破碎煤岩巷道注浆加固材料实验及应用研究

梁旭超，马振乾,，祖自银，李桂臣，韩 森，官瑞冲，杨 威

(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；3.中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤炭开采工程中有大量巷道不可避免在节理多的围岩中进行布置，处于高应力环境的巷道受到工作面采动影响围岩极其松散破碎，巷道围岩稳定控制成为了一大难题。目前，大量学者针对破碎围岩巷道控制做了大量的实验并取得了一定的成果[1-3]。马振乾等[4]针对厚层软弱顶板煤巷地质条件，分析巷道破坏机理，找出影响巷道稳定性的关键因素，采用了锚杆支护和U型钢支护治理厚层顶板破碎难题；张红军等[5]采用锚杆结合锚注的支护方法加固巷道穿越软弱破碎的泥岩层，提高巷道整体承载效果；陈晓祥等[6]采用超前注浆+锚网索联合支护方式对断层破碎区巷道进行加固支护；秦江江[7]采用注浆方法对破碎围岩进行了加固，并通过现场观测实验提出了注浆综合效果的评价；李飞等[8]针对火铺矿巷道破碎松散围岩进行注浆，并对巷道移近量提出效果评价；彭英华等[9]针对裂隙围岩巷道破坏进行裂隙发育机理分析，通过实验选出水泥-水玻璃最佳配比并应用于现场，控制效果良好。

现阶段许多学者对控制破碎围岩巷道变形做了大量的理论及现场实验研究[9-14]，支护手段大多采用以锚网索结合注浆联合支护，注浆能够提高围岩的承载能力，因此注浆对控制巷道围岩稳定具有十分重要的意义。目前，对于注浆性能大多都采用理论分析、数值模拟以及现场就地取材实验研究方法，而对不同成分、不同水灰比浆液浇筑试件力学性质、微观结构、孔径分布特征之间关系研究较少。本文鉴于前人研究方法，以山脚树煤矿破碎围岩226轨道石门大变形作为工程背景，展开巷道围岩稳定分析及浆液配比室内单轴压缩、劈裂实验和压汞实验，分析不同配比、孔径分布、微观裂隙结构特征以及力学参数变化规律，确定最优的注浆材料配比。基于室内试验研究结果，对巷道支护提出建议，现场实施结果表明破碎围岩巷道稳定性极大提高，为类似地质条件下巷道支护提供一定的借鉴作用。

1 工程概况

山脚树煤矿位于西南地区盘县境内，属于盘江精煤股份有限公司年产90万t的矿井。226轨道石门下接22轨道石门(图1)，水平标高+1 170 m，距离地面垂直深度为812～892 m，依次揭露矿区23#煤层、22#煤层、21#煤层、20#煤层、19#煤层、18#煤层，其中23#煤层、22#煤层、21#煤层为煤线， 煤层倾角约为8°， 煤层顶底板岩性见表1。轨道石门上方布置22188综采工作面，工作面标高为+1 259 m。煤层间多为泥质粉砂岩及泥岩，节理发育较为明显，质地较软，尤其上部经过22188综采工作面回采过后，围岩极其破碎。

图1 266轨道石门巷道布置剖面Fig.1 Location profile of 226 rail haulage cross-cut

表1 煤层顶底板特性Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

226轨道石门断面为直墙半圆拱形，宽为5.2 m，高为3.2 m，原支护方案采用锚网索喷联合支护，帮部锚杆采用Φ18 mm×1 800 mm，顶部锚杆采用Φ20 mm×2 470 mm，间排距为700 mm×700 mm；锚索采用Φ17.8 mm×6 000 mm的钢绞线，间排距1 400 mm×700 mm；钢筋网Φ3.5～50 mm×50 mm；标号425水泥与沙子体积比为1∶2.5的混凝土喷层厚100 mm，原巷道支护设计如图2所示。

图2 226轨道石门原设计方案Fig.2 Design scheme of 226 rail haulage cross-cut

通过现场调研，该巷道变形破坏具有以下特点：巷道顶板下沉严重，出现大量的网兜，顶部锚索出现托盘陷入围岩内且拉断状况，顶底板最大变形量达1 900 mm；巷道两帮严重向内挤压，两帮之间最大变形量能够达到1 800 mm，帮部锚杆出现脱落，金属网外露，巷道断面呈M型。

在高应力环境中，围岩质地较软且自身存在节理，巷道连续穿层后，接触岩层间较大节理面，岩石随着时间推移，微小裂隙发育产生扩容现象，支护结构不断受到围岩带来的高荷载，最终导致巷道支护结构超过允许承载强度进而失效，与此同时围岩加速变形，塑性区范围急剧增加，巷道出现严重片帮，底鼓及顶板下沉。

为解决以上破碎围岩巷道支护难题，现场决定重点对巷道围岩进行注浆加固。为确定较优的注浆参数，以现有的原材料超细水泥及普通水泥按不同的混合比例和不同水灰比浇筑试件开展室内试验，测定试件的物理力学参数及强度，为破碎穿层巷道注浆支护设计方案理论提供依据。

