深厚破碎软岩巷道地面注浆加固技术研究

2013-11-06江明明詹金明葛海军

江西煤炭科技 2013年4期

江明明，詹金明，葛海军

（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；2.安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052）

对软岩巷道来说，当巷道的位置大于某一开采深度时，散体状破碎岩体围岩常为弹塑性、塑性或流变性，产生以拱形冒落为主的变形破坏形式。众多学者对软岩巷道稳定问题进行了研究，从不同的角度提出了有效的控制理论〔1－4〕。但国内外地面预注浆加固巷道围岩稳定性的工程较少，目前地面预注浆在煤矿的应用主要针对井壁修复以及煤层地板改造加固。本文将结合某煤矿－780m水平南翼轨道大巷的支护工程实践，探讨地面注浆加固围岩技术。

1 工程概况

某煤矿南翼－780m胶带机由北向南掘进遇到F108断层，迎头涌出15～20m3的伴有泥浆的裂隙水；根据地质勘探资料及岩石化学物相分析，岩层异常破碎软弱，在700～780m段RQD值小于30%，783～900段RQD值为0〔5〕，且岩石中伊利石和高岭石占60%，属于遇水易软化高蠕变性岩石。由于地处地质异常区，井下巷道无法成形，掘进时巷道变形量太大，给巷道掘进施工造成了极大的困难和存在着重大的安全隐患。

2 软岩巷道变形主要特征

硬岩常看作线性弹性体或理性弹塑性体，围岩以小变形为主，硬岩巷道的关键问题是强度失稳，而软岩容易产生明显的非线性、非光滑的塑性变形，软岩巷道的关键问题是大变形失稳〔6〕。

巷道开挖前，岩体中各质点在特定地应力场中处于相对平衡状态。巷道开挖后，原来的受力平衡状态遭到破坏，岩体向巷道内胀松变形，使得应力、应变发生调整，出现新的平衡状态。

巷道开挖后，形成以沿着巷道壁围岩切线方向应力的最大主应力，以沿着巷道径向应力为最小主应力。如果调整后的应力大于围岩强度，围岩就会遭受破坏，一般而言靠近巷道壁的围岩最先破坏，接着最大主应力集中区开始向围岩内部传递，巷道周围的围岩再次进行调整，形成大致3个区域，由采空区向外依次为破裂区、塑性区和弹性区（见图1）。

图1 软岩巷道围岩分区

塑性区具有一定范围限制，因为巷道壁围岩的切向应力为最大值，向围岩内部逐渐减小，而径向应力在巷道壁围岩为零，向围岩内部逐渐增大，由巷道壁单向应力状态变为双向应力状态，各向等压下塑性区半径由下式计算〔7〕：

式中：P为围岩原应力；C为粘结力；φ为内摩擦角。

由公式可知巷道的稳定性主要与围岩原应力和内摩擦角及粘结力c有关。

3 软岩巷道加固控制机制

软岩巷道的加固过程常用动态控制方法，具体分为三个阶段。

第一阶段：采用预应力支护体。在软岩巷道变形初期采用预应力支护体系是为了调动围岩自身的承载能力，同时由于支护阻力和围岩变形存在负指数关系，提高支护阻力减少岩体位移，释放部分能量保持岩体稳定。

第二阶段：注浆加固围岩。注浆使得破碎的岩体胶结为整体，改善了岩体力学性能，同时充填裂隙强化了第一阶段的预应力支护体，加固了围岩条件。

第三阶段：重要部位控制。软岩巷道工程中关键部位的破坏往往会成为工程破坏的突破口〔2〕，必须加强重要部位支护以此提升工程全面的整体稳定性。

某煤矿南翼－780m胶带机巷道进入异常区后先后虽采取了锚网喷加U型钢伸缩支架等支护措施，仍然难以控制巷道的变形，现巷道4.6m的宽度最小处变形至2.1m，给施工和安全带来很大的安全隐患。由于井下不具备高压注浆施工条件，经研究决定采用地面预注浆的措施对岩体进行加固。

