千米深井L型钻孔地面预注浆岩体可注性研究

荣传新，武 汉，彭世龙，程 桦,2，黎明镜，郭 轲，周 俊

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230022)

随着我国东部浅部煤炭资源的不断减少，特别是开采已经几十年的淮北煤田，深部资源的开发成为必然。淮北矿区地质条件复杂，断层、破碎带等软弱复杂地层对深井连接巷道群和运输大巷围岩稳定性和支护体系的安全威胁越发严重，深部井筒马头门、水平巷道等掘进时冒顶、坍塌问题频出，使用过程中巷道变形严重、频繁修复、停工停产，造成重大安全隐患和巨大经济损失[1-6]。

针对上述现状，近年来，国内一些新建矿井采取了在井筒地面预注浆时，同时对井筒巷道群及运输大巷部位岩层预注浆加固工艺，取得了一定效果[7-12]。但是，由于采用的均为直孔注浆技术，受注浆孔数和扩散半径制约，地层加固范围和效果受到较大影响，无法根本改善该部位巷道底臌、变形以及支护破损等现象，急待研究一种注浆孔数少，注浆范围广，可有效加固巷道围岩的关键技术。而地面L型孔预注浆加固围岩关键技术及相关施工工艺，可大幅提高单孔注浆加固地层范围和质量，实现一组钻孔加固上百米水平(斜)巷道围岩，有效提高围岩自承力，并与支护结构形成共同承载结构，不但可解决深立井连接巷道群和井底车场大巷围岩稳定与支护问题，而且可显著减少垂直钻孔注浆加固工程量，缩短施工工期，消除深井建设安全隐患，对淮北矿区乃至国内类似条件矿区深部煤炭资源的开发建设具有重要的现实意义，应用前景广阔[13-16]。

本文采用理论分析的方法，结合现有岩体松动压力理论和可注性理论，分析岩体可注性的影响因素和裂隙岩体渗透的几何参数，利用现场压水试验，统计注浆段地层的单位吸水率，对信湖煤矿千米深井巷道中央水泵房和变电所注浆加固段巷道岩体的可注性进行评价，以期为L型钻孔地面预注浆加固巷道工程提供参考。

1 L型钻孔地面预注浆段地质条件

本次L型钻孔地面预注浆加固的千米深井巷道为信湖煤矿中央水泵房和变电所，巷道所处地层岩性为粉砂岩、细砂岩与泥岩(见图1)，井筒检查孔柱状图上的岩性描述如下。

砂岩：浅灰色，细粒结构，块状-碎块状，成份为石英、长石，含较多泥岩条带，裂隙发育，未充填，分选、磨圆好，钙泥质胶结，局部岩芯稍破碎。

泥岩：灰色-浅灰色，夹少许紫斑，泥质结构，块状，上部含大量植物根茎化石，底部含少许铝质，滑面发育，少许裂隙，平坦-参差断口，平行层理。

图1 中央水泵房(变电所)所处岩性图(单位：m)

巷道围岩岩体整体性较差，裂隙发育。掘进过程中，容易出现顶板掉块和片帮等事故；围岩一经人工扰动，裂隙沟通性增强，导致掘进工作面淋水现象严重；巷道围岩变形严重，支护工作难度加大，从而，加大了施工的危险性，影响了巷道掘进速度。

根据巷道断面设计和地面预注浆的特点，为保证巷道周边围岩通过注浆可以得到有效的加固，信湖煤矿中央变电所和水泵房加固段巷道断面布孔方式确定为三孔型。同时，为缩短工期，减少地面钻孔的数量及整个钻孔工程量，采取了L型单钻孔和水平分支孔相结合的钻孔形式，信湖煤矿井下巷道L型钻孔地面预注浆钻孔的布置方式如图1～图2所示。

图2 L型钻孔布置方式(单位：m)

L型钻孔中的620～1 190m(钻孔轨迹长度)为定向造斜段，经过地层的岩性主要为泥岩、砂岩交替出现，以泥岩地层居多，尤其是在垂深780～935m之间，泥岩以大段高连续出现，结合钻孔施工过程中的经验，钻进速度很快，施工过程中未出现塌孔、卡钻、掉钻、钻孔泥浆漏失等现象，泥岩的完整性较好，但抗压强度较低，未发现高角度裂隙，裂隙开度较小，地层容易受到外力扰动而破坏。

