晉北煤業過斷層破碎帶巷道圍巖注漿加固技術

薛小龍

(山西焦煤集團霍州煤電集團，山西 霍州 031400)

1 工程概況

晉北煤業5上-409 回采工作面主采5上煤層，工作面東部、南部與井田邊界保安煤柱相鄰；西部與5上-408 回采工作面相鄰，北部與四采區左翼皮帶巷和軌道巷相接。5上煤層位于石炭系太原組下端頂部，為兩頭高中間低的褶曲向斜構造，煤層走向為N99° S，傾向為WS，煤層傾角為1°～18°。煤層厚度2.5～9.5m，均厚4.8 m，煤層結構簡單，局部含1 層夾矸，夾矸厚度0.3 m，煤層賦存較穩定。煤層頂底板具體巖性情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

目前正在掘進5-4091 巷，主要用于工作面的進風及運煤，巷道沿煤層底板掘進，設計斷面為梯形，斷面上寬3.2 m、下寬4.8 m、高3.5 m，斷面尺寸14 m2，設計長度460 m。

根據三維地震勘探資料，5-4091 巷預計掘進至38.6 m 處揭露正斷層F151，斷層落差為2.5 m，斷層傾角為∠40°，傾向為SE 方向，預計影響巷道長度55 m。由于斷層帶應力復雜且影響長度較長，巷道掘進至斷層帶時，極有可能出現圍巖變形嚴重，甚至冒頂的現象。為保證巷道安全高效掘進，需對巷道過斷層帶的圍巖加固展開研究[1-4]。

2 漿液擴散規律分析

2.1 注漿加固機理

在巷道圍巖表面布置較密集的注漿孔及注漿管，先采用低壓淺孔注漿的方式對淺部圍巖進行封閉、加固，提高淺部破碎圍巖的完整性，并形成較密實的止漿殼，然后采用深孔高壓注漿的方式加固深部圍巖。深孔注漿時，淺部注漿形成的止漿殼可以有效防止漿液流出，且漿液帶有較高的壓力，可以有效充填并膠結圍巖內的節理裂隙，大大提高圍巖的承載性能，從而保證巷道的穩定性。為確定合理的注漿加固參數，需分析漿液在巷道圍巖中的擴散規律。

2.2 建立模型

巷道注漿加固時，漿液的擴散受漿液水灰比及圍巖裂隙等因素的影響，采用Comsol 數值模擬軟件分析不同因素對漿液擴散規律的影響。

根據5-4091 巷的實際工程地質條件，建立二維數值模擬模型，模型長50 m，寬50 m，巷道布置在模型中央，并在巷道頂板中線布置一個注漿鉆孔。根據煤層賦存深度，在模型上施加一定的均布載荷以模擬覆巖壓力，模型兩邊及底部施加位移邊界約束條件。模擬時假設巷道表面及模型四周為不可滲透的理想邊界，漿液充滿整個鉆孔，并向鉆孔周圍的巖體內擴散，漿液在鉆孔各位置的初始滲透壓力相同，圍巖體的容重取平均值為25 kN/m3。

2.3 漿液水灰比對其擴散規律的影響

將注漿壓力設置為3 MPa，圍巖裂隙張開度設置為1.5 m，漿液水灰比分別設置為0.8:1、1:1、1.5:1 及2:1，模擬分析不同水灰比下漿液隨時間的擴散情況，模擬結果如圖1。由圖1 可知，不同水灰比下，漿液的擴散距離隨著注漿時間的增加而增大。注漿時間達到100 s 后，水灰比為0.8:1 的漿液擴散距離為7.9 cm，水灰比為1:1 的漿液擴散距離為14.2 cm，水灰比為1.5:1 的漿液擴散距離為34.2 cm，其擴散距離分別為0.8:1 漿液及1:1 漿液的4.33倍及2.41 倍。表明漿液擴散距離在一定水灰比范圍內，會隨著漿液水灰比的增加而明顯增加。而水灰比為2:1 時，漿液整體的擴散距離遠小于水灰比為1.5:1 的漿液，其100 s 后的漿液擴散距離僅為19.8 cm。因此，確定合理的漿液水灰比應為1.5:1。