2 室内实验

2.1 实验方案设计

根据现有的材料可知水泥有普通水泥和超细水泥，设置5种普通水泥和超细水泥的成分配比，超细水泥占比分别为0%、30%、70%、100%。水灰比设置2种比例，为0.45∶1和0.55∶1，见表2。将不同配比的水泥按方案称量重量，利用搅拌机将浆液搅拌充分，分别倒入提前准备好的模具当中，将磨具放到震动装置上方，震动出浆液中的气泡，待浆液固化形成试件后，拆模取出试件，利用磨平机将试件两个圆形截面进行打磨平整，要求截面的平整度误差小于0.02 mm，制作成为Φ50 mm×100 mm注浆试件。为了保证试件的均质性，试验前需对试件进行肉眼的筛选，对试件表面气泡性较大的试件弃用，尽可能精度满足岩石力学试验的要求。

表2 实验方案Table 2 Experimental scheme

2.2 浆液浇筑强度特征

注浆的强度是重要材料指标之一，关系到浆液与围岩构成固结体的稳定性[11]，所以研究不同配比浆液固结体强度特征对巷道围岩加固具有实际工程指导意义。为了分析浆液浇筑强度特征，室内采用岩石伺服机对浆液试件单轴抗压强度试验。因试件强度小于硬质岩石强度，本试验中采用位移控制，加载速率0.01 mm/s。根据试验方案，开展不同配比条件下的浆液浇筑试件抗压强度和劈裂测试，如图3所示。

从图3中可以看出，注浆体单轴应力应变曲线主要有四个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段。压密阶段过程中应力应变曲线呈现内凹型，该阶段过程注浆体内部微观空隙孔被压密，曲线斜率逐渐增大。随着轴向应力增加，轴向应力与应变呈现线性关系，这个过程为弹性阶段。塑性阶段，该阶段注浆试件出现宏观裂隙，并伴随声响及小部分注浆块被抛出，应力-应变曲线出现锯齿状的特征，主要是注浆试件内部微观裂隙扩展，部分应力集中，超过自身的承载极限瞬间形成较大的宏观裂纹，应力将会急剧下降，由于注浆主体依然较为完整，裂隙又进一步压实，应力还能逐渐升高。破坏阶段，随着较多宏观裂纹交叉贯通发育，最后注浆体整体强度急剧下降，整体失稳。不同超细水泥成分比例及不同水灰比单轴压缩实验结果见表3。

表3 浆液试件力学参数Table 3 Mechanical parameters of slurry

图3 试件单轴压缩应力-应变曲线Fig.3 The stress-strain curve of the specimen

2.3 注浆体强度及弹性模量变化规律

为了分析不同超细水泥含量、不同水灰比对注浆液注强度及弹性模量的影响，将不同超细水泥含量、不同水灰比得到的强度及弹性模量进行统计，见图4。从图4中可以看出，随着超细水泥含量增加，浆液的抗压强度呈现先增大后减小的现象。超细水泥含量占70%时的强度都大于其他占比的强度。同时水灰比0.45∶1的浆液单轴抗压平均值为19.9 MPa；水灰比0.55∶1的浆液单轴抗压平均值为13.8 MPa；水灰比0.45∶1的浆液比水灰比0.55∶1的浆液强度增加近44.2%。原因在于水灰比为0.55∶1时的浆液流动性较好，注浆效果好，但浆液含水泥量较少，浆液整体强度降低，单轴抗压强度平均值整体较低。

图4 不同配比浆液浇筑强度规律Fig.4 The strength rule of different ratio slurry

随着超细水泥占比的增加，浆液的抗压强度及抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，这主要是普通水泥颗粒粒径较大，颗粒之间含有较多的空隙，超细水泥颗粒粒径较小，普通水泥和超细水泥颗粒能够相互啮合，空隙较少，整个注浆体整体完整性较高，具有较高的强度。

弹性模量是反应材料抗变形能力的指标，通过应力-应变曲线可以得出材料的性模量，从而能够进一步分析不同超细水泥占比及不同水灰比下弹性模量的分布规律。从图5中可以看出，不同水灰比随着超细水泥的含量增加弹性模量有先增加后减小的趋势。水灰比0.45∶1的弹性模量均大于0.55∶1，水灰比0.45∶1平均弹性模量为2 369.6 MPa，水灰比0.55∶1平均弹性模量为2 053.6 MPa，0.55∶1比0.45∶1的水灰比弹性模量平均值降低了13.3%。从图5中可以得到两种水灰比下，超细水泥含量占70%时弹性模量都达到最大值。同一水灰比下，浆液的抗压强度高，弹性模量较大，与不同超细水泥含量注浆体抗压强度变化规律一致。

图5 不同配比弹性模量Fig.5 The elastic modulus of different ratio slurry

3 注浆孔隙特征分布规律

浆液内部微观结构与宏观抗压、拉强度有着直接的影响，因此采用AutoPore IV 9500压汞仪对浆液浇筑试件实验。压汞实验原理是将实验样品在真空状态下通过增加液态汞的压力使之进入样品的裂隙当中。采用压汞法对平均弹性模量及平均抗压强度较高的水灰比0.45∶1注浆体试件进行测试， 测试结果如图6所示。

