注漿加固技術在斷層應力集中區(qū)巷道掘支中的應用*

汪光德 王榮軍 崔 杰 謝明星

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦）

北洺河鐵礦礦體東部MB4勘探線到MB5+25勘探線之間存在1條較大的F3斷層，該斷層成因復雜，由起初的正斷層經構造運動改造為具有逆沖性質的平移斷層。斷層產狀為NW307°∠65°，垂直滑距8.9 m，水平滑距17 m，為壓扭性斷層。伴隨該斷層的主斷面分布1條寬約10 m的破碎帶，該破碎帶寬度較穩(wěn)定，但破碎帶中巖石的破碎程度稍有差異，在與其他優(yōu)勢構造方向交匯處，巖石破碎嚴重。破碎帶的巖石主要由磁鐵礦、閃長巖、灰?guī)r及矽卡巖組成，巖塊塊度不均、較松散、質軟，有黃泥充填。因該部位地下水活動，巖石風化嚴重，工程地質條件差，工程圍巖極易塌方冒頂［1］。

北洺河鐵礦-200 m分層13#聯(lián)巷位于該礦礦體東部，是通往東部采場的第二安全通道。目前-200 m分層東北部采場已經進入回采階段，但13#聯(lián)巷受F3斷層破碎帶影響，掘進掌子面已經發(fā)生塌冒，始終未能貫通。為確保東部采場生產安全，需要盡快采取措施貫通13#聯(lián)巷。

1 工程現(xiàn)狀

-200 m分層13#聯(lián)巷未貫通段長15 m，位于5+25勘探線與4+25勘探線之間，圍巖為蝕變閃長巖，蝕變較嚴重。該工程穿過F3斷層破碎帶，對應上方-185 m分層的10#聯(lián)巷。

13#聯(lián)巷自東西2個方向對向施工，東側施工至斷層約10 m時，巷道圍巖變化較大，閃長巖蝕變更加嚴重，由較穩(wěn)固變?yōu)檩^破碎、松軟，但不影響正常作業(yè)。采取了“一掘一支”的措施，并將掘進進尺由3 m降低到2 m，施工至斷層約5 m時，圍巖變得極其破碎，并發(fā)生塌冒（圖1），此時西側距離斷層僅10 m，考慮到東側情況，停止了西側掘進作業(yè)。

為盡快處理東側塌冒區(qū)域，對掌子面破碎巖渣進行清理，但因圍巖極其松軟，鏟運機清理時，掌子面散體巖渣不斷自巷道頂部及左右兩幫垮落，始終無法形成安全的支護空間，并造成塌冒高度不斷增加，致使上方-185 m分層10#聯(lián)巷底板出現(xiàn)凹陷。

由于上分層底板已經出現(xiàn)凹陷，推斷底板以下出現(xiàn)空區(qū)。為探明空區(qū)及破碎圍巖范圍，施工探空孔進行探測。探空結果顯示，該分層巷道底板以下1.5 m開始出現(xiàn)空區(qū)，空區(qū)高度約3.5 m，寬度為4 m，長度為7 m?？諈^(qū)及破碎圍巖范圍探明后，利用已施工的探空孔進行裝藥爆破，對上分層底板懸頂隔層進行了處理，最終形成高3.3 m、寬4.1 m、長7 m的空區(qū)。

2 影響斷層附近區(qū)域巷道掘支的因素

2.1 斷層地應力的影響

13#聯(lián)巷塌冒區(qū)域距離F3斷層僅5 m，且位于斷層下盤區(qū)域。理論研究表明，隨著斷層傾角的不斷增大，斷層應力集中區(qū)將不斷向斷層破碎帶下盤交接處附近移動（圖2）［2］。F3斷層平均傾角65°，最大傾角接近90°，且掘進掌子面塌冒區(qū)域距離斷層破碎帶下盤交接處僅5 m，可見斷層應力集中是造成巷道塌冒的根本原因。

