立体联合注浆加固技术在动压巷道支护中的研究与应用

吕源

（冀中能源峰峰集团有限公司 羊东矿，河北 邯郸 056200）

国内外比较先进的支护理论主要有3 个。新奥法理论提出“在进行工程围岩稳定时，必须了解原岩应力及开挖后的岩体强度变化”和“节理裂缝对岩体工程稳定的作用”；应变控制理论，围岩的变形随支撑结构的增加而减小，而允许的应变则随着支撑结构的增大而增大，采用增设支护结构，可以使围岩变形在允许范围之内；董方庭等提出松动圈学说，将围岩开挖时产生的松动区称作围岩松动区，认为围岩开挖后围岩松动区的支护是以破裂（扩展）力为主的支护，支护的目的是控制这种破坏（扩展）力所造成的破坏变形，其困难程度可通过定量的围岩强度和地应力参数来表示。

灌浆加固的机制主要是：①加固岩体的裂缝，裂缝填充后，裂缝端部的应力分布明显减小，甚至消失，从而使裂缝扩展和破坏机理发生变化，并对其流变变形起到抑制作用；②对岩体表面的应力状况进行了改进，注浆压力消失后，采用锚喷支护，使其在岩体上的受力得到了进一步的加强，由此，可有效地改善围岩的应力状态，提高其强度，并且围岩得到了较好的稳定。

1 概 况

羊东矿矿井埋深大，矿压显现明显。随开采的影响，矿井每年需整修巷道工程量近5 000 m，尤其是作为生产采区的开拓、准备巷道，每次翻修不仅占用开掘队伍、花费大量资金，影响矿井生产地区衔接，制约企业发展。为解决这一问题，该矿在五二轨道上山锚网喷索支护的基础上，应用壁后注浆加固技术，采用浅层注浆孔与深层注浆锚杆结合注浆，提高巷道整体稳定性。通过合理的后期监测手段对注浆效果进行评价并对注浆参数进行调整，降低了工程巷道翻修率。

2 联合注浆加固技术

2.1 巷道布置及支护情况

五二采区为矿井目前主要生产采区，正在回采8270 工作面，深部还有8471、8268 两个工作面尚未回采。采场的准备模式是2 煤层和4 煤层的联合布置，采用单侧向采煤。从工作面向下的顺序为轨道上山、皮带上山、回风上山（图1）。预计采区准备巷道剩余服务年限至少为8 a，所以降低该巷道维修率、延长周期对矿井有重要意义。

图1 巷道布置Fig.1 Roadway layout

五二轨道上山担负五二轨道运输及行人任务。巷道高度-587～-747 m，深度650～790 m，在2号煤底板和4 号煤顶板之间，采用穿层式方法掘进。煤巷围岩主要为粉砂岩、页岩，岩体间夹杂着泥质条带，岩体易吸水、膨胀。岩体横向、纵向节理较发育，具有脆性，易风化片落。岩石中局部透镜状结核特别发育，结核与围岩胶结强度低，极易片落。煤岩层为单斜构造，倾角6°～26°，局部断层发育，断层走向与巷道方向夹角30°～70°。

巷道原支护形式为锚网喷索联合支护，局部巷段采用套加可缩性U36 钢支架补强支护。锚固采用高强度左旋锚，直径为22 mm，长2 000 mm，每列间距700 mm。锚索采用直径21.6 mm、长7 000 mm 的钢绞线，间距为1 400 mm，每列5 个锚缆，喷射混凝土强度C20，喷射层厚度100 mm。

2.2 巷道破坏情况及原因分析

2.2.1 巷道破坏情况

采区竣工后，巷道围岩受力难以达到稳定状态，变形破坏严重，距工作面较近侧的轨道下山表现尤为明显。其特征为底板隆起，随后两帮开裂，内挤收敛，顶板下陷，变形后断面形状表现为马蹄状。巷道围岩的变形初始速度较快，变形不断，较难保持稳定。两组初始最大收敛速度为12 mm/d，持续变形速率1.5 mm/d 左右，导致巷道维修周期短。

2.2.2 巷道破坏原因分析

（1）拱正顶部出现砼层开裂，金属网折曲错断，巷道破坏形式明显体现出巷道受水平应力远大于垂向应力。

（2）底鼓严重，伴随拱基线以下呈曲线内挤收敛，尤其底脚处两帮移近量大，经多次扩刷、卧底整修后，造成巷道底脚围岩完整性破坏。

（3）巷道围岩岩性的主要成分是泥质粉砂岩和页岩，岩石强度弱，单轴抗压强度低，巷道埋深大，属于工程软岩范畴，巷道围岩具有流变性。

（4）锚索拉断、脱落，锚杆无明显破坏，因锚索延展率小，让压空间不足，不能适应围岩的剧烈变形。

2.3 联合注浆方案

根据上述分析，决定采用深浅孔联合注浆加固配合锚网喷索支护技术应用于五二轨道上山整修施工。由于巷道多次整修，围岩本身破碎严重、裂隙发育，尤其底脚围岩整体性破坏极其严重，所以要求浅孔注浆尽可能紧跟整修头；深部注浆滞后，利用注浆锚索进行施工。

2.3.1 注浆参数

（1）浅孔注浆参数。

注浆孔间距1 400 mm，排距700 mm，孔深3 000 mm，孔口管采用1.2 吋钢管，长度为600 mm，外端头处50 mm 为连接丝扣。两底角注浆孔与巷道底板呈下斜45°打设，其余注浆孔均垂直于巷壁。注浆孔滞后整修工作面迎头10 000 mm。注浆以水泥浆料为主，采用42.5 等级的一般硅酸盐水泥，按质量比（0.7～1）∶1 的比例进行注浆，当注浆量较大时，应增加其浓度。

