注漿加固支護在破碎帶及軟弱巖層中的支護實踐

李鴻維 毛加寧 龔留飛

（1.云南能源職業技術學院，云南 曲靖 655000；2.富源縣打磨塘煤礦，云南 富源 657200）

曲靖市富源縣打磨塘煤礦的含煤地層巖性以泥質粉砂巖、菱鐵質粉砂巖等為主，為軟弱巖層，礦井斷層多，構造破碎帶煤層頂底板節理裂隙發育、破碎、穩定性差，傳統的梯形礦工鋼支架、U 型可縮性支架、錨網帶錨索等支護存在巷道支護成本高、支護效果不理想、巷道維護困難、維護成本高、安全隱患多等問題。針對上述問題，經過多年對煤層頂板穩定性等進行綜合分析研究，不斷總結注漿加固支護技術和調整注漿參數[1-6]，確定注漿壓力、注漿孔布置方式、間距等注漿加固支護相關參數，解決煤礦多年在破碎帶及軟弱巖層中的支護效果不理想的問題，達到有效支護巷道的目的。

1 概況

打磨塘煤礦礦井范圍內地層由老至新主要有：二疊系上統峨眉山玄武巖組（P2β）、龍潭組（P2l1～P2l3）；三疊系下統卡以頭組（T1k）、飛仙關組（T1f1～T1f5）；第四系（Q）。龍潭組是區內主要含煤組，巖性為灰綠色粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖，夾菱鐵巖薄層。

礦井范圍內地質構造主要以斷裂構造為主，褶皺構造相對發育。區內斷層以正斷層為主，斷層破碎帶寬5～20 m，巖石破碎，斷層角礫發育，多為泥質膠結物，力學強度較低，與地層走向斜交的斷層破碎帶一般不發育，但次生裂隙較發育，巖石的力學強度相對較低。

2 注漿支護方法及參數確定

2.1 注漿加固支護與圍巖結構關系

注漿加固支護就是通過注漿填充地質構造弱面，改變圍巖的自身結構，使破碎巖體和松散巖體變為近似塊狀結構和整體結構的巖體，提高整體巖體的自承能力，改善巷道的支護效果，確保巷道的穩定性。多數礦井雖然也采取了注漿技術，但巷道支護效果仍然不理想，這主要是注漿參數選取不合理所致。注漿參數直接關乎注漿效果的好壞。

2.2 注漿加固支護方法

注漿加固支護一般采用徑向注漿法施工，只有在較松散的圍巖中，才采用沿巷掘進方向的周邊注漿施工。徑向注漿施工緊跟臨時支護，距離掘進迎頭5～10 m 距離為一個施工段，徑向注漿縱向間距1.8～2.5 m，孔口環向距離0.8～2.0 m。一般弱面發育取小值，反之取大值，孔口環向距離一般依次從大到小，巷道底部、巷道拱部、巷道拱墻、巷道拱角，注漿孔多采用梅花形布置較好。

2.3 注漿加固支護參數確定

注漿參數的確定是注漿加固支護設計的主要組成部分。構造破碎帶巷道注漿加固支護參數的選擇對注漿加固支護效果、成本影響較大。注漿加固支護參數主要包括注漿深度、注漿漿液及配比，注漿孔間距、排距，注漿擴散半徑、壓力及注漿衰減量等。

（1）注漿深度

注漿深度主要與圍巖性質、圍巖破碎程度、圍巖的松動半徑、地質構造等因素有關。破碎巷道注漿的目的是加固松動圍巖，增強圍巖的自承能力，降低巷道的支護成本和支護難度，增加巷道的穩定性。因此注漿深度必須覆蓋巷道周圍的松動圈，一般大于巷道半徑的2～3 倍效果較為理想。

（2）注漿漿液及配比選擇

注漿加固支護一般采用單液水泥漿液來注漿，一是成本相對較低，二是配料簡單，三是效果較好。如果破碎區以泥巖為主，則可采用2 種不同漿液按照一定比例混合后進行注漿，漿液混合比要根據圍巖塑性和流動性進行選取。

單液水泥漿濃度（水∶水泥）一般為1∶1～2∶1，裂隙較發育的可取小值，反之取大值，泥巖等較難充填的圍巖可適當增大到3 ∶1。水泥、水玻璃漿濃度（水泥漿:水玻璃）體積比一般為1 ∶0.3～1 ∶1，具體配比應根據現場試驗數據進行調整和確定。

（3）注漿壓力

注漿壓力是指注漿段上承受的壓力，對于控制注漿的效果來說非常重要。在復雜地質構造段增大注漿壓力可以將漿液壓入到細小的巖層裂隙、空隙中，還能擴大漿液的擴散范圍，降低鉆孔數量，縮短施工時間，節約施工成本。然而，過高的注漿壓力易造成從巷道表面滲液，造成巖體破壞等，導致注漿難度增加，注漿效果不理想。

工作面注漿壓力可按設計靜水壓力的2～3 倍來計算選取。注漿壓力主要與加固圍巖的裂隙發育程度和滲透率難易程度等因素有關，可根據經驗公式進行計算。

式中：P為最大注漿壓力，MPa；P0為注漿壓力初值，其取值范圍為0.5～1.5 MPa；k1為注漿方法系數，其取值范圍為0.8～1.4（沿掘進方向周邊注漿取1.0，徑向注漿取2.0）；k2為注漿段地質構造復雜程度系數，其取值范圍為1～3.0（地質構造復雜取1.0、地質構造簡單取3.0，中等取1.5）。

