巷道破碎围岩加固技术应用与实践

[摘 要] 五阳煤矿南丰进风井井底车场巷道由于受天仓向斜轴影响，地应力水平较高，加之其顶板岩性以泥岩为主，泥岩在较高应力区域作用下更加破碎，所以导致掘进时出现大面积的冒顶。采用帮顶围岩分层深浅孔水泥注浆，配合注浆锚索补强加固的方式对巷道进行修复，取得了很好的效果，保证了安全生产。

[关键词] 破碎围岩； 注浆加固； 注浆锚索； 底鼓治理

1、概况

潞安集团五阳煤矿是一座具有五十多年开采历史的老矿井，也是一个座大型矿井。该矿井内煤层赋存稳定，非常适合高产高效放顶煤开采。随着矿井的不断延伸，地应力越来越高，加上该矿煤层松软，给巷道支护带来很大困难。

五阳煤矿南丰进风井深530m，井底车场巷道在掘进过程中出现多处冒顶，局部地区冒顶高度达十几米，平均冒顶2-3m左右。冒顶处的处理方式主要是进行锚网支护，再采用架U29钢棚后木垛充填、喷浆浇筑。顶板和两帮壁后存在着大量空洞，受力很不均衡。因此巷道已有多处工字钢横梁弯曲，底板两侧底鼓严重，大约在300mm左右。若再受采动和其它附近巷道掘进的影响，将导致车场巷道破坏变形，帮顶浇筑体开裂，甚至造成更大范围的冒顶。同时，南丰进风井井底车场担负为整个矿井输送新鲜风流的任务，因此必须对该段巷道进行及时有效的修复，才能满足矿井安全生产的需要。

2、冒顶原因分析

由于巷道处于向斜轴的影响区域，地应力水平普遍较高，南丰风井井底车场区域最大水平主应力为17.06MPa，高于其他区域，为五阳煤矿高应力区域。

五阳煤矿南丰井底车场附近受向斜轴影响区域地应力测试结果发现，最大水平主应力大于垂直应力，说明该区域曾受水平应力顺层挤压形成了目前的地质状况。巷道附近顶板岩性以泥岩为主，强度较低，又受区域构造应力的影响，泥岩在较高应力区域作用下更加破碎，所以导致在掘进时出现大面积的冒顶。

3、加固材料及方案

3.1 注浆材料

目前注浆加固材料从性质上主要分两大类：颗粒型浆材和溶液型浆材，应根据注浆的目的、浆材性质及造价等因素选择适宜的浆材和浆液配比。

典型的颗粒型硅酸盐类水泥浆材，具有结石强度高、耐久性还、材料来源丰富、工艺设备简单、成本低、注浆设备品种齐全等特点，所以在各类工程中得到广泛应用。但这种浆材容易离析和沉淀、稳定性差，并且由于其颗粒度大，使浆液难以注入岩层的细小裂隙和孔隙中，扩散半径较小，凝结时间不易控制，适用于要求强度高，松散、离层明显的破碎体加固。

化学浆液可注性好，能注入岩层中的细小裂隙和孔隙。但目前常用的化学浆液性能差异大，用于永久性工程加固的化学材料必须具有较高的结石体强度和胶结性，以提高加固后的围岩抗变形能力。具备此类性能的化学材料种类有限，包括环氧类和高分子注浆材料，大量使用将直接导致工程成本大量增加。

由于南丰进风井井底车场浇筑体后存在大量的空洞，因此必须先对壁后空洞区进行充填，再进行深孔高压注浆。所以需要大量的注浆材料，从经济和技术角度综合考虑，选择廉价且结实体强度较高的水泥作为充填加固对象。

