立體聯合注漿加固技術在動壓巷道支護中的研究與應用

呂源

（冀中能源峰峰集團有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

國內外比較先進的支護理論主要有3 個。新奧法理論提出“在進行工程圍巖穩定時，必須了解原巖應力及開挖后的巖體強度變化”和“節理裂縫對巖體工程穩定的作用”；應變控制理論，圍巖的變形隨支撐結構的增加而減小，而允許的應變則隨著支撐結構的增大而增大，采用增設支護結構，可以使圍巖變形在允許范圍之內；董方庭等提出松動圈學說，將圍巖開挖時產生的松動區稱作圍巖松動區，認為圍巖開挖后圍巖松動區的支護是以破裂（擴展）力為主的支護，支護的目的是控制這種破壞（擴展）力所造成的破壞變形，其困難程度可通過定量的圍巖強度和地應力參數來表示。

灌漿加固的機制主要是：①加固巖體的裂縫，裂縫填充后，裂縫端部的應力分布明顯減小，甚至消失，從而使裂縫擴展和破壞機理發生變化，并對其流變變形起到抑制作用；②對巖體表面的應力狀況進行了改進，注漿壓力消失后，采用錨噴支護，使其在巖體上的受力得到了進一步的加強，由此，可有效地改善圍巖的應力狀態，提高其強度，并且圍巖得到了較好的穩定。

1 概 況

羊東礦礦井埋深大，礦壓顯現明顯。隨開采的影響，礦井每年需整修巷道工程量近5 000 m，尤其是作為生產采區的開拓、準備巷道，每次翻修不僅占用開掘隊伍、花費大量資金，影響礦井生產地區銜接，制約企業發展。為解決這一問題，該礦在五二軌道上山錨網噴索支護的基礎上，應用壁后注漿加固技術，采用淺層注漿孔與深層注漿錨桿結合注漿，提高巷道整體穩定性。通過合理的后期監測手段對注漿效果進行評價并對注漿參數進行調整，降低了工程巷道翻修率。

2 聯合注漿加固技術

2.1 巷道布置及支護情況

五二采區為礦井目前主要生產采區，正在回采8270 工作面，深部還有8471、8268 兩個工作面尚未回采。采場的準備模式是2 煤層和4 煤層的聯合布置，采用單側向采煤。從工作面向下的順序為軌道上山、皮帶上山、回風上山（圖1）。預計采區準備巷道剩余服務年限至少為8 a，所以降低該巷道維修率、延長周期對礦井有重要意義。

圖1 巷道布置Fig.1 Roadway layout

五二軌道上山擔負五二軌道運輸及行人任務。巷道高度-587～-747 m，深度650～790 m，在2號煤底板和4 號煤頂板之間，采用穿層式方法掘進。煤巷圍巖主要為粉砂巖、頁巖，巖體間夾雜著泥質條帶，巖體易吸水、膨脹。巖體橫向、縱向節理較發育，具有脆性，易風化片落。巖石中局部透鏡狀結核特別發育，結核與圍巖膠結強度低，極易片落。煤巖層為單斜構造，傾角6°～26°，局部斷層發育，斷層走向與巷道方向夾角30°～70°。

巷道原支護形式為錨網噴索聯合支護，局部巷段采用套加可縮性U36 鋼支架補強支護。錨固采用高強度左旋錨，直徑為22 mm，長2 000 mm，每列間距700 mm。錨索采用直徑21.6 mm、長7 000 mm 的鋼絞線，間距為1 400 mm，每列5 個錨纜，噴射混凝土強度C20，噴射層厚度100 mm。

2.2 巷道破壞情況及原因分析

2.2.1 巷道破壞情況

采區竣工后，巷道圍巖受力難以達到穩定狀態，變形破壞嚴重，距工作面較近側的軌道下山表現尤為明顯。其特征為底板隆起，隨后兩幫開裂，內擠收斂，頂板下陷，變形后斷面形狀表現為馬蹄狀。巷道圍巖的變形初始速度較快，變形不斷，較難保持穩定。兩組初始最大收斂速度為12 mm/d，持續變形速率1.5 mm/d 左右，導致巷道維修周期短。

