注浆加固支护在破碎带及软弱岩层中的支护实践

李鸿维 毛加宁 龚留飞

（1.云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655000；2.富源县打磨塘煤矿，云南 富源 657200）

曲靖市富源县打磨塘煤矿的含煤地层岩性以泥质粉砂岩、菱铁质粉砂岩等为主，为软弱岩层，矿井断层多，构造破碎带煤层顶底板节理裂隙发育、破碎、稳定性差，传统的梯形矿工钢支架、U 型可缩性支架、锚网带锚索等支护存在巷道支护成本高、支护效果不理想、巷道维护困难、维护成本高、安全隐患多等问题。针对上述问题，经过多年对煤层顶板稳定性等进行综合分析研究，不断总结注浆加固支护技术和调整注浆参数[1-6]，确定注浆压力、注浆孔布置方式、间距等注浆加固支护相关参数，解决煤矿多年在破碎带及软弱岩层中的支护效果不理想的问题，达到有效支护巷道的目的。

1 概况

打磨塘煤矿矿井范围内地层由老至新主要有：二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2β）、龙潭组（P2l1～P2l3）；三叠系下统卡以头组（T1k）、飞仙关组（T1f1～T1f5）；第四系（Q）。龙潭组是区内主要含煤组，岩性为灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩，夹菱铁岩薄层。

矿井范围内地质构造主要以断裂构造为主，褶皱构造相对发育。区内断层以正断层为主，断层破碎带宽5～20 m，岩石破碎，断层角砾发育，多为泥质胶结物，力学强度较低，与地层走向斜交的断层破碎带一般不发育，但次生裂隙较发育，岩石的力学强度相对较低。

2 注浆支护方法及参数确定

2.1 注浆加固支护与围岩结构关系

注浆加固支护就是通过注浆填充地质构造弱面，改变围岩的自身结构，使破碎岩体和松散岩体变为近似块状结构和整体结构的岩体，提高整体岩体的自承能力，改善巷道的支护效果，确保巷道的稳定性。多数矿井虽然也采取了注浆技术，但巷道支护效果仍然不理想，这主要是注浆参数选取不合理所致。注浆参数直接关乎注浆效果的好坏。

2.2 注浆加固支护方法

注浆加固支护一般采用径向注浆法施工，只有在较松散的围岩中，才采用沿巷掘进方向的周边注浆施工。径向注浆施工紧跟临时支护，距离掘进迎头5～10 m 距离为一个施工段，径向注浆纵向间距1.8～2.5 m，孔口环向距离0.8～2.0 m。一般弱面发育取小值，反之取大值，孔口环向距离一般依次从大到小，巷道底部、巷道拱部、巷道拱墙、巷道拱角，注浆孔多采用梅花形布置较好。

2.3 注浆加固支护参数确定

注浆参数的确定是注浆加固支护设计的主要组成部分。构造破碎带巷道注浆加固支护参数的选择对注浆加固支护效果、成本影响较大。注浆加固支护参数主要包括注浆深度、注浆浆液及配比，注浆孔间距、排距，注浆扩散半径、压力及注浆衰减量等。

（1）注浆深度

注浆深度主要与围岩性质、围岩破碎程度、围岩的松动半径、地质构造等因素有关。破碎巷道注浆的目的是加固松动围岩，增强围岩的自承能力，降低巷道的支护成本和支护难度，增加巷道的稳定性。因此注浆深度必须覆盖巷道周围的松动圈，一般大于巷道半径的2～3 倍效果较为理想。

（2）注浆浆液及配比选择

注浆加固支护一般采用单液水泥浆液来注浆，一是成本相对较低，二是配料简单，三是效果较好。如果破碎区以泥岩为主，则可采用2 种不同浆液按照一定比例混合后进行注浆，浆液混合比要根据围岩塑性和流动性进行选取。

单液水泥浆浓度（水∶水泥）一般为1∶1～2∶1，裂隙较发育的可取小值，反之取大值，泥岩等较难充填的围岩可适当增大到3 ∶1。水泥、水玻璃浆浓度（水泥浆:水玻璃）体积比一般为1 ∶0.3～1 ∶1，具体配比应根据现场试验数据进行调整和确定。

（3）注浆压力

注浆压力是指注浆段上承受的压力，对于控制注浆的效果来说非常重要。在复杂地质构造段增大注浆压力可以将浆液压入到细小的岩层裂隙、空隙中，还能扩大浆液的扩散范围，降低钻孔数量，缩短施工时间，节约施工成本。然而，过高的注浆压力易造成从巷道表面渗液，造成岩体破坏等，导致注浆难度增加，注浆效果不理想。

工作面注浆压力可按设计静水压力的2～3 倍来计算选取。注浆压力主要与加固围岩的裂隙发育程度和渗透率难易程度等因素有关，可根据经验公式进行计算。

式中：P为最大注浆压力，MPa；P0为注浆压力初值，其取值范围为0.5～1.5 MPa；k1为注浆方法系数，其取值范围为0.8～1.4（沿掘进方向周边注浆取1.0，径向注浆取2.0）；k2为注浆段地质构造复杂程度系数，其取值范围为1～3.0（地质构造复杂取1.0、地质构造简单取3.0，中等取1.5）。