（2）深孔注浆参数。

利用中空注浆锚索进行深孔注浆，锚索的规格为φ22 mm×7 500 mm，其间排距为1 200 mm，每排布置7 根注浆锚索，锚索钻孔孔径32 mm，孔深7 200 mm，每孔注2 支Z2850 型树脂锚固剂。注浆锚索滞后工作面迎头30m。

采用混合灌浆料，即525 水泥按1∶2 比例配制水灰比，再掺入8%ACZ-I 灌浆助剂。

2.3.2 浅孔注浆施工技术

（1）根据间距的需要，在指定眼位上打洞。注浆采用水泥浆料，采用42.5 等级的一般硅酸盐水泥，按质量比（0.7～1）∶1 的比例进行注浆，次序从下往上，浓度随量增大。

（2）在注浆前，将注浆管进行注水冲孔，每次钻孔至少需要10 min 以上。间歇注浆，间隔30 s。在灌浆压力为3～4 MPa，维持20 min 后，关闭阀门，完成灌浆并及时封闭，防止浆液外泄。

（3）注浆泵的控制。根据巷道情况，适时启动、停用注浆泵，并时刻关注注浆泵的灌浆压力，防止出现堵管、崩塌、漏浆现象。掌握灌浆流量、灌浆压力，及时拆除、清除灌浆阀门、管线。另外，管口丝扣连接要紧固严密。

（4）应严格按设计的部位、角度安装注浆管道并施工。在注浆期间，当压力达到1.5 MPa 时，泵不能停止。严格按照规定比例进行混合。在井下发生大量的泥浆渗漏时，应在注浆前先堵塞一段时间。保留每次的灌浆记录。

2.3.3 中空锚索注浆施工工艺

（1）钻注浆锚索孔。钻顶的位置是设计位置，运用的工具是锚杆钻机，帮锚索直径32 mm。钻孔深度较注浆锚长度短300 mm。

（2）安装注浆锚索及封孔。将2 根K2850 树脂锚固剂用空心锚绳缓慢推进到钻孔内，再用锚杆机械进行搅拌，用足够棉丝在距锚索外端（注浆口端）500～800 mm 处顺时针缠绕锚索表面,在钢索与孔壁间填塞严密，用水泥迅速封闭。然后再装入托盘，不要预先压紧，待注浆完毕后再进行预紧。

（3）配料。将混合桶用清水冲净，按一次灌浆孔的数量决定，按照1∶2 的水灰比，同时加入水和525 号水泥并进行搅拌，水泥的添加应缓慢连续。在此期间，添加8%acz-i 灌浆料，并持续搅拌5 min。

（4）注浆。为防止钻孔崩塌，注浆效果不好，应在相同的排锚索完成后，马上进行注浆。卸下锚栓，将注浆设备与锚杆末端的内螺纹相连接，慢慢旋紧注浆设备，并检查与注浆泵相连的注浆管道是否通畅。注浆要缓慢，在搅拌过程中要进行灌浆。在灌浆过程中，搅拌的速率会降低。注浆时，若听到灌浆泵有低沉响声，则表示注浆泵的压力已经达到最大（7 MPa)，说明浆已注满。可关掉注浆泵，等2～3 min，再用另外的缆绳注浆，直至注满。

2.4 施工质量监控及补充措施

壁后注浆施工隐蔽性强，必须加强施工质量与注浆效果监控，此次应用1 台TYGD 型岩层钻孔探测仪来对巷道围岩裂隙变化情况和注浆效果进行仔细观察。

每10 m 施工1 组探孔，分别位于巷道顶部及两帮腰线位置，利用岩层钻孔探测仪对注浆效果进行观测，发现原位于浅孔中间局部区域未能有效充填。经分析巷道为穿层布置，围岩中沿巷道走向裂隙连通性差。为此，每两排浅孔间再增加一排进行二次注浆，注浆参数与第一次相同。再次进行效果检验时，充填效果良好。

3 应用效果分析

为检验注浆加固效果，浅孔注浆施工完成后，建立巷道变形监测站。观测站要求间距30～40 m，设立观测站时，距整修工作面迎头不超过20 m。

利用“双十字法”观测了巷道表层围岩的收敛性变形。观测站各设6 个测点，分别位于拱顶中线位置、两帮拱基线位置、两帮腰线以下1.0 m 位置，底板中线位置（图2）。

图2 测量基点布置Fig.2 Arrangement of measurement base point

观测时，利用线绳、刻度尺等对量测指标OA、OC、OB、OD、O1F、O1E 进行准确测量，观察仪器会自动读出所需数值。比较实测数据与原始数据，可以获悉顶板的下沉量、底膨量、两帮变形量等数据，经过60 d 连续观察，巷道两侧最大位移为80～100 mm，主要是巷道底部的变形比较大，顶板位移在100～130 mm，以底部鼓包为主，且巷道没有欠皮裂缝，满足运输行人要求。随临近工作面推采至停采线附近，超前压力影响下巷道未出现剧烈变形，除相对应巷段出现砼层开裂，金属网并未见剪断、撕扯，只需简单找顶即可。

4 结 语

联合注浆加固技术在五二轨道上山整修中的应用结果表明，支护强度达到预期要求，使该巷道整修周期由8 个月提高到3 a。此次整修巷道工程量共计550 m，每米巷道整修按7 500 元计算，减少2 次翻修可为矿井节省费用412.5 万元。同时，该项技术降低了巷道翻修率，为矿井安全生产和可持续发展打下良好基础，可在类似破碎围岩及动压巷道掘进和整修施工中推广。