中央采區圍巖注漿加固技術的研究與應用

趙勇

（姚橋煤礦掘進一隊，江蘇 徐州 221611）

1 研究背景

隨著采深的增加，原巖應力升高與采動應力的疊加，姚橋礦區面臨復雜地質、高應力、沖擊礦壓、煤體強度低等不利條件。姚橋礦中央采區回風下山2003 年3月首次發生沖擊礦壓，致使巷道被嚴重破壞90 余米，2016 年8 月中央采區回風下山原7004 工作面段二次產生沖擊礦壓，不單回風下山遭受破壞，并嚴重波及軌道下山，兩條下山巷道劇烈大變形，運輸及通風困難，嚴重影響礦井安全生產[1]。中央軌道下山變形嚴重段平面圖如圖1 所示。

在復雜地質、高應力等在采動條件下中央采區集中下山巷道均發生不同程度的破壞，部分巷道多次返修，造成生產成本急劇增加，經濟效益降低，并影響安全生產；部分煤層下山巷道，在工作面超前壓力影響下，出現沖擊礦壓傾向。在復雜地質、高應力狀態下，煤巖層原處于原始平衡狀態的各種弱面及非連續介質的煤巖體在掘采擾動后，平衡狀態被打破，煤巖體受到破壞，巷道圍巖因變形釋放大量能量，原有圍巖弱面進一步擴展，同時產生新的裂隙；在采動條件下，采動應力對巷道的影響尤為劇烈，巷道圍巖呈現松動、碎脹，巷道來壓顯現強烈、地壓沖擊傾向明顯、巷道變形量大、流變時間長等特征[2]。

根據巖層柱狀，細砂中是最容易出現變形破壞的地方，通過巖層觀察，由于巖層軟弱圍巖承載力差、巷道掘進揭露斷層多等影響，底層巖體受擠壓，容易造成巷道變形問題。姚橋煤礦中央軌道下山受兩側工作面采動影響，斷面變形破壞劇烈，一旦產生巷道變形，就會影響項目的整體情況，如果變形強烈就需要花費大量的時間和精力進行維修，不僅會影響巷道的安全性，同時也會造成維護費用的增加，因此，注漿加固修復工作必不可少[3]。

2 圍巖注漿加固機理與技術

一直以來，易破碎圍巷道支護分為兩類，一類以剛性支護為主，輔之以混凝土結構；另一類采用U 型管可縮支架，輔以錨噴、砌碹等支護方式，但是隨著礦山開采深度的增加，開采環境的日益復雜和惡劣，這些方法逐漸無法滿足高應力破碎巷道等的支護要求。后來出現了以錨注為核心的錨注、錨網噴聯合支護體系，對加固破碎巷道效果比較理想。

2.1 注漿作用

錨注加固圍巖原理如圖2 所示，從圖可以看出，經過注漿和錨桿聯合支護后，巷道從淺部到深部依次形成了錨桿加固圈、注漿加固圈、巖層，注漿的作用有兩點：①錨桿可以起到全長錨固效果；②發揮整體的力學效應，使圍巖、錨桿形成有效可靠的組合拱[4]。

2.1.1 改善圍巖賦存環境

圍巖破碎之后就會導致內部存在孔洞以及裂縫，在井下的潮濕環境以及較大風速的影響之下，大量的水分以及空氣會進入縫隙當中，進一步加速圍巖吸水膨脹軟化和風化程度。為了改善圍巖賦存環境，可以將漿液填充到縫隙內，在漿液的作用之下，讓破碎圍巖形成整體，如此便能將縫隙當中的水與空氣擠出，這種注漿加固的方法能夠避免水與空氣的侵入，能夠有效阻止圍巖吸水膨脹和風化。

2.1.2 裂隙充填與壓密作用

注漿加固具有縫隙充填以及密壓兩大作用，而且不同的作用適用于不同對象。從實踐運用的角度來，如果破碎圍巖縫隙較大，就可以將漿液滲透其中，達到充實裂縫的目的，這種方法能夠削弱和消除應力集中的問題，是改善局部應力環境的一種有效方法，這便稱之為充填作用。漿液在運用過程當中，無法深入破碎圍巖封閉細小的縫隙當中，這一情況便可采用密壓作用，該方法是采用注漿的壓力進一步壓縮封閉以及微小裂縫，甚至讓裂縫閉合，其目的便是消除應力集中問題。所以，充填密壓作用在運用的過程當中，具備消除圍巖應力集中的作用，能夠進一步改善其應力狀態，而且該方法的運用能夠改善破碎圍巖的力學性能，漿液滲入之后會膠結，增強縫隙的內聚力以及內摩擦力，通過充填作用降低孔隙率，提高了圍巖的彈性模量以及強度[5]。

