地质构造影响区松软破碎巷道围岩注浆加固技术

朱相合

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司云森环境科技分公司，山西 霍州 031400）

随着煤岩采深增加，井下采掘作业面受到地质构造影响更为明显，在地质构造复杂区域内进行的采掘活动会破坏岩层原有的应力平衡，使得巷道围岩变形量增加[1-2]。针对地质构造破碎区域，巷道围岩采用普通锚网索支护难以对围岩变形进行控制，同时容易出现锚杆支护体系失效、钢架棚弯曲等问题[3]。文中以山西某矿805运输大巷过陷落柱、断层为工程背景，针对围岩松软破碎问题提出采用注浆加固方式对围岩控制，确保巷道掘进及使用安全。

1 工程概况

矿井805运输大巷沿南北方向布置，主要用于原煤运输、通风机行人，巷道断面为半圆拱形（宽×高=4.2 m×5.17 m），采用钢棚+锚网索联合支护法支护。由于巷道掘进区域断层、陷落柱较为发育，从而造成围岩破碎。根据前期勘探成果，发现巷道掘进范围受到6处断层、陷落柱影响显著，巷道在现有的围岩支护技术下变形严重，其中顶底板最大变形量在1 000 mm、巷帮移近量达到1 560 mm。具体805运输大巷位置及构造分布情况见图1。

图1 805运输大巷位置及构造分布示意图

2 围岩注浆作用分析

2.1 充填加固

注浆加固是通过向煤岩体内注入有机或无机浆液来达到改善围岩物理力学性质。对破碎岩体进行注浆后，在注浆影响范围内的岩体裂隙被注浆浆液充填并将破碎岩体胶结为一个整体，增加破碎岩体提升围岩岩体自身的内摩擦角及粘聚力，从而达到提升岩体承载能力及稳定性目的。

2.2 增强锚杆支护效果

锚杆支护是现阶段矿井主要支护措施，锚杆支护一般采用端头锚固形式，相对于全长锚固而言其提供的承载力较小。根据以往研究成果可知对端锚锚杆注浆加固后，可将锚杆由端锚转换成全锚，从而提升锚杆支护效果[5-6]。

2.3 形成支撑骨架

在注浆压力作用下注浆浆液沿着岩体裂隙扩散，由于破碎岩体裂隙一般相互连通，所以注浆浆液胶结后会形成结构连续的支撑骨架。形成的支撑骨架可使得原本破碎的岩体具有完整的形态，从而达到提升岩体强度目的，具体注浆后形成的支撑骨架结构见下页图2。

3 巷道注浆施工

3.1 方案设计

3.1.1 注浆孔位置及孔深

根据805运输大巷掘进区域内断层、陷落柱等地质构造发育情况，在巷道顶板、巷帮及帮肩等位置布置注浆孔，孔深、孔排均为3 m。

顶板、巷帮及帮肩均各布置1个注浆孔，顶板及巷帮注浆孔垂直顶板、巷帮布置，帮肩注浆孔与水平方向有50°夹角，具体注浆孔布置位置见图3。

图2 支撑骨架结构示意图

图3 巷道注浆孔布置示意图（mm）

3.1.2 注浆材料

805运输大巷注浆选用水泥、JCT-2复合剂、JCT-3固化剂混合而成的复合材料，具体配比为：JCT-3固化剂∶水∶（水泥+JCT-2复合剂）=1.5∶0.5∶1。JCT复合剂添加量为水泥量的15%。

3.1.3 注浆压力

注浆材料选用复合材料，由于地质构造造成的巷道围岩较为破碎，为了确保巷道围岩在注浆过程中不会出现由于注浆压力过大导致围岩再次被劈裂问题，将注浆压力设计为2~4 MPa。

3.1.4 钻孔注浆量

巷道每米注浆量Q可通过下式计算：

式中：ρ为注浆浆液密度（取值1 585 kg/m3）；β为注浆充填系数（取值0.6）；λ为注浆浆液损失系数（取值1.4）；η巷道围岩孔隙率（取值3%）；L为注浆孔深孔（取值3 m）；h为巷道直墙段高度（取值1.95 m）；b为巷道拱形段长度（取值6.6 m）。

将上述参数带入公式（1）即可求得805运输大巷在围岩破碎区内每米长度需要的注浆量Q=1 254.2 kg。根据注浆钻孔布置方案，并预留1.3的注浆富裕系统，则单个注浆孔的平均注入量为1 630 kg。

3.2 注浆质量控制

由于805运输大巷围岩破碎，为了确保注浆效果，将围岩注浆分循环布置，即为采取跳注方式，间隔一个注浆孔注浆。循环注浆长度控制在12 m，具体注浆步骤为：

1）先对巷道左帮进行注浆，当注浆长度达到12 m（即为完成2个注浆孔注浆时）将注浆泵及附属设备右帮进行注浆；待巷帮注浆完成后再对顶板进行注浆，从而完成一循环注浆（共计完成6个注浆孔注浆，左帮、右帮及顶板各完成2个注浆孔注浆）。

2）当巷道完成一循环注浆后，再开始堆右帮剩余的2个注浆孔进行注浆，右帮注浆完成后依次对左帮、顶板进行注浆。从而完成二循环注浆。具体一、二循环注浆过程见图4。

图4 一、二循环注浆示意图

4 注浆效果分析

由于注浆为隐蔽工程，注浆完成的注浆效果难以直观表达。为了考察注浆效果，采用钻孔窥视仪（型号CXK12）窥视注浆后围岩裂隙充填情况，从而对注浆效果进行判定。在注浆加固区共计布置8个窥视钻孔，具体部分窥视钻孔窥视图像见图5。

图5 钻孔窥视图像

从图5中看出，通过对围岩注浆加固后，在离巷道表面0~0.15 m范围可在围岩裂隙中清晰看到注浆浆液固化形成的暗红色材料；在离巷道表面0.15~2.00 m范围内可清晰看到大、小缝隙均被注浆浆液充填，从而使得破碎岩体被注浆材料胶结；在离巷道表面2.00~3.00 m范围内钻孔孔壁完整，注浆材料在巷道表层围岩内均匀扩散。从钻孔窥视结果可得出，注浆浆液在破碎围岩裂隙中扩展，胶结后可提升围岩整体强度及稳定性。

对注浆完成后巷道围岩变形量进行观测，发现注浆完成60 d后巷道顶板、巷帮最大变形量均在10 mm以内。

5 结语

805运输大巷围岩在断层、陷落柱影响下松软、破碎，从而造成巷道围岩控制困难，给后续的使用带来不利影响。在对注浆加固作用分析基础上，根据运输巷实际地质及支护条件，对注浆加固方案及加固工艺进行详细设计。现场应用后，巷道周边3 m范围内的破碎围岩裂隙被注浆浆液充填，围岩稳定性得以显著提升，并将巷道围岩变形量控制在10 mm以内。