（4）注浆扩散半径

在复杂地质构造中，采用特定的施工工艺，巷道围岩的浆液扩散范围用浆液的扩散半径来表示，它是注浆时确定注浆位置的关键参数之一。计算注浆扩散半径，主要采用松动扩散理论或弹性波传播速度确定，一般可按巷道平均半径的1～3 倍来计算选取。

式中：R为注浆扩散半径，m；R0为巷道平均半径，m。

（5）注浆孔布置方式与孔径

一般来说，在地质构造较复杂地段，在破碎带或裂隙上沿走向直接布孔，以深孔为主，浅孔为辅。矩形孔排列，开口距一般在0.5～2 m 左右；一字型排列，开口距一般在1.0～2 m 左右。如果只是单纯加固注浆，一般采用均匀等距布孔，以中、深孔为主，孔向垂直巷壁，多采用三花眼或矩形眼布置，开口距一般在1.5～2.5 m 左右，裂隙发育孔距应大一些，反之，孔距应小一些。还可参照单位注浆量、透水率等确定注浆孔间距、排距。注浆孔径应根据地质条件、钻孔深度和注浆工艺确定。根据该矿多个构造破碎带巷道注浆加固支护注浆孔的现场经验，注浆孔径一般在（Ф22～Ф40） mm。

2.4 注浆加固支护施工

注浆施工前，应根据施工区域内的相关水文地质条件、工程地质条件、巷道设计的断面和相关施工技术参数编制巷道施工组织设计和安全技术措施。巷道施工组织设计主要包括工程概况、工程地质及水文地质条件、施工目标及要求、施工方案、施工工艺及主要技术参数等内容。

（1）施工设备及注浆材料

以打磨塘煤矿1835 m 轨道运输石门注浆巷道为例。注浆加固支护100 m 巷道所需注浆设备及材料：ZU700 型钻注一体风动钻机和钻头各2 台，直径分别为Ф50 mm 和Ф42 mm 的1 m 和2 m 的麻花钻杆各2 根，在施工地点配备好注浆机，型号为ZBYSB60/33-18.5 注浆泵1 台，锚杆钻井1 台，搅拌机1 台，Ф22/32-2100 和Ф22-5100 注浆花管分别为717 根和467 根，Φ16×15 000 和Φ16×2000的高压胶管各2 根，Φ16 的密封圈50 个，与孔口注浆管配套管接头5 个，与搅拌机出浆口配套的球阀5 个，连接球阀与吸浆管3 个，直通5 个，管钳和活动扳手（12、10）各1 把，325#水泥326 t（根据注浆现状确定）。

（2）施工工艺

注浆加固支护工艺流程：定眼位→钻眼→检查钻孔质量→安装注浆管路→准备浆液→开泵注浆。注浆时注浆压力由小到大进行调整，当注浆液的压力达到6 MPa 时停止注液。注浆过程中，一旦发现巷壁松动、跑（漏）浆、注浆压力异常下降时，必须立即停止注浆，查明原因，采取措施处理完毕后，方可注浆。

（3）注浆施工

根据施工组织设计和安全技术措施严格按注浆施工工艺流程进行注浆加固支护施工，在施工中要注意施工质量管理，确保工程质量。

2.5 经济效益分析

根据巷道断面和围岩性质确定注浆孔布设方式、数量及深度，并计算注浆工程量。

1835 m 的轨道运输石门、胶带运输石门在原锚网带喷索支护的基础上采用注浆加固支护，注浆加固支护工程量分别为427 m 和392 m，平均每米巷道需消耗325#普通硅酸盐水泥3.26 t，水泥单价按420 元/t 计算，1835 m 轨道运输石门、胶带运输石门注浆加固支护费用为112.14 万元。采用注浆加固支护后，2 条石门有效支护时间可达2 年，2 年内不需要返修。1835 m 轨道运输石门、胶带运输石门原锚网带喷索支护费用为2375 元/m，每1 年需要采用同样的支护方式返修1 次，3 年返修3 次，返修费用为389.03 万元。1835 m 轨道运输石门、胶带运输石门注浆加固支护，可以在采用锚网带喷索支护方式检修的基础上减少费用276.89 万元，且减少了巷道返修时间及巷道返修对矿井安全生产的影响，有利于矿井安全生产，降低原煤生产成本。

3 结语

（1）通过对曲靖打磨塘等多个煤矿的构造破碎带巷道围岩注浆加固支护效果总结分析可以看出，井巷围岩注浆加固明显提高了岩体的整体自承能力，提高了围岩自身的强度，巷道注浆充填加固支护效果较好。但也有部分煤矿巷道注浆充填加固支护效果不明显，主要原因是对注浆相关参数的选取不合理，注浆不充分、不饱满。可以看出，确定合理的巷道注浆充填加固支护参数对巷道注浆充填加固支护效果十分重要。

（2）总结注浆加固支护经验，注浆后围岩的单向抗压强度应不低于岩石的单向抗压强度的82%，围岩注浆加固支护效果较好，实际单孔单位耗浆量递减率在30%～68%之间。完成单孔注浆加固支护的控制标准主要有2 个，一是注浆终孔压力不小于静水压力的95%，二是注浆流量小于40 L/min，并能持续在30 min 以上。达到这2 个控制标准状态，围岩注浆加固支护效果较好。