2.1.3 提高圍巖殘余強度

在漿液以及擠壓作用之下，裂縫逐漸固結之后會形成網格骨架結構。就強度方面來看，固結材料并不一定高于原巷道圍巖，但是卻具有更好的可塑性，所以能夠進一步提高圍巖的受力承載能力，即使發生較大變形也不會造成破壞，如果在應力的作用之下發生了變形情況，在自由承載能力的影響之下，能提升圍巖殘余強度，避免圍巖遭到進一步的破壞，這也是改善巷道維護狀況的一種有效途徑。

2.1.4 注漿加固改善支護體受力狀態

對于淺部破碎圍巖來說，進行注漿工作之后，漿液會填充到破碎的裂縫以及空洞當中，隨著時間的發展逐步凝固，在膠結作用的影響之下，會形成介質連續的整體結構，具有提高破碎圍巖內聚力和抗壓強度的作用。在漿液的作用之下，破碎圍巖會轉變成結構體，本身具有一定承載能力，能夠降低支護結構受力，除此之外，被動支護結構在注漿的作用之下，能將文言外部的荷載傳遞至支護結構，提高支護的受力均勻性，其支護能力得以發揮，尤其是對于主動支護，例如，錨桿支護，能夠發揮其其主動支護的優勢，限制松動變形問題的發生，能夠進一步穩定圍巖。

2.2 注漿技術

注漿工藝在運用的過程中更加強調對環境的適應能力，該項工藝運用之前，首先需了解對象的技術特征、工程性質等相應信息，然后結合地質水文條件信息制定具有針對性的注漿方案以及施工方案，并將其貫徹到作業實踐當中，確保注漿過程的完整性。相較于其他工藝而言，注漿工藝具有技術復雜、針對性強的特點，同時會受到注漿參數的明顯影響，想要提高注漿效果，就必須高度重視注漿參數。

2.2.1 注漿壓力

根據來源分析可知，注漿壓力是漿液在巖土中擴散的動力，而且會受到地質條件、注漿材料、注漿方法等多重因素的影響。一般情況下，化學注漿壓力更小，淺部注漿壓力變小，地層滲透參數系數大，注漿壓力較小。堵水與防滲工程中水壓的影響十分顯著，煤礦地面立井預注漿壓力一般為靜水壓力的2.0～2.5 倍。水壩注漿壓力一般為1～3 MPa，淺表地層注漿壓力一般為0.2～0.3 MPa，地下隧道和巷道圍巖注漿壓力最大可達6 MPa，最小值在1 MPa 以下。

2.2.2 擴散半徑

擴散半徑的影響因素很多，它隨著巖層滲透系數、裂隙開度、注漿壓力、漿液流動特征、注入時間等因素的變化而不同，它決定著注漿工程量和工程進度，常用一些理論或經驗公式估算，但最終往往仍需通過試驗確定。

2.2.3 凝膠時間

凝膠時間時漿液本身的特征，不同的項目對于注漿有著不同的需求，這也就使得漿液凝膠時間存在差異，具體的實踐情況可根據工程需求進行綜合考量，并能準確控制。典型漿液凝膠時間如下：單液水泥漿從幾十分鐘到幾十小時，水泥-水玻璃雙液漿幾秒至幾十分鐘，高水速凝材料從幾分鐘到幾十分鐘。

2.3 注漿加固巷道圍巖機理

（1）經過解壓和滲透作用之后，將夜進入巷道圍巖縫隙，經過固結會形成網絡骨架結構。如果應力超過煤體強度，就會造成變形問題，經過注漿形成網絡骨架結構，具備很好的韌性以及連接性，不僅能夠提高圍巖殘余強度，而且也能夠避免巖層遭到更大破壞，是改善巷道維護的一種有效方法。