3.1.1 注浆材料构成及配比

注浆材料选用425普通硅酸盐水泥，配合水泥注浆添加剂XPM配置浆液，大范围漏浆时间歇注浆。

水泥注浆材料：

添加剂配比：使用XPM添加剂，添加剂用量为水泥重量的8%-10%。

水灰比：使用XPM添加剂，水泥浆的水灰比0.6：1-0.8：1。

水泥-水玻璃配比：使用水泥-水玻璃双液浆时，水泥浆配比不变。水玻璃浓度48-55Be’，模数M=2.8-3.2。水泥浆和水玻璃的体积比1：0.4-1：0.6。

水泥浆封孔：孔口注浆管与孔浆管相连，使用水泥固定孔口注浆管并封孔。

注浆材料：注浆管（铝塑管A1216）、橡胶止浆管、止退钢管。

3.2 加固方案

3.2.1 加固施工顺序

浅孔水泥注浆――高压深孔水泥注浆――锚索支护――锚索孔注浆――剪切锚索外漏端。

3.2.2 注浆孔布置

第一遍注浆，南丰进风井井底车场全区域围岩水泥注浆钻孔采用矩形布置，每排布置7个注浆孔，排距4000mm，孔深2000mm，从两帮逐孔向顶板进行注浆，注浆压力0-1MPa，水灰比要适当降低，提高浆液的浓稠度。

第二遍注浆，围岩水泥注浆钻孔采用五花眼布置，间隔两排注浆孔位8个，7个，排距2000mm，孔深全部为8000mm，从两帮底孔逐孔向顶板进行，注浆压力1-2MPa。

第三遍注浆（只对原巷道冒落高度大于8m的区域进行注浆），每排3根，矩形布置，排距3000mm，孔深120000mm，注浆压力3-4MPa。

注浆方式：埋孔口注浆管，孔内下射浆管，射浆管长度比孔深短500mm，全长一次注浆，

成孔：采用DUX75地质钻孔进行打钻。

每一遍注浆完毕后使用钻孔窥视仪进行现场调查，确保注浆效果。

3.2.3 围岩支护

帮顶围岩注浆完成3天后，进行预应力注浆锚索补强加固。

强力锚索：锚索索体材料为1×9股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为8300mm或123000mm（冒顶高度大于8m的区域），直径22mm，极限强度为1860MPa，极限破断力550KN，延伸率为7%。

