數據顯示，該巷道最大變化量為1.8 mm/d），現巷道尺寸為2.8 m×1.8 m（寬×高），已無法滿足正常使用。

1 工程概況

章村礦-200 井底車場所在層位為松散破碎巖層，2007 年該處受到采動影響，不得已進行多次整修，導致巷道圍巖破碎，上覆巖層本身自持力和支撐力已基本消失，久而久之造成U 型鋼碹箍多數扭曲變形，2021 年10 月，已逐步開始對該處整修。現已整修約45 m，整修后巷道毛斷面規格為4.6 m×3.4 m（寬×高），凈斷面規格為4.2 m×3.2 m（寬×高）。整修時先采用錨網索支護然后再套39U 型鋼加強支護。由于圍巖的松散破碎，導致多數錨桿錨固力無法達到設計要求，且上覆巖層及圍巖對U 型鋼結構的應力加大和著力不均，嚴重影響著巷道的使用年限。

2 -200 井底車場變形破壞特征分析

2.1 上覆巖層壓力

地殼內的巖體未經采動前處于原巖應力平衡狀態，在地表深處的巖體單位面積上所承受的垂直壓力為上部覆蓋巖層的質量。當在地下開掘了各種巷道后，破壞了原巖的應力均衡狀況，使巷道四周的巖體在一定區域內應力重新分布。

章村礦-200 井底車場位于區域向斜軸一側，直接埋深達370+m，地質構造較為復雜，區內有多條縱橫交錯的斷層，斷層走向為NE 及NW 向，落差0.3 m～2.8 m，本區域實測地應力較大，達18 MPa。巷道穿層布置，自2#煤頂板19 m 處到底板8 m 處。2#煤直接頂為復合頂板，夾有多層煤線，軟硬互層,巖性大部分為砂質泥巖及粉細砂巖，層理極其發育，分層厚度為0.2 m～1.0 m，且巖石結構松軟，煤層頂板張性裂隙發育，巖石較破碎；煤層底板為黑色泥砂巖,泥質膠結,硬度較低。由于煤層頂、底板松軟破碎，軟硬互層交織，作為穿層巷道的西翼工程圍巖條上覆巖層壓力大，當支護結構不能承擔該作用的載荷時，就會造成支護結構的破壞變形。

2.2 U 型鋼碹箍的破壞分析

-200 井底車場經過多次整修，圍巖變得松散破碎，同時對深部圍巖也產生了擾動影響。現環形U 型鋼自身強度和承載外力較大，但對于地層深部的任何構筑體，其自身的強度和承載上覆巖層的壓力都顯得微乎其微，只有構筑體的外力平衡才能保持其較長時間的穩定[1]。

環形U 型鋼為鋼性結構并且為被動承載受力體。由于環形U 型鋼支設完畢后未與圍巖體嚴密貼合，尤其是頂部有較大的孔隙，只有圍巖變性破壞產生較大位移后才慢慢發揮作用，加上鋼體周邊與圍巖表面呈不規則的點、線接觸，使得鋼體與圍巖的相互作用產生變形和來壓不均現象，這都是導致環形U 型鋼不均勻受力而產生破壞的主要原因。

3 耦合注漿加固機理

對于-200 井底車場巷道破碎機理發育、松軟破碎的圍巖，高標水泥漿的注入能夠明顯改善松動圍巖的物理力學性質；通過外力作用將高標水泥漿液充填到松動巖體的孔隙當中，將其重新膠結成一體，從而提高了-200 井底車場巷道煤巖體的整體強度和穩定性。同時高標水泥漿的注入還可為錨桿、錨索提供可靠的著力基礎，漿液將錨桿錨索與鉆孔間隙、周圍巖體的縫隙全部充填滿，使錨桿、錨索對破碎圍巖的錨固作用得以發揮，做到控制巖體變形和位移從而使巖體與支護同時達到新的平衡狀態，避免了頂板離層、巷道冒頂事故的發生，就猶如大自然中樹和根一樣，根扎的越深根基越牢固，起到多重固結作用，使錨桿受力傳遞的可靠性和連續性得以充分保障，大大提高支護效果。加固原理示意見圖1。

圖1 加固原理示意圖

1）從圍巖的物理力學性質角度來看，漿液的注入能夠明顯改善-200 井底車場巷道；高標號的水泥漿液注入到巷道圍巖體的孔隙之中，使破碎圍巖體重新膠結粘成一體，以此提高了巷道圍巖體的整體強度和穩定性[2]。