从图6中超细水泥占比70%和100%进汞曲线可以看出，当压力为5～1 800 Pa时，该阶段进汞曲线平缓，表明试件大于100 nm的孔径较少。超细水泥占比0%和30%在压力初期进汞量较多，说明相对存在较多大于100 nm的孔隙。在压力超过1 800 Pa时，四个注浆试件进汞曲线急剧上升，表明内部含有大量的小孔。从退汞曲线可以看出，在高压下的退汞都较为缓慢，有较明显的滞留环，表明试件当中有大量的连通空隙。 从数据可以看出，总进汞量随着超细水泥增加而减小，表明超细水泥颗粒与普通水泥颗粒能够啮合，空隙率降低。 大量学者将>1 000 nm、1 000～100 nm、100～10 nm、<10 nm分别分为大孔、中孔、小孔、微孔。对不同超细水泥占比进行空隙统计，见表4。从空隙体积方面，随着超细水泥含量的增加，孔隙度不断地减小，大孔及中控孔容比下降，小孔及微孔孔容比上升，表明采用超细水泥能够降低孔隙率及提高小孔、微孔的孔容比，同时浆液试件内部较大空隙减少，强度得到提高。采用浆液注浆围岩，孔隙率低的浆液在高压泵作用下能够更容易深入围岩内部扩散至微小裂隙，将带有裂隙的围岩凝聚固化效果，起到加固围岩的作用，提高围岩强度。

表4 不同配比浆液孔容比Table 4 The pore volume ratio of different ratio slurry

图6 进退汞曲线图Fig.6 The intrusive mercury curve of different ratio slurry

根据室内实验结果水灰比采用0.45∶1、超细水泥占70%的浆液，抗压强度最高，抗拉强度及抗拉强度能够达到最大值，浆液内部孔径小，针对山脚树破碎围岩的特性，该配比浆液在高压注浆泵作用下能够侵入裂隙围岩内部，提高围岩的强度以及完整性，从而整体提高巷道的承载能力。最终确定的注浆浆液超细水泥占70%，水灰比为0.45∶1。

4 工业性实验

根据现场调研、巷道失稳控制对策及注浆实验效果，提出“双层锚网+中空注浆锚索”联合支护控制技术，即：在初次支护采用金属网、锚杆、锚喷、注浆；二次加强支护采用加长锚杆、金属网、锚喷层和中空注浆锚索。具体支护参数如下所述。

初次支护采用Φ22 mm×2400 mmⅣ级左旋无纵筋螺纹钢锚杆配两根2支Z2535树脂药卷(一支快速，一支中速)，间排距为800 mm×800 mm，底脚布置与水平成20°～40°锚杆；金属网采用Φ6 mm冷拔电焊钢筋网，网孔规格为100 mm×100 mm；喷射50 mm厚混凝土覆盖金属网；采用风钻打孔径Φ=36 mm、孔深2 800 mm，间排距为1 800 mm×1 200 mm的钻孔，用4分钢管进行浅孔注浆，注浆压力为3 MPa。

二次加强支护采用Φ22 mm×3 000 mm Ⅳ级左旋无纵筋螺纹钢加长锚杆配和2支Z2535中速树脂药卷；金属网采用Φ6 mm冷拔电焊钢筋网；复喷50 mm后混凝土断面布置5根Φ=21.6 mm×8 000 mm中空注浆锚索，排距为1 600 mm，每根锚索配300 mm×300 mm×15 mm高强度拱形托盘和4支Z2535中速树脂药卷，锚索施工在工作面后方30～40 m处施工，注浆压力为5～7 MPa。

为了验证巷道实施“双层锚网+中空注浆锚索”支护效果，对围岩变形进行位移监测。 实施支护后，巷道顶底板及两帮得到有效的控制，最大顶底板变形量控制在280 mm以内，两帮最大移近量为253 mm，比最初方案变形分别减少了85%和86%，锚索受力在100～120 kN趋于稳定，说明破碎围岩在浆液作用下构成较好的完整体，使得巷道布置的锚杆索发挥出良好的作用，具有较优的控制效果，能够满足安全生产要求。

5 结 论

1) 山脚树煤矿226轨道石门多次揭露煤层，围岩节理较多且处于高应力环境，支护结构不能支撑围岩变形阻力，原支护不能满足控制巷道大变形的能力。

2) 通过巷道大变形的特点，分析破坏机理，提出注浆能够提高围岩的承载能力有利于巷道稳定控制，并通过单轴压缩实验结果及压汞实验分析得到最优配比浆液，超细水泥占70%，水灰比为0.45∶1。

3) 根据室内实验得出的最佳配比结果，针对山脚树226轨道石门破碎围岩巷道提出“双层锚网+中空注浆锚索”联合支护方案，并现场进行注浆实验及巷道变形监测，与原方案相比顶底板变形量减少了85%，两帮变形量减小了86%，锚索受力在100～120 kN趋于稳定，提出的联合支护方案和浆液对巷道围岩具有良好控制能力。