（4）注漿擴散半徑

在復雜地質構造中，采用特定的施工工藝，巷道圍巖的漿液擴散范圍用漿液的擴散半徑來表示，它是注漿時確定注漿位置的關鍵參數之一。計算注漿擴散半徑，主要采用松動擴散理論或彈性波傳播速度確定，一般可按巷道平均半徑的1～3 倍來計算選取。

式中：R為注漿擴散半徑，m；R0為巷道平均半徑，m。

（5）注漿孔布置方式與孔徑

一般來說，在地質構造較復雜地段，在破碎帶或裂隙上沿走向直接布孔，以深孔為主，淺孔為輔。矩形孔排列，開口距一般在0.5～2 m 左右；一字型排列，開口距一般在1.0～2 m 左右。如果只是單純加固注漿，一般采用均勻等距布孔，以中、深孔為主，孔向垂直巷壁，多采用三花眼或矩形眼布置，開口距一般在1.5～2.5 m 左右，裂隙發育孔距應大一些，反之，孔距應小一些。還可參照單位注漿量、透水率等確定注漿孔間距、排距。注漿孔徑應根據地質條件、鉆孔深度和注漿工藝確定。根據該礦多個構造破碎帶巷道注漿加固支護注漿孔的現場經驗，注漿孔徑一般在（Ф22～Ф40） mm。

2.4 注漿加固支護施工

注漿施工前，應根據施工區域內的相關水文地質條件、工程地質條件、巷道設計的斷面和相關施工技術參數編制巷道施工組織設計和安全技術措施。巷道施工組織設計主要包括工程概況、工程地質及水文地質條件、施工目標及要求、施工方案、施工工藝及主要技術參數等內容。

（1）施工設備及注漿材料

以打磨塘煤礦1835 m 軌道運輸石門注漿巷道為例。注漿加固支護100 m 巷道所需注漿設備及材料：ZU700 型鉆注一體風動鉆機和鉆頭各2 臺，直徑分別為Ф50 mm 和Ф42 mm 的1 m 和2 m 的麻花鉆桿各2 根，在施工地點配備好注漿機，型號為ZBYSB60/33-18.5 注漿泵1 臺，錨桿鉆井1 臺，攪拌機1 臺，Ф22/32-2100 和Ф22-5100 注漿花管分別為717 根和467 根，Φ16×15 000 和Φ16×2000的高壓膠管各2 根，Φ16 的密封圈50 個，與孔口注漿管配套管接頭5 個，與攪拌機出漿口配套的球閥5 個，連接球閥與吸漿管3 個，直通5 個，管鉗和活動扳手（12、10）各1 把，325#水泥326 t（根據注漿現狀確定）。

（2）施工工藝

注漿加固支護工藝流程：定眼位→鉆眼→檢查鉆孔質量→安裝注漿管路→準備漿液→開泵注漿。注漿時注漿壓力由小到大進行調整，當注漿液的壓力達到6 MPa 時停止注液。注漿過程中，一旦發現巷壁松動、跑（漏）漿、注漿壓力異常下降時，必須立即停止注漿，查明原因，采取措施處理完畢后，方可注漿。

（3）注漿施工

根據施工組織設計和安全技術措施嚴格按注漿施工工藝流程進行注漿加固支護施工，在施工中要注意施工質量管理，確保工程質量。

2.5 經濟效益分析

根據巷道斷面和圍巖性質確定注漿孔布設方式、數量及深度，并計算注漿工程量。

1835 m 的軌道運輸石門、膠帶運輸石門在原錨網帶噴索支護的基礎上采用注漿加固支護，注漿加固支護工程量分別為427 m 和392 m，平均每米巷道需消耗325#普通硅酸鹽水泥3.26 t，水泥單價按420 元/t 計算，1835 m 軌道運輸石門、膠帶運輸石門注漿加固支護費用為112.14 萬元。采用注漿加固支護后，2 條石門有效支護時間可達2 年，2 年內不需要返修。1835 m 軌道運輸石門、膠帶運輸石門原錨網帶噴索支護費用為2375 元/m，每1 年需要采用同樣的支護方式返修1 次，3 年返修3 次，返修費用為389.03 萬元。1835 m 軌道運輸石門、膠帶運輸石門注漿加固支護，可以在采用錨網帶噴索支護方式檢修的基礎上減少費用276.89 萬元，且減少了巷道返修時間及巷道返修對礦井安全生產的影響，有利于礦井安全生產，降低原煤生產成本。

3 結語

（1）通過對曲靖打磨塘等多個煤礦的構造破碎帶巷道圍巖注漿加固支護效果總結分析可以看出，井巷圍巖注漿加固明顯提高了巖體的整體自承能力，提高了圍巖自身的強度，巷道注漿充填加固支護效果較好。但也有部分煤礦巷道注漿充填加固支護效果不明顯，主要原因是對注漿相關參數的選取不合理，注漿不充分、不飽滿。可以看出，確定合理的巷道注漿充填加固支護參數對巷道注漿充填加固支護效果十分重要。

（2）總結注漿加固支護經驗，注漿后圍巖的單向抗壓強度應不低于巖石的單向抗壓強度的82%，圍巖注漿加固支護效果較好，實際單孔單位耗漿量遞減率在30%～68%之間。完成單孔注漿加固支護的控制標準主要有2 個，一是注漿終孔壓力不小于靜水壓力的95%，二是注漿流量小于40 L/min，并能持續在30 min 以上。達到這2 個控制標準狀態，圍巖注漿加固支護效果較好。