深厚破碎軟巖巷道地面注漿加固技術(shù)研究

江明明，詹金明，葛海軍

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽省煤田地質(zhì)局 第一勘探隊(duì)，安徽 淮南232052）

對軟巖巷道來說，當(dāng)巷道的位置大于某一開采深度時(shí)，散體狀破碎巖體圍巖常為彈塑性、塑性或流變性，產(chǎn)生以拱形冒落為主的變形破壞形式。眾多學(xué)者對軟巖巷道穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究，從不同的角度提出了有效的控制理論〔1－4〕。但國內(nèi)外地面預(yù)注漿加固巷道圍巖穩(wěn)定性的工程較少，目前地面預(yù)注漿在煤礦的應(yīng)用主要針對井壁修復(fù)以及煤層地板改造加固。本文將結(jié)合某煤礦－780m水平南翼軌道大巷的支護(hù)工程實(shí)踐，探討地面注漿加固圍巖技術(shù)。

1 工程概況

某煤礦南翼－780m膠帶機(jī)由北向南掘進(jìn)遇到F108斷層，迎頭涌出15～20m3的伴有泥漿的裂隙水；根據(jù)地質(zhì)勘探資料及巖石化學(xué)物相分析，巖層異常破碎軟弱，在700～780m段RQD值小于30%，783～900段RQD值為0〔5〕，且?guī)r石中伊利石和高嶺石占60%，屬于遇水易軟化高蠕變性巖石。由于地處地質(zhì)異常區(qū)，井下巷道無法成形，掘進(jìn)時(shí)巷道變形量太大，給巷道掘進(jìn)施工造成了極大的困難和存在著重大的安全隱患。

2 軟巖巷道變形主要特征

硬巖?？醋骶€性彈性體或理性彈塑性體，圍巖以小變形為主，硬巖巷道的關(guān)鍵問題是強(qiáng)度失穩(wěn)，而軟巖容易產(chǎn)生明顯的非線性、非光滑的塑性變形，軟巖巷道的關(guān)鍵問題是大變形失穩(wěn)〔6〕。

巷道開挖前，巖體中各質(zhì)點(diǎn)在特定地應(yīng)力場中處于相對平衡狀態(tài)。巷道開挖后，原來的受力平衡狀態(tài)遭到破壞，巖體向巷道內(nèi)脹松變形，使得應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生調(diào)整，出現(xiàn)新的平衡狀態(tài)。

巷道開挖后，形成以沿著巷道壁圍巖切線方向應(yīng)力的最大主應(yīng)力，以沿著巷道徑向應(yīng)力為最小主應(yīng)力。如果調(diào)整后的應(yīng)力大于圍巖強(qiáng)度，圍巖就會(huì)遭受破壞，一般而言靠近巷道壁的圍巖最先破壞，接著最大主應(yīng)力集中區(qū)開始向圍巖內(nèi)部傳遞，巷道周圍的圍巖再次進(jìn)行調(diào)整，形成大致3個(gè)區(qū)域，由采空區(qū)向外依次為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)（見圖1）。

圖1 軟巖巷道圍巖分區(qū)

塑性區(qū)具有一定范圍限制，因?yàn)橄锏辣趪鷰r的切向應(yīng)力為最大值，向圍巖內(nèi)部逐漸減小，而徑向應(yīng)力在巷道壁圍巖為零，向圍巖內(nèi)部逐漸增大，由巷道壁單向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，各向等壓下塑性區(qū)半徑由下式計(jì)算〔7〕：

式中：P為圍巖原應(yīng)力；C為粘結(jié)力；φ為內(nèi)摩擦角。

由公式可知巷道的穩(wěn)定性主要與圍巖原應(yīng)力和內(nèi)摩擦角及粘結(jié)力c有關(guān)。

3 軟巖巷道加固控制機(jī)制

軟巖巷道的加固過程常用動(dòng)態(tài)控制方法，具體分為三個(gè)階段。

第一階段：采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)體。在軟巖巷道變形初期采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系是為了調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力，同時(shí)由于支護(hù)阻力和圍巖變形存在負(fù)指數(shù)關(guān)系，提高支護(hù)阻力減少巖體位移，釋放部分能量保持巖體穩(wěn)定。

第二階段：注漿加固圍巖。注漿使得破碎的巖體膠結(jié)為整體，改善了巖體力學(xué)性能，同時(shí)充填裂隙強(qiáng)化了第一階段的預(yù)應(yīng)力支護(hù)體，加固了圍巖條件。

第三階段：重要部位控制。軟巖巷道工程中關(guān)鍵部位的破壞往往會(huì)成為工程破壞的突破口〔2〕，必須加強(qiáng)重要部位支護(hù)以此提升工程全面的整體穩(wěn)定性。

某煤礦南翼－780m膠帶機(jī)巷道進(jìn)入異常區(qū)后先后雖采取了錨網(wǎng)噴加U型鋼伸縮支架等支護(hù)措施，仍然難以控制巷道的變形，現(xiàn)巷道4.6m的寬度最小處變形至2.1m，給施工和安全帶來很大的安全隱患。由于井下不具備高壓注漿施工條件，經(jīng)研究決定采用地面預(yù)注漿的措施對巖體進(jìn)行加固。

