破碎圍巖巷道注漿關(guān)鍵參數(shù)確定及應(yīng)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(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454000

0 引言

近年來，隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的加劇[1-3]，巷道受不規(guī)則構(gòu)造應(yīng)力的影響較大，巷道周圍非對(duì)稱變形嚴(yán)重[4-6]。如果采用不合理的加固措施，會(huì)導(dǎo)致原本就發(fā)育的裂隙巖體持續(xù)發(fā)育，難以發(fā)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(duì)此類型巷道，注漿加固是一種應(yīng)用成熟且有效直接的技術(shù)手段。張農(nóng)等[10]統(tǒng)計(jì)了巷道的肩窩處破壞、一般內(nèi)擠的多種非對(duì)稱破壞形態(tài)，提出采取錨桿索+注漿的支護(hù)方式使圍巖封閉，構(gòu)造完整全斷面的支護(hù)體系。李明遠(yuǎn)[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(hù)技術(shù)，并通過注漿效果評(píng)價(jià)手段檢驗(yàn)了此支護(hù)技術(shù)可以有效控制破碎圍巖巷道的變形破壞。翟新獻(xiàn)[12]等以平頂山八礦丁四采區(qū)軌道下山為工程背景，分別對(duì)比了錨噴和錨注支護(hù)方案下巷道差異化的變形破壞機(jī)理，最終采用效果更優(yōu)的錨注支護(hù)方案成功抑制了巷道的變形。黃耀光[13]對(duì)于錨注漿液滲流機(jī)理進(jìn)行了深入研究，分析得到巖體破碎程度、應(yīng)力分布、注漿壓力、時(shí)機(jī)和注漿間排距這些參數(shù)都對(duì)漿液的擴(kuò)散范圍有一定的影響。

目前，由于注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)大都采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法，不同地質(zhì)條件下的注漿效果也千差萬別。本文以云蓋山一礦23采區(qū)泵房聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類比的方法確定了合理的注漿參數(shù)，以期達(dá)到確保巷道穩(wěn)定的目的，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況和注漿支護(hù)方案

1.1 工程概況

云蓋山一礦23采區(qū)東翼泵房聯(lián)絡(luò)巷布置在煤層頂板之上30～50m范圍，標(biāo)高-330m，埋深大約為660m，掘進(jìn)過程中依次穿越巖層為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖。掘進(jìn)傾角12°～25°，平均18.5°，設(shè)計(jì)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(zhì)泥巖，強(qiáng)度略低。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和鉆孔窺視結(jié)果如圖1可知，巷道的頂板呈現(xiàn)淺-中-深部破碎范圍分布不均勻，兩幫呈現(xiàn)出非對(duì)稱變形破壞特征，上幫砂質(zhì)泥巖受到擠壓涌入巷道空間，下幫變形量相對(duì)較小，底鼔嚴(yán)重，底板中部凸起，不同巖性段變形存在差異，導(dǎo)致交匯處出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象。

圖1 巷道斷面變形特征及素描圖

1.3 巷道注漿支護(hù)方案

根據(jù)巷道概況和變形特征分析，非對(duì)稱變形與層理、節(jié)理的不均勻分布密切相關(guān)。采取中空錨桿索淺深部和高低壓相結(jié)合的注漿方式對(duì)破碎巖體節(jié)理和巖層層理進(jìn)行膠結(jié)，高強(qiáng)度錨網(wǎng)索進(jìn)一步將膠結(jié)后的層理、節(jié)理進(jìn)行擠壓加固的支護(hù)思路設(shè)計(jì)“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+中空注漿錨桿索”全斷面聯(lián)合支護(hù)方案，如圖2所示。

圖2 巷道全斷面支護(hù)參數(shù)圖

（1）頂板及兩幫：高強(qiáng)錨桿間排距800×800 mm，底角高強(qiáng)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(cè)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(cè)對(duì)稱布置，一側(cè)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(yù)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(guān)鍵參數(shù)研究

2.1 水灰配比

注漿材料選擇CGM超細(xì)水泥，其水灰配比對(duì)于錨注工藝而言是一項(xiàng)重要的參數(shù)，合理的水灰配比不僅能最大程度地提高漿液的固化強(qiáng)度，而且對(duì)于漿液合適的凝結(jié)時(shí)間和滲透的流動(dòng)性也是十分重要的。

（1）流動(dòng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)比水灰配比為1:1、1:2、1:3的注漿材料析水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 CGM超細(xì)水泥不同水灰配比析水量

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，水灰比越小，漿液充分?jǐn)嚢桁o置后離析出的水越少，當(dāng)水灰比為1:1時(shí)，有少量水析出；水灰比為1:2時(shí)，漿液表面有極少水析出；水灰比為1:3時(shí)，漿液表面無水析出，水灰比=1:2時(shí)漿液的流動(dòng)速率最理想。

（2）漿液固結(jié)體強(qiáng)度。漿液固結(jié)體強(qiáng)度是漿液很重要的一個(gè)性質(zhì)，對(duì)破碎圍巖體進(jìn)行注漿加固，要求漿液固結(jié)體具有較高的早期、后期強(qiáng)度，來確保加固體的強(qiáng)度、漿液固結(jié)體與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度。

分別對(duì)比水灰配比為1:1、1:2、1:3的水泥漿固結(jié)立方體試塊3 d、8 d齡期的抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水灰配比下水泥漿固結(jié)體抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

綜合兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，CGM超細(xì)水泥雖然水灰比為1:3時(shí)固結(jié)體強(qiáng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行微調(diào)。

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(qū)域、松動(dòng)圈的大小的重要參數(shù)，防止壓力過大導(dǎo)致脆弱的巖石被高壓劈裂破壞，或者壓力較小無法達(dá)到理想的加固范圍。鑒于23采區(qū)泵房聯(lián)絡(luò)巷圍巖破碎程度的差異化現(xiàn)象，注漿壓力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，圍巖較完整的巷道右側(cè)注漿壓力在1.0～1.5MPa之間；圍巖較破碎的巷道中線左側(cè)至少采用1.5～2.0MPa之間的注漿壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的注漿支護(hù)參數(shù)運(yùn)用到23采區(qū)泵房聯(lián)絡(luò)巷的實(shí)際施工中，并通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的手段完善優(yōu)化注漿施工的工藝來確保注漿效果，最后采用礦壓監(jiān)測(cè)手段來分析支護(hù)效果。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果根據(jù)可知，1#測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，兩幫移進(jìn)量在200mm左右，頂?shù)装逡七M(jìn)量在70mm左右；2#測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，兩幫移進(jìn)量約為150mm，頂?shù)装逡七M(jìn)量為75mm左右。

4 結(jié)論

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

（2）通過室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類比法確定CGM超細(xì)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(cè)注漿壓力在1.0～1.5MPa之間；較破碎的巷道中線左側(cè)至少采用1.5～2.0MPa之間的注漿壓力。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，注漿后的巷道變形得到控制，頂板下沉量穩(wěn)定在70mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在175mm，加固效果明顯。