（2）通過泵壓將漿液注入，能夠填充不同類型的縫隙時，裂縫壓縮甚至閉合，同時也能提升巖層彈性模量和強度，降低孔隙率，增強整體強度，提高巷道圍巖穩定性。

（3）圍巖注漿具有風度裂縫、防止破裂煤體內部分化的作用。

（4）錨桿具有改善錨桿受阻狀態的作用，通過調整錨桿工作特性，適應圍巖變形規律，同時向周圍提供支護阻力，達到加固的作用。注漿在運用過程中，能夠加長錨固長度，通過漿液膠結反作用于圍巖，避免圍巖出現變形情況，而且在多重材料的作用之下，錨桿與圍巖形成整體能夠增強錨桿支護的作用，形成組合拱。

對于圍巖來說，注漿后的端錨錨桿與未注漿的端錨錨桿與其作用并不相同，為了進一步了解兩種錨固方式下錨桿的實際工作性能通過對數據對比可得出如下結論：①無論注漿與否，端錨錨桿的錨固力都具有相同的過程，即上升、達到峰值、下降的。但是相比較而言，經過注漿之后，端錨錨桿最大錨固力保持時間過長，而且衰減過程更慢。②經過注漿之后，端錨錨桿增阻速度更小，其原因在于端錨錨桿和圍巖連接成為整體，等效彈性模量增大，所以增阻速度更大。③對于沒有注漿的端錨錨桿來說，錨固長度是達成最大錨固力的重要因素，經過注漿之后，最大錨固力會受到多重因素影響，例如圍巖強度、注漿材料等，所以在保持相同應力和相同圍巖的條件之下，注漿之后端錨錨桿最大錨固力可提高1.5～3.0 倍。④在注漿作用之下，端錨錨桿和圍巖形成整體，能夠防止粘接破壞問題的產生，而相較未注漿的端錨錨桿，殘余錨固力更大。

2.4 高應力破碎巷道注漿修復技術

姚橋煤礦中央采區軌道下山巷道受臨近工作面采動壓力影響，上覆層巖出現松動變形破裂情況，應力釋放之后，會對巷道造成瞬間的擠壓破壞，隨著圍巖沿松動圈的增大，裂縫逐步增加，承載能力大打折扣。想要改變這一情況，解決支護維護難的問題，就需要從實踐的角度出發，改善巷道圍巖應力狀態，通過深注＋錨索網噴＋錨注的復合支護手段，從根源上改善巷道圍巖工況，通過提升巷道穩定性和承載能力，避免巷道出現再次的破壞，有效預防巷道變形以及破壞問題。

2.4.1 深孔注漿

采取圍巖深部注漿粘結老頂巖層破碎裂隙，增強軌道下山上覆巖層整體強度；通過對傳統巷道注漿理論的進一步分析，可以發現該理論強調。漿液在滲透過程中，會由上及下由表及里的滲透，但是隨著裂縫張開程度的降低，膠液在滲透過程當中主力逐步增加，也就意味著當破碎圍巖縫隙深度超標，漿液的加固作用就會大大減弱，所以漿液加固，只針對于淺部巷到破碎圍巖，這范圍在于巷道表面2.0～2.5 m。但是通過對這一理論的深入分析，可以發現其中仍然存在很多的問題，例如沒有考量到頂板深部巖層層里面錯動、產生離層等相關因素，如果在注漿加固過程當中，僅針對巷道淺層圍巖，在注漿的作用之下，注漿加固圈的承載能力雖有所提升，但是在多重因素影響之下，頂板層沿出現錯動、離層，會造成整體下降，而此時淺部注漿加固圈，人承受較大荷載，意味著會受到再次破壞，巷道穩定性無法得到保障，所以為了進一步提高加固效果，需要考量深部注漿問題。

2.4.2 錨索網噴支護

然后通過帶有緩沖裝置的錨索強力錨固和鋼網錨噴，強化巷道斷面承載能力。錨網噴支護與二次注漿如圖3 所示。

2.4.3 二次充填注漿

最后根據需要進行斷面二次淺部注漿，使其注漿加固體交圈充填形成復合支護結構，有效改善圍巖整體的力學特性，極大的提高巷道自身承載力和抗沖擊地壓的能力，以確保軌道下山巷道的安全生產。

3 結語

該加固方案為復合型支護結構，針對性強，可以充分發揮各種支護的優勢，形成支護結構，提高圍巖自身承載能力，改善復雜應力下圍巖巷道的維護狀況。從而解決復雜應力下中央采區破碎圍巖巷道的穩定性問題，且具有重要的理論和實際應用價值。