2）高標號的水泥漿液能夠充分地將巷道圍巖與錨桿（錨索）接觸，將桿體與鉆孔之間的空隙、周圍巖體的裂隙悉數充填滿，就如同樹木的主根和根須共同固結作用一樣，構成所謂的“網絡”效應，大大提高支護效果，從而使-200 井底車場巷道錨桿受力傳遞的可靠性和連續性得以充分保障。

3）-200 井底車場巷道圍巖注漿完成后，隔斷了桿體與地下水、空氣三者之間的聯系，其作用可以徹底阻止錨桿、錨索的銹蝕氧化反應，保證了錨桿、錨索的長期錨固能力，使-200 井底車場巷道圍巖支護體系的穩定性得到保證。

4 耦合注漿技術方案

為保證注漿效果，對整修后的巷道先進行噴砼封閉，要求厚度不小于100 mm。巷道頂板采用深淺孔交替注漿法在該處頂板中間以及兩側打孔安裝注漿管：

第一循環：沿-200 井底車場由外向里按排布置淺孔注漿管，排間距為3 000 mm、1 600 mm，每排7 個孔，垂直頂板布置。鉆孔直徑32 mm，深度2 500 mm。由于壁后空隙較大，而且表層噴漿體抵抗力較弱，選定注漿壓力不大于2 MPa，且注漿量不超過1 t。

第二循環：沿-200 井底車場由外向里按排布置深孔注漿管，排間距為3 000 mm、1 600 mm，每排4 個孔，垂直頂板布置。鉆孔直徑32 mm，深度8 500 mm。注漿壓力不大于6 MPa。且注漿量不超過1 t 水泥。具體注漿孔布置如圖2～圖5 所示。

圖2 頂板注漿孔布置平面圖（單位：mm）

圖3 巷幫注漿孔布置圖（單位：mm）

圖4 -200 井底車場淺孔注漿布置圖（單位：mm）

圖5 -200 井底車場深孔注漿布置圖（單位：mm）

-200 水平車場注漿加固施工注意事項：車場巷道進行打眼、埋管、封孔等作業時，應在注漿施工前檢查周圍人員、車輛的安全狀況，檢查施工地點的頂板維護情況；施工前，車場巷道施工處首先要敲幫問頂，排除掉頂板浮矸危石后再打眼；車場巷道打鉆和注漿時，現場施工人員要求全程佩戴防護用品，比如防護眼鏡、橡膠手套等；注漿前方察看人員要站在注漿施工現場6 m 以外，遠距離察看，佩戴好相應防護用品，并能夠隨時與注漿泵人員取得聯系，與打鉆、注漿無關人員禁止進入施工區域；注漿泵注漿人員要時刻關注注漿泵的壓力和漿液池中漿量的變化，保證高標號水泥漿液不被吸空，配漿液時，要保證漿液的配比適中；車場巷道注漿時，只要發現有車場巷道區域及其附近圍巖出現松動、掉渣、跑（漏）漿或者注漿泵突然沒有注漿壓力等情況發生時，應馬上停止注漿，查看異常情況，并及時處理，異常情況解決后，方準恢復注漿施工。

5 應用效果分析

章村礦-200 井底車場共設3 個觀測站，通過觀測數據對比發現注漿前-200 井底車場巷道頂底板變化平均速度為3.5 mm/d，兩幫變化平均速度為2.0 mm/d。注漿后巷道頂底板變化平均速度為0.22 mm/d，兩幫變化速度為0.51 mm/d。分析：注漿后與注漿前頂底變速率約為1/15，兩幫變速率約為1/3。根據施工區域觀測分析認為，注漿后主要表現為巷道底鼓嚴重。

6 結語

實踐證明章村礦-200 井底車場采用深淺耦合注漿方式加固圍巖松動圈支護效果良好。形成的深淺雙層支護圈能夠提高圍巖自身支護強度，保證巷道長久的正常使用。采用該支護技術-200 井底車場巷道圍巖形成了一個結構及力學上相互耦合的支護整體，擴大了巷道支護結構的有效承載范圍，提高了巷道支護結構的整體性和承載能力，為類似條件下巷道支護技術提供了寶貴經驗。