2 巷道注浆的必要性研究

信湖煤矿中央水泵房断面形状为直墙半圆拱形，高和宽均为7.0m。为便于计算，通过几何性将其简化为圆形结构。由地质资料可知，中央水泵房处围岩为砂岩和泥岩，岩性较破碎，故该支护结构承受的支护抗力可近似等于松动压力[17]33。松动压力的计算以围岩应力弹塑性分析为基础。该计算方法是仅考虑塑性区内的岩体自重并以其作为作用在支护上的荷载而建立的分析方法。

2.1 松动压力的假设条件

松动压力的计算方法又被称作卡柯(Caquot)公式[17]33，其在整个计算过程中作了如下的假设：

1)当巷道开挖后，巷道的围岩应力呈弹塑性分布。在塑性区充分发展后，塑性区内岩体的自重为作用在支护上的围岩压力；

2)在λ=1的情况下，取巷道顶的单元体为代表性计算单元进行分析，以考虑巷道的围岩压力最不利状态；

3)在塑性区边界上，岩体不作应力传递，即当r=Rp时，σrp=0。塑性区内的应力服从莫尔-库伦强度理论。

2.2 松动压力的计算

在巷道开挖后，岩体产生塑性区。在塑性区内的巷道顶部取一单元体。单元体的受力情况如图3所示。根据静力平衡条件可得如方程式(1)。

(1)

图3 松动压力计算简图

略去二阶无穷小量，并将sin dθ/2≈dθ/2，整理后得

(2)

式中：γ0为塑性区内岩体重度。

根据假设条件塑性区内的应力满足莫尔-库伦强度理论，该强度理论表达式如下

(3)

式中：c为岩石的凝聚力，φ为岩石的内摩擦角。

通过化简上式可得

σθ-σr=(σr+ccotφ)(m-1)

(4)

将式(4)代入式(3)得

(5)

求解上述微分方程并将边界条件(当r=Rp时，σrp=0)带入可求得

(6)

当r=ra时，即为作用在支护上的松动压力(pa)，式(6)也就可改写成通常称作为卡柯公式， 表达式为

(7)

当岩体中开挖一个以ra为半径的巷道后，在式(7)中，岩体强度的c，φ值为常数，松动压力主要取决于塑性区半径Rp的大小，当塑性区半径为ra时，即在无塑性区的情况下，pa=0。随着Rp的增大pa也将随之增大。

另外，在实际应用卡柯公式评价松动压力时，塑性区半径Rp，通常可按公式(8)计算。

(8)

式中：σc为岩石的单轴抗压强度，p0为围岩初始应力。

由式(7)和式(8)可知，影响松动压力的因素有凝聚力、内摩擦角、塑性区内岩体的重度、地压、岩石的单轴抗压强度等。在岩体的重度、地压确定的情况下，岩体作用于支护结构的松动地压与岩体的强度、凝聚力和内摩擦角关系密切，如图4～图5所示。

图4 支护结构承受的松动压力与内摩擦角关系图

图5 支护结构承受的松动压力与凝聚力关系图

由图4和图5可知，增大岩体的凝聚力和内摩擦角可效降低支护结构承受的松动地压，当岩体的内摩擦角从10°提高到20°时，支护结构承受的松动地压降低最显著。提高岩体的强度、增大岩体的凝聚力和内摩擦角最有效的途径是对巷道岩体进行注浆，以改善岩体的力学特性。

3 岩体的可注性研究

3.1 岩体的可注性定义

岩体注浆是浆液压渗到岩体的裂隙中并扩散到足够远的地方。岩体可注性是研究岩体能否让某种浆液渗入其裂隙的可能性，它既取决于裂隙岩体的渗透性，又取决于浆液的粒度和流动性[18]。一般来说，岩体可注性理论主要研究渗透注浆的岩体渗透几何参数与浆液粒度的比值满足的基本条件。因此，岩体可注性可定义为：在压力作用下，浆液渗透到岩体内的能力，以及浆液在岩体内的渗透能力。

3.2 岩体可注性的影响因素

根据上述岩体可注性的定义，影响浆液的可注性因素主要有如下3种：

1)浆液性质。浆液性质主要由浆材颗粒直径、浆液粘度和浆液流变性等所决定；

2)注浆工艺。注浆工艺主要包括注浆压力、注浆方法和注浆设备等；

3)岩体地质条件。主要指岩体内的裂隙分布特征以及裂隙宽度、倾角、粗糙性、连通性、填充情况、变形特性以及地应力水平等。

以上三种因素不能被孤立割裂，忽视了任何一个因素分析其可注性都会导致错误结果，进而影响注浆效果，甚至会直接影响工程运行期的安全。

3.3 裂隙岩体的渗透几何参数

裂隙岩体的渗流模型归结为两类：一类是岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙系统和孔隙好而透水性弱的岩块系统组成；另一类为裂隙介质模型[19-20]。裂隙介质的主要几何参数有节理裂隙的组数、平均厚度或平均体积开裂度。研究节理裂隙的方法有地质方法和水力学方法[21-22]。