锚索配件：承载能力不低于550KN的高强度拱形锚索托盘300×300×16mm，拱部加固直径20mm注浆管安装孔、调心球垫。

钻孔：采用MQT130锚索钻机打孔，钻头直径为30mm，孔深8030mm或12030mm，然后使用直径56mm的钻头扩孔，扩孔深度500mm。

锚索布置：锚索排距2000mm，间距2000mm。

锚固方式：全长锚固，采用树脂端部锚固，三支低粘度锚固剂，一直规格为K2335，另两支规格为Z2360，树脂锚固长度1600mm，其余部分采用水泥浆锚固。

锚索安装：锚索外端套装注浆附件推入钻孔，引出注浆管安装托盘、球垫张拉预紧。预紧力≥250KN。锚索孔终止压力2-5MPa。

3.2.4 底鼓治理

首先对巷道底鼓处进行起底处理后，对底板出打设底板灌浆锚索。

锚索规格：直径22mm，1×9股高强度预应力钢绞线，长度6300mm，其中300mm为外漏张拉段。

锚固方式：先进行端锚，张拉预紧后再进行锚索孔注浆，实现水泥浆全长锚固。

成孔后预埋锚索：插入锚索，浆6分塑料灌浆管插至孔底，填入少量石粉，灌入水泥浆10升，拔出塑料管。

锚索初使安装预紧：底板注浆孔预埋锚索7天后，使用封孔胶塞封孔并安装注浆管（长度2500mm，外漏500mm）、止退钢管、高强度拱形托盘、球垫及锚索。

预紧力：注浆前张拉，不小于200KN。

底板注浆：底板锚索张拉预紧后，在预留注浆孔内压注水泥浆，进行全长锚固。

4、施工机具与施工工艺：

4.1 施工机具

注浆采用YT28型凿岩机钻眼，ZBY-30/12.0注浆泵，MQT-130型锚索钻机。

4.2 施工工艺

4.2.1 帮顶围岩水泥注浆施工工艺

标记钻孔位置架设钻机，调整角度直径36mm钻头打孔钻孔完毕，推出钻杆、钻头压风排渣硬质塑料射浆管，插入6分孔口管无螺纹端 射浆管和孔口管插入钻孔孔口管螺纹端外漏150mm水泥封孔24小时后安装孔口截止阀 连接注浆系统制备水泥浆注浆至终压稳定 停泵，关闭孔口阀 拆除注浆系统，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。

4.2.2 围岩支护

架设钻机并调整角度直径30mm钻头打孔 孔深8000mm（1200mm），钻孔完毕，推出钻杆、钻头换装扩孔直径56钻头推出扩孔钻头，压风排渣顺序送入K2335、Z2360树脂锚固剂插入锚索使用专用搅拌器将锚索与钻机相连旋转搅拌药卷推进、锚固锚索搅拌树脂药卷至规定时间停止搅拌插入铝塑管（长度800mm，外漏400mm）锚索和铝塑管外部套装封孔胶塞和止退钢管推入孔内安装锚索托盘、球垫、锚索张拉预紧锚索

安装完毕卸下张拉千斤顶。

安装预紧15-20根锚索使用孔口铝塑管，逐一连接注浆系统锚索孔压注水泥浆至终压停泵、弯折铝塑管拆除注浆系统，锚索孔注浆完毕。

5、注浆要求

5.1 注浆施工要求

5.1.1 开孔位置准确，允许偏差为±50mm。

5.1.2 开始施工前进行注浆实验，初步掌握浆液充填率，注浆量、适宜的浆液配比，浆液扩散半径，注浆终压等指标。

5.1.3 钻孔和注浆采用隔排跳跃施工，帮顶钻孔按由低到高的顺序，详细安排每孔注浆施工次序，并对注浆钻孔进行核实，不得遗漏钻孔。

5.1.4 帮顶围岩注浆，孔内下射浆管，射浆管长度：比孔深短500mm。射浆管壁每500mm对开一组直径为8-10mm射浆口，射浆管与孔口管连接牢固，保证浆液沿钻孔全长注入周围岩体。

5.1.5 孔口管必须埋设牢固，埋设长度不小于400mm，不得在注浆过程中松动或漏浆。孔口管松动或漏浆造成注浆失败的必须补打注浆孔。

5.1.6 水泥浆必须添加XPM水泥注浆添加剂，严格控制浆液水灰比，减少水化学反应以外的多余水量。

5.1.7 每孔注浆作业应连续进行，中途不宜中断，尽量避免因机械故障、停电、停水、器材故障等原因造成的注浆中断。因大范围漏浆或浆液消耗量过大而中断注浆时，在施工日志中准确记录，并确保周边钻孔的注浆质量，必要时应补打注浆孔。

5.1.8 打钻、注浆过程中及时处理漏浆点。除大范围连片漏浆外，应采用人工糊缝处理漏浆点，并压注单液水泥浆。对大范围漏浆区域注双液浆堵漏时，必须对双液浆固化速度进行测试和调整，确保浆液具有较长时间的流动性。

5.1.9 注浆堵漏采取单、双液浆交替结合及间歇注浆的方法进行，每次注双液浆后及时注入部分素水泥浆，确保漏浆点被有效封堵前漏浆通道畅通，并尽可能扩大单孔封堵漏浆点范围，提高钻孔利用率。