2.2.2 巷道破壞原因分析

（1）拱正頂部出現砼層開裂，金屬網折曲錯斷，巷道破壞形式明顯體現出巷道受水平應力遠大于垂向應力。

（2）底鼓嚴重，伴隨拱基線以下呈曲線內擠收斂，尤其底腳處兩幫移近量大，經多次擴刷、臥底整修后，造成巷道底腳圍巖完整性破壞。

（3）巷道圍巖巖性的主要成分是泥質粉砂巖和頁巖，巖石強度弱，單軸抗壓強度低，巷道埋深大，屬于工程軟巖范疇，巷道圍巖具有流變性。

（4）錨索拉斷、脫落，錨桿無明顯破壞，因錨索延展率小，讓壓空間不足，不能適應圍巖的劇烈變形。

2.3 聯合注漿方案

根據上述分析，決定采用深淺孔聯合注漿加固配合錨網噴索支護技術應用于五二軌道上山整修施工。由于巷道多次整修，圍巖本身破碎嚴重、裂隙發育，尤其底腳圍巖整體性破壞極其嚴重，所以要求淺孔注漿盡可能緊跟整修頭；深部注漿滯后，利用注漿錨索進行施工。

2.3.1 注漿參數

（1）淺孔注漿參數。

注漿孔間距1 400 mm，排距700 mm，孔深3 000 mm，孔口管采用1.2 吋鋼管，長度為600 mm，外端頭處50 mm 為連接絲扣。兩底角注漿孔與巷道底板呈下斜45°打設，其余注漿孔均垂直于巷壁。注漿孔滯后整修工作面迎頭10 000 mm。注漿以水泥漿料為主，采用42.5 等級的一般硅酸鹽水泥，按質量比（0.7～1）∶1 的比例進行注漿，當注漿量較大時，應增加其濃度。

（2）深孔注漿參數。

利用中空注漿錨索進行深孔注漿，錨索的規格為φ22 mm×7 500 mm，其間排距為1 200 mm，每排布置7 根注漿錨索，錨索鉆孔孔徑32 mm，孔深7 200 mm，每孔注2 支Z2850 型樹脂錨固劑。注漿錨索滯后工作面迎頭30m。

采用混合灌漿料，即525 水泥按1∶2 比例配制水灰比，再摻入8%ACZ-I 灌漿助劑。

2.3.2 淺孔注漿施工技術

（1）根據間距的需要，在指定眼位上打洞。注漿采用水泥漿料，采用42.5 等級的一般硅酸鹽水泥，按質量比（0.7～1）∶1 的比例進行注漿，次序從下往上，濃度隨量增大。

（2）在注漿前，將注漿管進行注水沖孔，每次鉆孔至少需要10 min 以上。間歇注漿，間隔30 s。在灌漿壓力為3～4 MPa，維持20 min 后，關閉閥門，完成灌漿并及時封閉，防止漿液外泄。

（3）注漿泵的控制。根據巷道情況，適時啟動、停用注漿泵，并時刻關注注漿泵的灌漿壓力，防止出現堵管、崩塌、漏漿現象。掌握灌漿流量、灌漿壓力，及時拆除、清除灌漿閥門、管線。另外，管口絲扣連接要緊固嚴密。

（4）應嚴格按設計的部位、角度安裝注漿管道并施工。在注漿期間，當壓力達到1.5 MPa 時，泵不能停止。嚴格按照規定比例進行混合。在井下發生大量的泥漿滲漏時，應在注漿前先堵塞一段時間。保留每次的灌漿記錄。