地质方法是对露头的岩体节理裂隙的产状、间距/频率、裂隙的宽度、粗糙度、密集度进行量测和统计；在没有露头时，采用钻孔取样和钻孔物探调查。在不具备地质调查的条件下，可采用水力学方法。水力学方法是用裂隙岩体的渗透性来计算裂隙的宽度。岩体的渗透性与裂隙组数、裂隙宽度、间距、连通状况、裂隙内的填充物、裂隙面的粗糙度等因素有关。

因此岩体的透水性是多种因素的函数，用水力学方法计算裂隙的宽度存在多解性。通常在地质方法的基础上，采用水力学方法得出较好的近似值。裂隙岩体渗透性的各向异性与裂隙组数有关。组数越少(单组)，各向异性越强，组数越多愈趋向各向同性。反映裂隙岩体渗透性的指标有渗透系数和单位吸水率等，下面分别讨论它们与裂隙宽度的关系。

(1)裂隙岩体的渗透系数与裂隙宽度的关系

裂隙岩体渗透系数与土体渗透系数相似，是表征裂隙岩体透水性大小的一种“速度型”的物理量，用m/s或cm/s表示水在岩层内渗透得快慢。通常要用抽水试验方法来测定，它是将孔隙介质的水力学参数用于裂隙介质。

1)单一裂隙的渗透系数

(9)

(10)

式中：δ为裂隙张开度；A为裂隙的连续性程度；μ动力粘性系数；w为决定于裂隙相对粗糙度的系数；γw为液体的重度；a为裂隙面的绝对粗糙度；d为水力直径；g为重力加速度。

2)一组连续裂隙

(11)

(12)

3)断续裂隙组

沿裂隙方向的渗透系数可按下式计算

(13)

式中：Km为岩石的渗透系数；l为裂隙长度；h为沿裂隙方向上相邻裂隙中间的间距。

4)根据岩体的裂隙成因确定岩体裂隙参数

首先根据岩石类型和裂隙成因确定裂隙岩体的渗透系数和单位厚度裂隙率m(m=δT，T为裂隙稠密度，表示1m厚裂隙岩层所遇到的裂隙数目)；然后，根据裂隙率、渗透系数、裂隙的稠密度，确定裂隙的宽度。

5)用多孔介质推测裂隙介质参数

当裂隙宽度很小时，流体在其间流动与多孔介质的渗流现象相似，所以把水流在粒状介质中渗透看作是在粗糙裂隙介质中流动的极端情况，利用孔隙介质的渗透系数公式

(14)

做如下假设：

① 粗砂颗粒直径与孔隙平均直径有如下关系

d0=1.25mD0

(15)

② 层流时矩形断面内的水力阻力系数比圆形断面的阻力系数大1.5倍。矩形断面的孔裂隙水力半径r0=δ/2，则

(16)

式中：K1为孔隙介质的渗透率，n为岩石的孔隙率。

(2)裂隙岩体的单位吸水率与裂隙宽度的关系

抽水试验方法来测定渗透系数，费时而且费用较高，因而工程上多采用既简单又方便的压水试验。确定裂隙岩体渗透性的“数量型”物理量，即单位吸水率和单位吸水量。

1)单位吸水率和单位吸水量

压水试验成果多采用单位吸水率即ω来表示，其定义为每米水头作用下，单位钻孔长度内单位时间内的吸水量，表示式为

(17)

式中：ω为单位吸水率，L/(min·m·m)；Q为平均或选择的压入流量，L/min；P为用水柱高度计量的压水水头，m；L为试验段长度，m。

2)压水试验

压水试验的国际标准是吕荣压水试验方法和吕荣表示方法。吕荣压水试验方法，是法国地质工程师吕荣1933年为评定坝基岩层进行注浆的必要性而提出来的。当时采用约1MPa压力，将水压入5m长的试验段内，当求得每米钻孔压入流量为1L/min时即为1吕荣。吕荣试验方法经过多次修定，目前标准试验方法是，试验段的长度取5m，用三个压力点p1

(18)