4 注浆加固

4.1 注浆孔布置

原设计布置9个钻孔，对120m胶带机大巷进行注浆。平行于巷道西边五孔（A1、A3、A1、B3、C3），巷道东边4孔（B1、B2、C1、C2）；按分支孔的方案进行施工，地面上三台钻机，分三组，一台钻机施工一组，钻探工程量3834m。注浆后期地面增加一个注浆检查孔，对注浆质量进行检查，并增加一台钻机对其施工；同时为确保工程质量，注浆量不受设计限制，实行能注则注（见图2）。

图2 钻孔布置

4.2 钻探施工

（1）各钻孔分支组合。现场主要根据各孔施工进度及定向、注浆技术要求，同时由于平距过大，给定向造成难度；钻孔弯度过大，给注浆拉塞及解塞造成难度，故现场充分考虑到这一点，最终10个钻孔分支组合为：第一批为A1、A2；第二批为 A3、B2、B3；第三批为C1、C2、检查孔；第四批为B1、C3。

（2）钻具组合。一开新地层及风化带段：Φ244.5mm三翼（或牙轮钻头）＋Φ159mm钻铤＋Φ73mm（Φ89mm）钻杆＋主动钻杆。

二开基岩非注浆段：Φ165.1mm牙轮钻头＋Φ121mm钻铤＋Φ73mm（Φ89mm）钻杆＋主动钻杆。

三开注浆段：Φ118mm牙轮钻头＋Φ73mm（Φ89mm）钻杆＋主动钻杆。

（3）钻进方法。采用回转钻进、定向钻进及复合钻进的方法施工。

（4）孔斜控制及定向钻进。本工程直孔段施工采用上海地学仪器厂生产的JJX－3D高精度测斜仪，对钻孔进行跟踪测斜，表层管下管前及直孔段施工至注浆段均进行了系统侧斜，确保钻孔轨迹符合设计要求。

分支孔采用北京海蓝公司生产的有限随钻定向仪，采用山东邹城生产的Φ130mm螺杆，采用日本生产的Φ121 mm无磁钻铤定向。严格按照设计轨迹定向施工，分支孔施工至注浆段轨迹落点在2m半径设计靶域之内。

4.3 注浆工艺

（1）注浆段高划分。为确保注浆量和注浆效果，采用分段注浆方式。具体段高划分如下：A2、主C1、C2、C3孔分三段注浆，即第一段为22m、第二段为25m、第三段为26.5m；主 A1、A2、主B1、B2、B3孔分二段注浆，即第一段为26m、第二段为27.5m。实际施工时，可根据情况适当调整。

（2）注浆压力。本次采用经验公式，即设计注浆压力为静水压力的2～3倍，并且最终压力不能低于静水压力的2.5倍，根据地层注浆量的情况，压力从小到大施加。

（3）注浆材料及配比。浆液配合比，通过实验室内配合比试验，得到优化浆液配比为0.6∶1～1.5∶1，期间加入了5%及0.5‰以食盐和三乙醇胺为原料的早强剂。

（4）注浆结束标准。①达到设计注浆压力；②每米注浆量达到20m3；③注浆流量小于或等于250L／min；④以上条件达到，复注时每20m注浆段注浆量控制在50m3左右。

5 注浆效果分析

为了更有效地检验评价注浆效果，又在异常地质构造带加固注浆范围内施工一个注浆检查孔，通过取芯来观察岩心完整性和水泥浆液胶结情况，判断注浆是否达到预期效果。通过检查孔取芯，地质员现场鉴定，结果见表1。

表1 检查孔岩芯描述

孔深／m 芯长／m取芯率／%岩心描述785.0～786.2 2.4 69砂质泥岩，灰色到黑色，破碎，裂隙发育，见水泥充填，见图3（b）786.2～798.0 6 51 中砂岩，浅灰色，极破碎，裂隙发育，见水泥充填，见图3（c）798.0～804.5 4.0 62 砂质泥岩，深灰色，破碎，裂隙发育，见水泥充填，见图3（c）

从现场取芯结果来看，大部分芯样可见水泥浆充填，异常构造带内取芯率较高，岩体的内摩擦角和粘结力c得到了改善，由公式可知塑性区的半径随内摩擦角和粘结力的增大而减小，阻碍了围岩破碎区向弹性区的发展，提高了软岩巷道的稳定性。