注漿加固支護(hù)在破碎帶及軟弱巖層中的支護(hù)實踐

李鴻維 毛加寧 龔留飛

（1.云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655000；2.富源縣打磨塘煤礦，云南 富源 657200）

曲靖市富源縣打磨塘煤礦的含煤地層巖性以泥質(zhì)粉砂巖、菱鐵質(zhì)粉砂巖等為主，為軟弱巖層，礦井?dāng)鄬佣?，?gòu)造破碎帶煤層頂?shù)装骞?jié)理裂隙發(fā)育、破碎、穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)的梯形礦工鋼支架、U 型可縮性支架、錨網(wǎng)帶錨索等支護(hù)存在巷道支護(hù)成本高、支護(hù)效果不理想、巷道維護(hù)困難、維護(hù)成本高、安全隱患多等問題。針對上述問題，經(jīng)過多年對煤層頂板穩(wěn)定性等進(jìn)行綜合分析研究，不斷總結(jié)注漿加固支護(hù)技術(shù)和調(diào)整注漿參數(shù)[1-6]，確定注漿壓力、注漿孔布置方式、間距等注漿加固支護(hù)相關(guān)參數(shù)，解決煤礦多年在破碎帶及軟弱巖層中的支護(hù)效果不理想的問題，達(dá)到有效支護(hù)巷道的目的。

1 概況

打磨塘煤礦礦井范圍內(nèi)地層由老至新主要有：二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P2β）、龍?zhí)督M（P2l1～P2l3）；三疊系下統(tǒng)卡以頭組（T1k）、飛仙關(guān)組（T1f1～T1f5）；第四系（Q）。龍?zhí)督M是區(qū)內(nèi)主要含煤組，巖性為灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖，夾菱鐵巖薄層。

礦井范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造相對發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷層以正斷層為主，斷層破碎帶寬5～20 m，巖石破碎，斷層角礫發(fā)育，多為泥質(zhì)膠結(jié)物，力學(xué)強(qiáng)度較低，與地層走向斜交的斷層破碎帶一般不發(fā)育，但次生裂隙較發(fā)育，巖石的力學(xué)強(qiáng)度相對較低。

2 注漿支護(hù)方法及參數(shù)確定

2.1 注漿加固支護(hù)與圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)系

注漿加固支護(hù)就是通過注漿填充地質(zhì)構(gòu)造弱面，改變圍巖的自身結(jié)構(gòu)，使破碎巖體和松散巖體變?yōu)榻茐K狀結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的巖體，提高整體巖體的自承能力，改善巷道的支護(hù)效果，確保巷道的穩(wěn)定性。多數(shù)礦井雖然也采取了注漿技術(shù)，但巷道支護(hù)效果仍然不理想，這主要是注漿參數(shù)選取不合理所致。注漿參數(shù)直接關(guān)乎注漿效果的好壞。

2.2 注漿加固支護(hù)方法

注漿加固支護(hù)一般采用徑向注漿法施工，只有在較松散的圍巖中，才采用沿巷掘進(jìn)方向的周邊注漿施工。徑向注漿施工緊跟臨時支護(hù)，距離掘進(jìn)迎頭5～10 m 距離為一個施工段，徑向注漿縱向間距1.8～2.5 m，孔口環(huán)向距離0.8～2.0 m。一般弱面發(fā)育取小值，反之取大值，孔口環(huán)向距離一般依次從大到小，巷道底部、巷道拱部、巷道拱墻、巷道拱角，注漿孔多采用梅花形布置較好。

2.3 注漿加固支護(hù)參數(shù)確定

注漿參數(shù)的確定是注漿加固支護(hù)設(shè)計的主要組成部分。構(gòu)造破碎帶巷道注漿加固支護(hù)參數(shù)的選擇對注漿加固支護(hù)效果、成本影響較大。注漿加固支護(hù)參數(shù)主要包括注漿深度、注漿漿液及配比，注漿孔間距、排距，注漿擴(kuò)散半徑、壓力及注漿衰減量等。

（1）注漿深度

注漿深度主要與圍巖性質(zhì)、圍巖破碎程度、圍巖的松動半徑、地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。破碎巷道注漿的目的是加固松動圍巖，增強(qiáng)圍巖的自承能力，降低巷道的支護(hù)成本和支護(hù)難度，增加巷道的穩(wěn)定性。因此注漿深度必須覆蓋巷道周圍的松動圈，一般大于巷道半徑的2～3 倍效果較為理想。