根据五次的吕荣值相应的规范表，选用适当的吕荣值做为代表值。

1)吕荣值与吸水率之间的关系

吕荣值与吸水率值的关系为

Lu=100ω

(19)

试验成果表明，当透水性较小(Lu<5)时，岩缝内的流态属于层流。p-R关系多为直线关系。Lu与ω之间才符合式(19)关系。当Lu>5(即ω<0.05)时流态开始呈现紊流，p-Q关系多为曲线型。用式(19)算误差较大。

2)渗透系数与吕荣值之间的关系

当用压水试验来估算渗透系数时，方法有以下两种。

①Lu在20以下，可用下式来计算

(20)

式中：K为渗透系数；Q为压入流量；L为试验段长度；r0而为钻孔半径；Lu为吕荣值。

② 经验曲线法

库兹纳尔推荐的曲线中，K与Lu的近似值为

Lu> 30，K=10-5m/s

Lu=5～20，K=5×10-6～5×10-7m/s

(21)

Lu=1～3，K=10-7m/s

4 注浆段岩体的可注性评价

信湖矿副井基岩段先采用S孔地面预注浆法达到基岩段堵水及对不稳定地层加固的目的，后采用普通立井凿井法施工工艺掘砌到底。副井S孔地面预注浆施工过程中，进行了压水试验，统计得到了6个S孔各注浆段地层的单位吸水率。其中，注浆段的单位吸水率值(累深965～1 020m)如表1所示。

表1 信湖矿副井S孔段(累深965～1 020m)地层单位吸水率

本次L型钻孔地面预注浆加固巷道(中央水泵房和变电所)底板标高为-960m，副井自然地坪标高为+31.42m，则中央水泵房和变电所巷道底板累深为991.42m。中央水泵房和变电所巷道周边岩体的吸水率可按表1进行参考取值。由表1可知，岩体的单位吸水率平均值为0.002 3 L/(min·m·m)。将该单位吸水率代入到式(19)进行计算可得，中央水泵房和变电所巷道周边岩体的透水率为0.23Lu。

由国内相关注浆工程实践可知，透水率在3或5Lu以上的岩体，岩体的可注性较好；透水率1～3(或5)Lu之间的岩体，岩体的可注性一般，且需看岩体裂隙宽度如何再定；透水率小于1Lu的岩体，岩体的可注性较差。

中央水泵房和变电所巷道周边岩体的透水率小于1Lu，可知岩体的可注性较差。L型钻孔(定向造斜段620～1 190m)经过地层的岩性主要为泥岩、砂岩交替出现，以泥岩地层居多，泥岩的完整性较好，但抗压强度较低，未发现高角度裂隙，裂隙开度较小，工程地质条件同时也表明了岩体的可注性较差。

根据《立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法》，渗透系数按下列经验公式计算

(22)

(23)

式中：W为单位吸水量，L/(min·m·m)；K为渗透系数，m/d；L为压水段高，m；r为钻孔半径，m。

参考表1内单位吸水量的平均值0.002 3 L/(min·m·m)，代入公式(23)，可以计算出岩体渗透系数K取值2.16×10-3m/d。

综上所述，中央水泵房和变电所巷道周边岩体的可注性较差，如在巷道开挖施工期采用工作面注浆方法加固围岩，则很难达到预期效果。因此，为保证巷道周边围岩通过注浆可以得到有效的加固，同时，为缩短工期，减少地面钻孔的数量及整个钻孔工程量，信湖煤矿中央变电所和水泵房加固段巷道采取L型单钻孔和水平分支孔相结合的钻孔形式无疑是达到本次注浆目的较好途径。

5 结论

1)本次L型钻孔地面预注浆加固的千米深井巷道所处地层岩性为砂岩与泥岩，泥岩抗压强度较低，但未发现高角度裂隙，其完整性较好，裂隙开度较小，地层容易受到外力扰动而破坏。

2)通过巷道松动压力的理论分析可知，增大岩体的凝聚力和内摩擦角可有效降低支护结构承受的松动地压，当岩体的内摩擦角从10°提高到20°时，支护结构承受的松动地压降低最显著。提高岩体的强度、增大岩体的凝聚力和内摩擦角最有效的途径是对巷道岩体进行注浆，以改善岩体的力学特性。

3)由岩体的可注性分析可知，中央水泵房和变电所巷道周边岩体的可注性较差，如在巷道开挖施工期采用工作面注浆方法加固围岩，则很难达到预期效果。最终表明了采用L型钻孔地面预注浆加固围岩的必要性与可行性。

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