采動擾動下深部巷道深淺孔注漿加固技術研究與應用

趙洋洋，劉樹輪，杜俊培

（1.冀中能源邯鄲礦業集團 太行礦業有限公司，河北 邯鄲 056000；2.冀中能源股份有限公司 郭二莊礦，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

煤炭開采日益往深部延伸，深部巷道變形及圍巖穩定控制成為當下亟待解決的問題，隨采掘活動逐步向深部發展，巷道變形亦隨之明顯增大。其特征表現在：所處位置地應力高，采動擾動影響劇烈；巖體在采動、變形作用下滋生裂隙，導致圍巖強度下降、完整度低、穩定性差；巷道斷面變形嚴重，并具有持續性，圍巖變形特征與淺部巷道有明顯差異，一次支護和常規支護難以控制巷道與保持圍巖穩定[1-4]。深部巷道圍巖產生大變形的根源在于其自承能力的弱化，因此提高并保持圍巖自承能力，是解決該類問題的突破口。注漿技術針對圍巖穩定破壞和強度弱化的問題，可以直達圍巖內部對其自身強度進行補強加固。

采動擾動下深部巷道圍巖控制問題涉及到礦壓顯現、頂板控制和圍巖活動規律等多個方面，目前深部采動影響下巷道變形機制的研究主要針對工作面回采巷道、采空區底板巷道和跨采巷道，關于采區上下山巷道受采動影響的研究成果相對較少，采區上下山巷道由于其功能和位置的特征性，在生產活動中會同時受到兩側采動影響，變形破壞情況更加嚴重。采動擾動下采區巷道圍巖變形特征尚沒有系統性認識，在此條件下的巷道圍巖注漿加固方案亦缺乏實踐探索，本文以云駕嶺礦八采軌道下山為工程背景，在分析采動擾動下深部巷道圍巖破壞特征的基礎上，以改善巷道圍巖力學性能、增強圍巖可錨性為突破點，提出采動擾動下深部巷道深淺孔注漿耦合加固方案。

1 概 況

以云駕嶺礦八采軌道下山為研究背景，該煤礦于1992 年建成投產，礦井核定生產能力為180 萬t/a。開拓方式為立井單水平開拓，現生產水平為-150 m 水平，八采區為該水平下山采區，八采軌道下山為采區準備巷道，巷道斜長約900 m，斷面類型為直墻半圓拱形，由于埋藏深，受工作面采動影響，礦井經過多次擴幫整修，圍巖較為破碎，幫鼓量及頂板下沉量較大，圍巖淺部巖體在采動及變形作用下裂隙發育，通過打圍巖窺視孔發現，3 m以內淺部區域巖體變形破碎嚴重，5～9 m 深部區域裂隙仍較發育，采動影響下巷道圍巖體破壞深度較常規情況深3～5 m。前期巷道日常維護時選擇“刷幫、拉底、補打錨桿、錨索”的方式對采動擾動后的巷道巖體進行維護，但不能控制圍巖持續變形破壞。為確保軌道下山修復效果，特針對深部巷道采動擾動下圍巖持續變形的實際及深淺部不同變形破壞特征，制定了八采軌道下山深淺孔注漿加固的修復方案。

2 采動擾動下深部巷道圍巖變形特征

為研究八采軌道下山兩側回采工作面采動對下山圍巖擾動破壞情況，本文采用工作面超前應力監測、圍巖松動圈測試及錨桿質量監測等手段，以明確采動擾動下巷道變形特征及影響因素，從而有針對性的對巷道薄弱點進行加固。

（1） 通過在工作面安裝超前應力監測設備，定期收集數據，得出工作面超前支承壓力的最大值出現在工作面前方約25 m 處，超前支承壓力的影響區域達到100 m，軌道下山就處于該區域，受到工作面推進帶來的顯著影響。

（2） 采用地質雷達無損檢測技術對軌道下山圍巖松動圈進行探測，結果表明，軌道下山頂板和兩幫的圍巖松動圈達到3 m，部分區域達到5 m，軌道下山圍巖松動圈范圍較大，部分區域的松動圈已超出錨桿長度。