2.2 掘進方式的影響

13#聯(lián)巷掘進過程中，施工單位在掘進掌子面進入斷層破碎帶時，未采取加固頂板的措施就進行了出渣。在頂板不斷垮塌的過程中沒有做好預判斷，造成塌冒高度不斷增加，進而與上分層底板聯(lián)通。不科學的掘進處理方式是造成巷道塌冒的重要原因。

3 施工方案

13#聯(lián)巷塌冒部位于斷層應力集中區(qū)域，圍巖蝕變破碎嚴重，且已經造成上分層底板凹陷，判斷該部位上部圍巖已經整體下移，且嚴重松散破碎，故普通的支護及注漿措施已經無法保證施工安全。

通過分析造成掘進掌子面塌冒的原因，結合礦山地質條件及施工現(xiàn)狀，利用充填、滲透、劈裂聯(lián)合注漿加固破碎巖體的技術方案，對該塌冒區(qū)域進行加固，提高塌冒區(qū)域圍巖的自身穩(wěn)定性。

本次注漿加固，一是通過充填注漿，填補空區(qū)及加固塌冒松散體，防治圍巖空區(qū)進一步垮塌；二是通過滲透注漿，使?jié){液滲入塌冒松散體內部和破碎巖體的裂隙，達到膠結的作用，提高松散體及圍巖的自穩(wěn)能力；三是由于斷層破碎帶充填泥巖松散破碎，并存在較嚴重的泥質化現(xiàn)象，滲透注漿之后，還需提高注漿壓力進行劈裂注漿，以增強整個巖體的穩(wěn)固性。

3.1 止?jié){墻設計

止?jié){墻的厚度主要根據(jù)最大注漿壓力、巷道斷面、巖石力學性質及墻體的材料強度來確定［3-5］，計算公式為

式中，B為止?jié){墻厚度，m；R為柱面外半徑，m；K為安全系數(shù)，取1.03～1.1；P為注漿終壓，MPa；［σ］為混凝土允許抗壓強度，MPa。

工程實踐中一般按注漿終壓選擇止?jié){墻厚度。施工中大多選用混凝土止?jié){墻，其厚度一般為0.8～2 m。經計算，止?jié){墻厚1.5 m。

3.2 注漿孔設計

根據(jù)塌冒部位爆破處理后的現(xiàn)狀，待-185 m分層充填注漿后，在-185 m分層共設計8個孔，孔徑75 mm（圖3）。②～⑦孔為注漿孔，為了更好探明空區(qū)狀況，注漿孔在施工至空區(qū)或松散體后，還需繼續(xù)施工進入穩(wěn)固巖層3～4 m，必要時可以套入鋼管。①、⑧孔為檢查孔，主要探測檢查塌冒區(qū)區(qū)域的圍巖破碎現(xiàn)狀，檢查注漿情況。

3.3 注漿量計算

根據(jù)上分層底板懸頂隔層處理后的實測空區(qū)（3.3 m×4.1 m×7.0 m）計算，空區(qū)充填注漿量為95 m3。滲透注漿及劈裂注漿量受巖體裂隙實際發(fā)育程度的影響變化較大，以現(xiàn)場使用的注漿泵流量來準備注漿量。

現(xiàn)場使用泥漿泵進行注漿，注漿效率為250 L/min，機械效率為60%，每天連續(xù)注漿20 h，每天注漿量為180 m3，故每天需備用不少于180 m3的注漿材料。

3.4 注漿壓力

注漿設計壓力應根據(jù)圍巖水文地質條件合理確定。一般為靜水壓力的1.3～1.5倍，劈裂注漿終壓為靜水壓力的2～3倍。經試壓，靜水壓力為1.5 MPa，即此次注漿終壓取4.5 MPa。

4 施工方案實施

4.1 止?jié){墻施工

混凝土止?jié){墻應盡量選擇在無水、巖層相對堅硬的位置，如有水應預先進行抽水處理，清理止?jié){墻位置內的一切雜物。為減少注漿量，止?jié){墻和掌子面空隙處填充廢渣、廢石。由于掌子面頂板塌冒，因此止?jié){墻選在-200 m分層13#聯(lián)巷掌子面后退5 m處（圖4）。為了止?jié){墻的穩(wěn)定，巷道需提前進行刻槽，規(guī)格為500 mm?？滩蹠r只能放小炮，以防圍巖松動或產生震動裂隙。