2.3.3 中空錨索注漿施工工藝

（1）鉆注漿錨索孔。鉆頂的位置是設計位置，運用的工具是錨桿鉆機，幫錨索直徑32 mm。鉆孔深度較注漿錨長度短300 mm。

（2）安裝注漿錨索及封孔。將2 根K2850 樹脂錨固劑用空心錨繩緩慢推進到鉆孔內，再用錨桿機械進行攪拌，用足夠棉絲在距錨索外端（注漿口端）500～800 mm 處順時針纏繞錨索表面,在鋼索與孔壁間填塞嚴密，用水泥迅速封閉。然后再裝入托盤，不要預先壓緊，待注漿完畢后再進行預緊。

（3）配料。將混合桶用清水沖凈，按一次灌漿孔的數量決定，按照1∶2 的水灰比，同時加入水和525 號水泥并進行攪拌，水泥的添加應緩慢連續。在此期間，添加8%acz-i 灌漿料，并持續攪拌5 min。

（4）注漿。為防止鉆孔崩塌，注漿效果不好，應在相同的排錨索完成后，馬上進行注漿。卸下錨栓，將注漿設備與錨桿末端的內螺紋相連接，慢慢旋緊注漿設備，并檢查與注漿泵相連的注漿管道是否通暢。注漿要緩慢，在攪拌過程中要進行灌漿。在灌漿過程中，攪拌的速率會降低。注漿時，若聽到灌漿泵有低沉響聲，則表示注漿泵的壓力已經達到最大（7 MPa)，說明漿已注滿。可關掉注漿泵，等2～3 min，再用另外的纜繩注漿，直至注滿。

2.4 施工質量監控及補充措施

壁后注漿施工隱蔽性強，必須加強施工質量與注漿效果監控，此次應用1 臺TYGD 型巖層鉆孔探測儀來對巷道圍巖裂隙變化情況和注漿效果進行仔細觀察。

每10 m 施工1 組探孔，分別位于巷道頂部及兩幫腰線位置，利用巖層鉆孔探測儀對注漿效果進行觀測，發現原位于淺孔中間局部區域未能有效充填。經分析巷道為穿層布置，圍巖中沿巷道走向裂隙連通性差。為此，每兩排淺孔間再增加一排進行二次注漿，注漿參數與第一次相同。再次進行效果檢驗時，充填效果良好。

3 應用效果分析

為檢驗注漿加固效果，淺孔注漿施工完成后，建立巷道變形監測站。觀測站要求間距30～40 m，設立觀測站時，距整修工作面迎頭不超過20 m。

利用“雙十字法”觀測了巷道表層圍巖的收斂性變形。觀測站各設6 個測點，分別位于拱頂中線位置、兩幫拱基線位置、兩幫腰線以下1.0 m 位置，底板中線位置（圖2）。

圖2 測量基點布置Fig.2 Arrangement of measurement base point

觀測時，利用線繩、刻度尺等對量測指標OA、OC、OB、OD、O1F、O1E 進行準確測量，觀察儀器會自動讀出所需數值。比較實測數據與原始數據，可以獲悉頂板的下沉量、底膨量、兩幫變形量等數據，經過60 d 連續觀察，巷道兩側最大位移為80～100 mm，主要是巷道底部的變形比較大，頂板位移在100～130 mm，以底部鼓包為主，且巷道沒有欠皮裂縫，滿足運輸行人要求。隨臨近工作面推采至停采線附近，超前壓力影響下巷道未出現劇烈變形，除相對應巷段出現砼層開裂，金屬網并未見剪斷、撕扯，只需簡單找頂即可。

4 結 語

聯合注漿加固技術在五二軌道上山整修中的應用結果表明，支護強度達到預期要求，使該巷道整修周期由8 個月提高到3 a。此次整修巷道工程量共計550 m，每米巷道整修按7 500 元計算，減少2 次翻修可為礦井節省費用412.5 萬元。同時，該項技術降低了巷道翻修率，為礦井安全生產和可持續發展打下良好基礎，可在類似破碎圍巖及動壓巷道掘進和整修施工中推廣。