（2）注漿漿液及配比選擇

注漿加固支護(hù)一般采用單液水泥漿液來注漿，一是成本相對較低，二是配料簡單，三是效果較好。如果破碎區(qū)以泥巖為主，則可采用2 種不同漿液按照一定比例混合后進(jìn)行注漿，漿液混合比要根據(jù)圍巖塑性和流動性進(jìn)行選取。

單液水泥漿濃度（水∶水泥）一般為1∶1～2∶1，裂隙較發(fā)育的可取小值，反之取大值，泥巖等較難充填的圍巖可適當(dāng)增大到3 ∶1。水泥、水玻璃漿濃度（水泥漿:水玻璃）體積比一般為1 ∶0.3～1 ∶1，具體配比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和確定。

（3）注漿壓力

注漿壓力是指注漿段上承受的壓力，對于控制注漿的效果來說非常重要。在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造段增大注漿壓力可以將漿液壓入到細(xì)小的巖層裂隙、空隙中，還能擴(kuò)大漿液的擴(kuò)散范圍，降低鉆孔數(shù)量，縮短施工時間，節(jié)約施工成本。然而，過高的注漿壓力易造成從巷道表面滲液，造成巖體破壞等，導(dǎo)致注漿難度增加，注漿效果不理想。

工作面注漿壓力可按設(shè)計靜水壓力的2～3 倍來計算選取。注漿壓力主要與加固圍巖的裂隙發(fā)育程度和滲透率難易程度等因素有關(guān)，可根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

式中：P為最大注漿壓力，MPa；P0為注漿壓力初值，其取值范圍為0.5～1.5 MPa；k1為注漿方法系數(shù)，其取值范圍為0.8～1.4（沿掘進(jìn)方向周邊注漿取1.0，徑向注漿取2.0）；k2為注漿段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度系數(shù)，其取值范圍為1～3.0（地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜取1.0、地質(zhì)構(gòu)造簡單取3.0，中等取1.5）。

（4）注漿擴(kuò)散半徑

在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中，采用特定的施工工藝，巷道圍巖的漿液擴(kuò)散范圍用漿液的擴(kuò)散半徑來表示，它是注漿時確定注漿位置的關(guān)鍵參數(shù)之一。計算注漿擴(kuò)散半徑，主要采用松動擴(kuò)散理論或彈性波傳播速度確定，一般可按巷道平均半徑的1～3 倍來計算選取。

式中：R為注漿擴(kuò)散半徑，m；R0為巷道平均半徑，m。

（5）注漿孔布置方式與孔徑

一般來說，在地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜地段，在破碎帶或裂隙上沿走向直接布孔，以深孔為主，淺孔為輔。矩形孔排列，開口距一般在0.5～2 m 左右；一字型排列，開口距一般在1.0～2 m 左右。如果只是單純加固注漿，一般采用均勻等距布孔，以中、深孔為主，孔向垂直巷壁，多采用三花眼或矩形眼布置，開口距一般在1.5～2.5 m 左右，裂隙發(fā)育孔距應(yīng)大一些，反之，孔距應(yīng)小一些。還可參照單位注漿量、透水率等確定注漿孔間距、排距。注漿孔徑應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、鉆孔深度和注漿工藝確定。根據(jù)該礦多個構(gòu)造破碎帶巷道注漿加固支護(hù)注漿孔的現(xiàn)場經(jīng)驗，注漿孔徑一般在（Ф22～Ф40） mm。

2.4 注漿加固支護(hù)施工

注漿施工前，應(yīng)根據(jù)施工區(qū)域內(nèi)的相關(guān)水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、巷道設(shè)計的斷面和相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)編制巷道施工組織設(shè)計和安全技術(shù)措施。巷道施工組織設(shè)計主要包括工程概況、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工目標(biāo)及要求、施工方案、施工工藝及主要技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容。