刻槽結束后，為防底板滲水須提前在底板鋪300 mm厚的砂漿灰（配比為水泥∶砂=1∶2），然后進行止?jié){墻混凝土澆筑，澆筑工作分層進行，分層厚度為400 mm左右，要求連續(xù)施工，搗固密實。止?jié){墻澆筑至拱頂500 mm左右時，澆筑困難，為保證止?jié){墻使用質量，可采取噴射混凝土的方法進行封頂，混凝土標號為C20。

在止?jié){墻施工過程中預留2根φ32 mm的排水管，分別設置在距左右兩幫1.0 m、距底板0.5 m的位置處，進水口用金屬網片遮蓋并用大塊矸石壓住以防堵塞，出水口安裝閥門方便注漿時關閉。排水管將止?jié){墻內的水導入墻外的臨時水窩，用水泵排出。

4.2 充填注漿

止?jié){墻強度達到要求后，從-185 m分層處理后的空區(qū)口向空區(qū)內進行充填注漿，以充填空區(qū)及塌冒區(qū)。首先采用水泥單液漿進行澆灌，待-200 m分層止?jié){墻排水管排出漿液時停止?jié)补?，并將排水管進行封口，然后改為混凝土進行澆筑，自塌冒松散體至-185 m分層底板形成一個穩(wěn)固的整體，凝固期為14～28 d，經試壓合格后，方可進行后續(xù)鉆孔施工。

4.3 鉆孔

充填注漿體凝固穩(wěn)定后，開始施工注漿孔。鉆孔設備采用200B型潛孔鉆機。施工時，依次施工①～⑧孔，①、⑧孔根據(jù)探測情況確定是否注漿，其他注漿孔施工一個注漿一個。注漿孔施工時根據(jù)探測情況可適當調整方位、傾角，以滿足實際需要，孔底距離保持在2.5 m左右。

4.4 滲透、劈裂注漿

注漿時，依次注①～⑧孔。初期為滲透注漿，使?jié){液充填破碎巖石的裂隙，當注漿壓力超過2.5 MPa后，開始劈裂注漿，當注漿達到終壓4.5 MPa時，或漿液流量降至10 L/min并持續(xù)30 min時，漿液將劈裂進入破碎巖層，并與破碎巖體形成互層，達到加固松散破碎巖體的目的，結束注漿。

4.5 檢查孔施工

注漿完成后，待凝固期滿足要求時，為檢驗注漿效果，設計檢查孔11個，從-200 m分層止?jié){墻施工，分別為JC1～JC11（圖5）。檢查孔控制到巷道外3 m，上部控制至上分層底板。

4.6 方案實施效果

本次注漿共施工鉆孔（孔徑75 mm）19個，共269 m，實際注漿量為341.6 m3。通過檢查孔取芯情況，巖芯完整性較好，破碎巖體穩(wěn)固性得到顯著加強。注漿之后，掘進工程順利通過，且掘進過程中可明顯看到注漿膠結體與破碎巖體互層情況，可見注漿工程達到了預期效果。

5 結語

（1）斷層應力集中是造成-200 m分層13#聯(lián)巷塌冒的根本原因，不科學的掘進處理方式是造成13#聯(lián)巷塌冒的重要原因。

（2）處理上分層底板懸頂方案的實施，可以保證施工安全，摸清空區(qū)情況，提高注漿效率。

（3）充填、滲透、劈裂聯(lián)合注漿方式對加強斷層應力集中區(qū)破碎帶的穩(wěn)固性效果明顯，可為同類條件下的區(qū)域圍巖加固提供參考。

（4）為減少對注漿圍巖的擾動，確保施工安全，注漿加固之后的掘進作業(yè)，建議采取“短掘短支”的方式緩慢施工。