圖1 漿液水灰比對其擴散規律的影響

2.4 裂隙張開度對漿液擴散規律的影響

由于注漿加固漿液充填的目標即圍巖的裂隙，因此需研究分析圍巖裂隙的幾何特征對漿液擴散的影響。模擬時，注漿壓力設置為3 MPa，漿液水灰比為1.5:1（對應的漿液黏度取26.8 MPa·s），圍巖裂隙張開度由1 mm 以一定幅度逐漸增加至4 mm，增長間隔為1 mm。模擬結果如圖2。由圖2 可知，不同裂隙張開度下，漿液的擴散距離均隨著注漿時間的延長而增大，但在同一注漿時刻下，漿液的擴散距離隨著裂隙張開度的增加而增大，且裂隙張開度越高，漿液的擴散速率越快。注漿時間到70 s 時，裂隙張開度1 mm、2 mm、3 mm、4 mm 對應的漿液擴散距離分別為9.4 cm、17.5 cm、29.6 cm、34.3 cm，說明圍巖裂隙張開度對漿液擴散的影響程度較高。

圖2 裂隙張開度對漿液擴散規律的影響

3 過斷層巷道圍巖控制方案

3.1 注漿材料的確定

注漿材料的主要成分為水泥，通過室內試驗對普通水泥漿液及超細水泥漿液的基本性能進行了測試，測試結果見表2 及表3。

表3 超細水泥漿液基本性能

由于普通水泥的粒徑較大，制成漿液后難以注入裂隙張開度小于1 mm 的圍巖節理裂隙中，對于滲透率較低的巖層，其漿液的擴散滲透受限較明顯。而超細水泥是在普通水泥的基礎上進一步加工細磨制成，粒徑較小，能夠有效擴散至裂隙張開度及滲透率低的巖層中，因此注漿效果更好。

由表2 及表3 可知，相同水灰比下，超細水泥漿液的初始及終止凝結時間更短，且密實率更高，能更好地膠結穩固破碎圍巖，注漿效果更好。

3.2 破碎圍巖注漿加固方案

根據第2 節的分析結果，確定超細水泥漿液的水灰比為1.5:1。

在巷道頂板及兩幫施工注漿錨桿，淺孔、深孔注漿錨桿沿巷道掘進方向間隔施工，即一排為淺孔，下一排為深孔。其中，淺孔注漿錨桿的長度為1.5 m，并插入15 mm 內徑的注漿管，深孔注漿錨桿的長度為2.8 m，并插入15 mm 內徑的注漿管。

淺孔注漿錨桿及深孔注漿錨桿的布置形式一致。其中，頂板注漿錨桿的間距為700 mm，排距為1600 mm，每排施工5 根，靠肩窩處的注漿錨桿距巷道兩幫200 mm，并分別向外傾斜10°施工，其余均垂直巷道頂板施工；巷幫注漿錨桿的間距為1000 mm，每排布置4 根，排距為1600 mm，均水平施工。注漿錨桿具體布置方案如圖3。

圖3 注漿錨桿布置方案（mm）

注漿，采用水灰比1.5:1 的超細水泥漿液，先對淺孔注漿錨桿進行注漿，終壓為1.5 MPa，當注漿壓力達到1.5 MPa 或表面出現大量漏漿時，停止施工。待淺孔漿液凝結后，淺部圍巖止漿殼形成，再對深孔注漿錨桿注漿，終壓為4.0 MPa，注漿壓力達到4.0 MPa 后，停止注漿，完成圍巖的加固。

4 應用效果分析

為分析破碎圍巖加固支護方案的應用效果，在5-4091 巷過F151 斷層破碎帶區域布置測點，采用加固技術后巷道過斷層時圍巖變形，監測結果如圖4。

圖4 巷道位移監測曲線

由圖4 可知，過斷層時巷道圍巖初期變形速率較大，變形量持續增長；注漿加固后，圍巖變形在20 d 后逐漸趨于穩定。監測期間，頂板累計下沉量為50.2 mm，兩幫累計移近量為72.1 mm，最大底鼓量為38.9 mm，均在允許變形范圍內，圍巖穩定性較好，保證了巷道安全高效地通過斷層構造帶。

5 結論

1）通過Comsol 數值模擬軟件模擬分析了漿液的擴散規律，得出合理的漿液水灰比應為1.5:1，且圍巖裂隙張開度對漿液擴散的影響程度較高。

2）通過室內試驗對普通水泥漿液及超細水泥漿液進行了測試，得出超細水泥漿液的注漿效果更好，故采用超細水泥漿液進行圍巖注漿加固。

3）設計了深、淺孔注漿錨桿交替注漿加固的方式，現場應用結果表明：巷道掘進過斷層后，頂板累計下沉量為50.2 mm，兩幫累計移進量為72.1 mm，最大底鼓量為38.9 mm，均在允許變形范圍內，巷道穩定性較好。