（3） 對軌道下山的錨桿進行現場支護質量無損檢測，結果見表1。錨桿的自由段長度在1.5 m左右，錨固段長度在0.2～0.5 m，與設計參數（錨桿長度2.0 m，錨固段長度不少于1.0 m） 存在一定差距，可推斷圍巖內部出現了大量離層現象；同時，軌道下山巷道70%錨桿的軸力在40 kN 以內，僅有2 根錨桿的軸力超過了60 kN，可以推斷工作面回采過后，巷道圍巖更加破碎，極大減弱了錨桿的錨固作用。

綜上分析可知，軌道下山采動巷道的變形特征主要有：①巷道變形滯后于開采活動，但又有明顯的聯動性；②巷道表面變形嚴重，底鼓量最大處區域可達800 mm，兩幫移近量最高達到2.0 m；③巖體內部采動裂隙發育，進一步降低圍巖強度，極大削弱了巷道的自承能力；④原支護方式未針對采動巷道的變形特征進行加固。

3 深淺孔注漿加固原理及參數選擇

采動擾動下巷道圍巖深部與淺部裂隙發育程度及變形破壞程度不均一，自圍巖內部向表面巖體擾動后位移逐步增大，在一定范圍內淺部巖體與深部實現承載力脫離，導致后期圍巖表面破碎嚴重，失去承載作用。由于深淺部圍巖體這種巖石力學性能上的不同，導致圍巖可注性及注漿效果呈現差異性，深淺孔注漿即是依據圍巖深淺部力學性能及巖體裂隙發育差異，選定不同注漿參數，對深、淺部圍巖施工各自注漿孔，兼顧發揮淺孔凝固快速、膠結強度高、深孔高壓下可注性好的優勢，在漿液膠結下改善圍巖體整體力學性能，實現對巷道圍巖變形的控制。深淺孔注漿原理如圖1 所示。

圖1 深淺孔注漿原理示意Fig.1 Principle of deep and shallow hole grouting

深淺孔聯合注漿可有效解決圍巖表面破碎區裂隙發育、承載能力差的問題，增強破碎區圍巖可注性，減少注漿漏液、注漿壓力不達標等情況的發生。由于注漿治理部位不同，深淺孔注漿應在充分考慮圍巖深、淺部巖石擾動下的力學性能、裂隙發育程度及注漿治理目的的基礎上，合理選擇差異性的注漿參數。

3.1 注漿順序

巷道圍巖自揭露后，由于圍巖應力及支承壓力不同，由圍巖表面向內部相應產生破碎區、塑性區和彈性區，且在采動擾動下會改變巷道測壓分布，圍巖表面受采動影響，變形量最大，裂隙發育，破壞嚴重，承載能力差。在實際注漿中，通常會出現注漿漏液，終壓不達標的情況，因此，在實施深淺孔聯合注漿時，應選擇先對淺部圍巖進行注漿，強化淺部巖體力學性能，封堵裂隙，提高深孔注漿時淺部圍巖體所能承受的最大注漿終壓，之后再對深部圍巖進行注漿，使深部圍巖重新膠結成整體，減少深部巖體變形對整體圍巖的破壞。

3.2 注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖中擴散的動力，其直接影響注漿加固質量和效果[5-6]。注漿壓力受地層條件、注漿方式和注漿材料等因素影響。注漿壓力過高會引起劈裂注漿，可能導致圍巖的片幫、冒落，如過小則漿液難以在圍巖中深入滲透，影響注漿的效果。

對于深淺孔聯合注漿，考慮注漿目的，淺孔應選擇低壓注漿，而深孔在淺部圍巖支承能力增強的情況下，考慮注漿效果，可適當調高注漿壓力。

3.3 注漿材料

注漿材料是圍巖膠結的骨架，其主要性能指標包括力學指標、漿液粘度及滲透性能[7]。淺孔注漿時，淺部圍巖裂隙發育，裂隙較深部圍巖寬、連通性好，注漿時需優先考慮漿液凝固、膠結效果，選擇凝固時間短的注漿材料，并調高漿液濃度；深部注漿時，針對深部圍巖塑性變形多、裂隙連通性差的特點，應考慮滲透性強的注漿材料，并降低漿液濃度，增強可注性。

4 注漿支護方案設計

在考慮深淺孔差異性注漿參數的基礎上，確定注漿支護方案如下。

（1） 對巷道進行擴修并進行表面初次噴漿，初噴后再進行錨網支護，采用全錨索進行支護。幫錨索規格為φ18.9 mm×4 250 mm，間排距為800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 鋼帶；頂錨索規格為φ22 mm×7 300 mm 及φ18.9 mm×4 300 mm 的錨索，錨索布置為不同規格交錯布置，錨索間排距為800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 鋼帶。支護完成后對巷道進行噴漿作業，設計復噴厚度50～60 mm，噴漿混凝土強度等級C20。