4 注漿加固

4.1 注漿孔布置

原設(shè)計(jì)布置9個(gè)鉆孔，對120m膠帶機(jī)大巷進(jìn)行注漿。平行于巷道西邊五孔（A1、A3、A1、B3、C3），巷道東邊4孔（B1、B2、C1、C2）；按分支孔的方案進(jìn)行施工，地面上三臺(tái)鉆機(jī)，分三組，一臺(tái)鉆機(jī)施工一組，鉆探工程量3834m。注漿后期地面增加一個(gè)注漿檢查孔，對注漿質(zhì)量進(jìn)行檢查，并增加一臺(tái)鉆機(jī)對其施工；同時(shí)為確保工程質(zhì)量，注漿量不受設(shè)計(jì)限制，實(shí)行能注則注（見圖2）。

圖2 鉆孔布置

4.2 鉆探施工

（1）各鉆孔分支組合?，F(xiàn)場主要根據(jù)各孔施工進(jìn)度及定向、注漿技術(shù)要求，同時(shí)由于平距過大，給定向造成難度；鉆孔彎度過大，給注漿拉塞及解塞造成難度，故現(xiàn)場充分考慮到這一點(diǎn)，最終10個(gè)鉆孔分支組合為：第一批為A1、A2；第二批為 A3、B2、B3；第三批為C1、C2、檢查孔；第四批為B1、C3。

（2）鉆具組合。一開新地層及風(fēng)化帶段：Φ244.5mm三翼（或牙輪鉆頭）＋Φ159mm鉆鋌＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動(dòng)鉆桿。

二開基巖非注漿段：Φ165.1mm牙輪鉆頭＋Φ121mm鉆鋌＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動(dòng)鉆桿。

三開注漿段：Φ118mm牙輪鉆頭＋Φ73mm（Φ89mm）鉆桿＋主動(dòng)鉆桿。

（3）鉆進(jìn)方法。采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)及復(fù)合鉆進(jìn)的方法施工。

（4）孔斜控制及定向鉆進(jìn)。本工程直孔段施工采用上海地學(xué)儀器廠生產(chǎn)的JJX－3D高精度測斜儀，對鉆孔進(jìn)行跟蹤測斜，表層管下管前及直孔段施工至注漿段均進(jìn)行了系統(tǒng)側(cè)斜，確保鉆孔軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

分支孔采用北京海藍(lán)公司生產(chǎn)的有限隨鉆定向儀，采用山東鄒城生產(chǎn)的Φ130mm螺桿，采用日本生產(chǎn)的Φ121 mm無磁鉆鋌定向。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軌跡定向施工，分支孔施工至注漿段軌跡落點(diǎn)在2m半徑設(shè)計(jì)靶域之內(nèi)。

4.3 注漿工藝

（1）注漿段高劃分。為確保注漿量和注漿效果，采用分段注漿方式。具體段高劃分如下：A2、主C1、C2、C3孔分三段注漿，即第一段為22m、第二段為25m、第三段為26.5m；主 A1、A2、主B1、B2、B3孔分二段注漿，即第一段為26m、第二段為27.5m。實(shí)際施工時(shí)，可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。

（2）注漿壓力。本次采用經(jīng)驗(yàn)公式，即設(shè)計(jì)注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，并且最終壓力不能低于靜水壓力的2.5倍，根據(jù)地層注漿量的情況，壓力從小到大施加。

（3）注漿材料及配比。漿液配合比，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配合比試驗(yàn)，得到優(yōu)化漿液配比為0.6∶1～1.5∶1，期間加入了5%及0.5‰以食鹽和三乙醇胺為原料的早強(qiáng)劑。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。①達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力；②每米注漿量達(dá)到20m3；③注漿流量小于或等于250L／min；④以上條件達(dá)到，復(fù)注時(shí)每20m注漿段注漿量控制在50m3左右。

5 注漿效果分析

為了更有效地檢驗(yàn)評價(jià)注漿效果，又在異常地質(zhì)構(gòu)造帶加固注漿范圍內(nèi)施工一個(gè)注漿檢查孔，通過取芯來觀察巖心完整性和水泥漿液膠結(jié)情況，判斷注漿是否達(dá)到預(yù)期效果。通過檢查孔取芯，地質(zhì)員現(xiàn)場鑒定，結(jié)果見表1。

表1 檢查孔巖芯描述

孔深／m 芯長／m取芯率／%巖心描述785.0～786.2 2.4 69砂質(zhì)泥巖，灰色到黑色，破碎，裂隙發(fā)育，見水泥充填，見圖3（b）786.2～798.0 6 51 中砂巖，淺灰色，極破碎，裂隙發(fā)育，見水泥充填，見圖3（c）798.0～804.5 4.0 62 砂質(zhì)泥巖，深灰色，破碎，裂隙發(fā)育，見水泥充填，見圖3（c）

從現(xiàn)場取芯結(jié)果來看，大部分芯樣可見水泥漿充填，異常構(gòu)造帶內(nèi)取芯率較高，巖體的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力c得到了改善，由公式可知塑性區(qū)的半徑隨內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力的增大而減小，阻礙了圍巖破碎區(qū)向彈性區(qū)的發(fā)展，提高了軟巖巷道的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

1）根據(jù)深厚破碎軟巖巷道變形的主要特征，提出了軟巖巷道動(dòng)態(tài)控制方法。

2）由于在第一階段采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系效果不明顯，經(jīng)研究決定采用地面預(yù)注漿加固圍巖措施，改善了巖體力學(xué)參數(shù)，減小塑性區(qū)范圍，有效阻止了破碎區(qū)的發(fā)展，提高了軟巖巷道的穩(wěn)定，為深部巷道的使用創(chuàng)造了安全條件。

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