5.1.10 注浆过程发生相邻钻孔串液时，必须对串液的钻孔进行交替注浆或分开管路同时注浆，禁止利用一个钻孔对两个或更多串浆钻孔同时灌注，分别记录钻孔注浆情况。

5.1.11 注浆过程系统运行可靠，随时检查压力表是否正常，发生故障及时更换，禁止在压力表故障状态下进行注浆施工，根据注浆压力控制注浆速度10-25L/min。

5.2 帮顶围岩支护施工要求

5.2.1 帮顶锚索钻孔直径30mm，孔口扩孔直径56mm，扩孔深度500mm。

5.2.2 使用树脂锚固剂进行端部锚固，锚固剂装填顺序依次为K2335，Z2360。

5.2.3 所有锚索托盘在拱窝中部加工注浆管引出孔，直径18mm。

5.2.4 所有锚索端部锚固预紧后，必须按设计载荷张拉锚索至规定值，确保锚索对围岩施加较高的预应力。

5.2.5 所以锚索孔，注浆管在锚索端部锚固后安装，并在锚索安装预紧后压住水泥浆，注浆终压2-5MPa。形成预应力全长注浆锚固锚索。安装时套装止浆塞、止退钢管及铝塑注浆管等附件，铝塑管长度800mm，由托盘注浆管引出孔引出，外露长度不小于400mm。

6、施工安全注意事项

6.1 注浆时，人员远离注浆孔口，防止高压浆液突然喷出伤人。

6.2 由于巷道顶板存在高冒区，所以注浆时要安排专人观察两帮及顶板，如发现有异常情况需立即停止注浆。

6.3 本加固工程最终支护主要为预应力注浆锚索补强，为确保围岩支护强度，锚索第一次安装张拉时，必须安装锚索测力计，现场测定张拉机具与松开时的载荷损失量，确定与设计载荷匹配的张拉系统压力。当现场测试锚固力不足时，应调整预紧力，必要时应采取改进工艺等措施。

6.4 张拉锚索时，两人协作，张拉油缸应与钢绞线保持在同一轴线上，加压后，工具锚卡住钢绞线方能松手，操作人员要避开张拉油缸轴线方向，以确保安全。

6.5 张拉锚索时，发现不合格锚索，必须在其附近补打合格锚索。锚索安装两天后，如发现预紧力下降，必须及时补拉。

6.6 由于巷道高度比较高，所以必须搭架施工，施工段两端要派专人把守。

6.7 由于巷道冒顶比较严重，冒顶区架U型钢棚并填塞木垛，打钻时比较困难，必须严格按照打钻作业技术规范施工。

7、巷道加固效果

在对南丰井底车场巷道修复完毕后，在其巷道设置综合测站，对巷道两帮移近量、顶板下沉量以及底鼓量进行监测，检测频率为2d。通过现场监测数据可知，该段巷道在20d以后变形量趋于稳定，巷道两帮移近量约为180mm，顶板下沉量约为130mm，底鼓量越位60mm，支护效果明显。

8、结论

8.1本次巷道修复注浆材料选用425普通硅酸盐水泥，配合添加剂使用，与以往的化学注浆比较成本低，适合于修复大量的巷道群使用，可取得良好的经济效果。

8.2 从本次巷道修复结果表明，该方法对破碎顶板及两帮起到了明显的加固作用，另外壁后充填材料具有一定的可缩性，可部分吸收围岩应力重新分布时产生的应变能，有效抑制了巷道围岩的变形。

8.3 在巷道过特殊地质构造、大断面、深部高应

力区域以及松软围岩中施工采用注浆加固技术能起到提高支护效果的作用。

8.4 注浆加固技术与传统的修复支护工艺相比，具有成本低、修复效果好等优点，适合进一步推广应用。

[参考文献]

【1】杨坪，彭振斌，李奋强，航道注浆加固作用机理及计算模型研究【D】.徐州，中国矿业大学，2007

【2】高明仕，王恺，阚甲广，黄茂鸿，冲击矿压巷道围岩稳定性控制研究现状及进展[J]；煤矿支护；2006年04期

【3】陈金宇，杨景贺，破碎围岩注浆加固作用分析与应用[A]；地基基础工程与锚固注浆技术：2009年地基基础工程与锚固注浆技术研讨会论文集[C]；2009年