（2） 噴漿養護完后，先在下山兩幫及頂板的淺部圍巖體施工注漿孔，實施淺部注漿，注漿材料選擇水泥+ 水玻璃，水泥水灰比控制為0.85∶1，水玻璃濃度一般應控制在10～20 Be，水泥漿與水玻璃比控制在1∶（0.1～0.3）。巷道淺部圍巖在采動擾動下裂隙發育較寬，一般為2～6 mm，根據先期注漿經驗，將注漿壓力定為不大于2.5 MPa，注漿時間以漿液注不進去為止。

淺部注漿孔采用矩型布置，孔間距根據巖層性質確定，考慮到巖層橫向節理相對比豎向裂隙發育，因此在布置注漿孔時，頂孔間距相對比幫部大，具體各注漿孔間距見剖面、斷面注漿孔布置如圖2 所示，每排布置4 個孔，孔徑42 mm（根據灌漿塞規格及技術要求確定），兩幫2 個淺孔孔深2.4 m，拱部2 個淺孔孔深4.0 m，排距為3 m，使用灌漿塞進行封孔。

圖2 深淺孔注漿布置示意Fig.2 Arrangement of deep and shallow hole groutin

（3） 在完成淺孔注漿并經一段時間養護后，進行深孔注漿。注漿材料選擇水灰比為0.65∶1 的水泥，考慮深部圍巖裂隙連通性差，且淺部圍巖在漿液膠結作用下支承力增強，深孔注漿壓力選擇在5 MPa，注漿時間以漿液注不進去為止。

深孔同樣采用矩形布置，每排布置5 個深孔，底角打2 個孔深4.8 m 的深孔，拱部打3 個孔深6.0 m 的深孔，與淺孔成五花眼布置；深孔采用錨桿機施工，孔口孔徑42 mm（根據灌漿塞規格及技術要求確定），內部孔徑28 mm，采用灌漿塞封堵灌漿法。

5 注漿效果評價

在現場實施深淺孔注漿方案后，為檢驗支護效果，在八采軌道下山布設2 個監測點，位置如圖3所示。每個監測點包含4 個位移測量點，分別測量頂底板及兩幫移近量。經過長時間數據收集，整理得到巷道支護監測效果，如圖4 所示。

圖3 注漿支護效果監測點位置Fig.3 Monitoring point location of grouting support effect

圖4 巷道圍巖變形監測結果Fig.4 Deformation monitoring results of roadway surrounding rock

可以看出，隨著時間推移巷道表面變形趨于穩定，1 號監測點數據顯示，兩幫變形穩定后移近量為90 mm 左右，頂底板變形穩定后移近量在45 mm 左右。2 號監測點數據顯示，兩幫變形穩定后移近量為60 mm 左右，頂底板變形穩定后移近量在38 mm 左右。可以看出位于工作面回采擾動影響段的1 號監測點比2 號監測點變形量更大，但兩監測點總體圍巖移近量均較注漿前顯著縮小，變形量逐步減緩直至最終穩定，巷道的變形和破壞得到有效控制。

6 結 論

（1） 通過應力監測等手段，分析了采動擾動下深部巷道圍巖破壞特征。受采動影響，巷道圍巖破碎區及塑性區范圍均變大，淺部圍巖破壞嚴重，削弱了巷道的自承能力，降低了圍巖錨固質量。

（2） 在分析深淺孔注漿加固原理的基礎上，提出了深、淺孔差異性注漿參數。先低壓-淺孔注漿，再高壓-深孔注漿；注漿材料選擇上，淺孔應優先選擇凝固時間短的材料，并調高漿液濃度，提升膠結效果，深孔優先考慮滲透性，同時降低漿液濃度，增強可注性。

（3） 通過深淺孔注漿加固，在采動擾動下，深部巷道圍巖總變形量明顯減小，巷道變形量逐步減緩直至最終穩定，頂板及兩幫下沉情況顯著改善。深淺孔注漿將深淺部破碎圍巖膠結成統一穩定的整體，有效地控制了圍巖變形速度，使圍巖強度得到明顯強化。