（1）施工設(shè)備及注漿材料

以打磨塘煤礦1835 m 軌道運(yùn)輸石門注漿巷道為例。注漿加固支護(hù)100 m 巷道所需注漿設(shè)備及材料：ZU700 型鉆注一體風(fēng)動鉆機(jī)和鉆頭各2 臺，直徑分別為Ф50 mm 和Ф42 mm 的1 m 和2 m 的麻花鉆桿各2 根，在施工地點配備好注漿機(jī)，型號為ZBYSB60/33-18.5 注漿泵1 臺，錨桿鉆井1 臺，攪拌機(jī)1 臺，Ф22/32-2100 和Ф22-5100 注漿花管分別為717 根和467 根，Φ16×15 000 和Φ16×2000的高壓膠管各2 根，Φ16 的密封圈50 個，與孔口注漿管配套管接頭5 個，與攪拌機(jī)出漿口配套的球閥5 個，連接球閥與吸漿管3 個，直通5 個，管鉗和活動扳手（12、10）各1 把，325#水泥326 t（根據(jù)注漿現(xiàn)狀確定）。

（2）施工工藝

注漿加固支護(hù)工藝流程：定眼位→鉆眼→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管路→準(zhǔn)備漿液→開泵注漿。注漿時注漿壓力由小到大進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)注漿液的壓力達(dá)到6 MPa 時停止注液。注漿過程中，一旦發(fā)現(xiàn)巷壁松動、跑（漏）漿、注漿壓力異常下降時，必須立即停止注漿，查明原因，采取措施處理完畢后，方可注漿。

（3）注漿施工

根據(jù)施工組織設(shè)計和安全技術(shù)措施嚴(yán)格按注漿施工工藝流程進(jìn)行注漿加固支護(hù)施工，在施工中要注意施工質(zhì)量管理，確保工程質(zhì)量。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)巷道斷面和圍巖性質(zhì)確定注漿孔布設(shè)方式、數(shù)量及深度，并計算注漿工程量。

1835 m 的軌道運(yùn)輸石門、膠帶運(yùn)輸石門在原錨網(wǎng)帶噴索支護(hù)的基礎(chǔ)上采用注漿加固支護(hù)，注漿加固支護(hù)工程量分別為427 m 和392 m，平均每米巷道需消耗325#普通硅酸鹽水泥3.26 t，水泥單價按420 元/t 計算，1835 m 軌道運(yùn)輸石門、膠帶運(yùn)輸石門注漿加固支護(hù)費(fèi)用為112.14 萬元。采用注漿加固支護(hù)后，2 條石門有效支護(hù)時間可達(dá)2 年，2 年內(nèi)不需要返修。1835 m 軌道運(yùn)輸石門、膠帶運(yùn)輸石門原錨網(wǎng)帶噴索支護(hù)費(fèi)用為2375 元/m，每1 年需要采用同樣的支護(hù)方式返修1 次，3 年返修3 次，返修費(fèi)用為389.03 萬元。1835 m 軌道運(yùn)輸石門、膠帶運(yùn)輸石門注漿加固支護(hù)，可以在采用錨網(wǎng)帶噴索支護(hù)方式檢修的基礎(chǔ)上減少費(fèi)用276.89 萬元，且減少了巷道返修時間及巷道返修對礦井安全生產(chǎn)的影響，有利于礦井安全生產(chǎn)，降低原煤生產(chǎn)成本。

3 結(jié)語

（1）通過對曲靖打磨塘等多個煤礦的構(gòu)造破碎帶巷道圍巖注漿加固支護(hù)效果總結(jié)分析可以看出，井巷圍巖注漿加固明顯提高了巖體的整體自承能力，提高了圍巖自身的強(qiáng)度，巷道注漿充填加固支護(hù)效果較好。但也有部分煤礦巷道注漿充填加固支護(hù)效果不明顯，主要原因是對注漿相關(guān)參數(shù)的選取不合理，注漿不充分、不飽滿。可以看出，確定合理的巷道注漿充填加固支護(hù)參數(shù)對巷道注漿充填加固支護(hù)效果十分重要。

（2）總結(jié)注漿加固支護(hù)經(jīng)驗，注漿后圍巖的單向抗壓強(qiáng)度應(yīng)不低于巖石的單向抗壓強(qiáng)度的82%，圍巖注漿加固支護(hù)效果較好，實際單孔單位耗漿量遞減率在30%～68%之間。完成單孔注漿加固支護(hù)的控制標(biāo)準(zhǔn)主要有2 個，一是注漿終孔壓力不小于靜水壓力的95%，二是注漿流量小于40 L/min，并能持續(xù)在30 min 以上。達(dá)到這2 個控制標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，圍巖注漿加固支護(hù)效果較好。