断层破碎带中巷道注浆加固设计与实践

刘 勇

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

注浆加固法是利用气动或者其他动力，通过注浆钻孔、注浆管以及安置于注浆孔中的封孔设备，将具有流动的并在胶凝后具有一定强度及抗渗透性的液状材料均匀地注入到注浆介质内的裂隙中，从而改善注浆介质的力学、物理等性能，提高注浆介质的整体稳定性和强度，降低注浆介质渗透性的施工方法。利用注浆的方法对煤矿井下松软破碎围岩体进行注浆加固，对透水性围岩体进行注浆堵水是提高煤矿安全性和生产效益的方法之一。

1 注浆加固破碎围岩体原理

浆液在压力的作用下，不但可以充满互相联通的围岩裂隙，而且还可以将浆液充填不到的封闭裂隙压缩，从而对围岩体整体起到压实作用，其结果是使岩体的弹性模量提高，强度也相应提高。

岩体的强度通常用莫尔强度理论来描述，注浆加固的补强作用可采用莫尔强度理论进行分析，为简化计算，强度曲线采用直线形包络线，即:

式中，τ为岩体抗剪强度，MPa;σ为正应力，MPa;C为岩体的粘聚力，MPa;φ为内摩擦角。

由上式可知，岩体强度的大小是由C、φ这两个指标确定的。当集中的切向应力超过岩体的强度极限时，工作面表面的岩体首先破坏，产生裂隙，岩体原有的粘聚力及内摩擦角下降，围岩在一定范围内形成围岩破碎带。此破碎带内的岩体虽具有一定残余强度，但其抵抗工作面围岩深度变形的能力显著降低，通过注浆可改善岩体弱面的力学性能，即提高裂隙的粘结力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。岩体注浆前后强度变化见图1。

图1 岩体注浆前后强度变化

2 工程概况

酸刺沟6上煤层倾角0～6°，煤层厚度7.5～12.5m，变化较大，6上107工作面采高3.4～3.8m，支架最大高度4.2m，采用综采放顶煤技术。6上107工作面胶运巷沿顶板掘进，巷道受F2断层影响段，巷道坡度大，起底1～1.5m左右，起底段巷道超高2m左右，巷道架工字钢棚支护，巷道围岩受断层影响，煤体块状破碎，如受采掘动压影响，机头附近易出现冒顶和片帮事故。工作面回采时，受回采超前压力影响，断层破碎区端头三角煤易发生片帮、冒顶。

3 注浆实施

3.1 注浆加固工艺

注浆加固施工工艺包括:打孔、封孔注浆、止浆等几道工序。工艺系统如图2。

图2 破碎煤岩注浆加固施工工艺系统

3.2 技术方案

注浆钻孔布置于6上107工作面胶运巷注浆加固段回采侧帮部，钻孔方位为N90°。施工两排钻孔，钻孔深度8m，钻孔仰角10°，第1排孔紧靠顶板吊顶钢梁以下布置，第2排钻孔与第1排孔排距1.5m。两排孔呈三花眼布置，孔间距5m。钻孔布置见图3，图4。考虑到施工过程中可能会存在钻孔窜浆现象，为避免由于窜浆导致其他钻孔报废，单排钻孔间隔施工并注浆。

图3 注浆孔布置断面

3.2.1 设计要点与施工控制

钻孔设计与质量控制 注浆钻孔设计为一级钻孔，开孔孔径为φ42mm，钻孔成孔后，用清水充分清洗钻孔内煤粉，以避免煤粉封堵煤壁裂隙、封孔器封孔困难，确保注浆质量。

图4 注浆孔布置剖面

注浆段长与压力 按照巷道参数及煤壁裂隙发育特点，确定注浆段长6m，封孔器封孔位置2m，根据注浆情况可适当调整注浆段长。注浆压力控制在2～4MPa之间，注浆时以注浆泵上压力表为准，根据注浆时煤壁漏浆及煤壁的稳定性可做适当调整，但原则上不能超过4MPa。

浆液注入量 单孔注浆量100～150kg/m，最大注浆量不超过单孔200kg/m，若单孔注浆量过大，应采取间歇注浆方式，以期用最少的注浆量达到最佳效果。施工时根据注浆压力、煤层情况、煤壁漏浆情况等进行控制。注入量是保证注浆质量的一个重要参数，施工过程以质量为本，根据煤层裂隙发育程度、注浆结束标准等综合因素进行调整。

4 注浆效果分析

4.1 注浆孔

注浆钻孔与其他用途钻孔相比，具有特殊要求，尤其在钻孔偏斜方面。从注浆质量上考虑，应该使各个注浆孔尽最大可能揭露裂隙，保证浆液的有效扩散。

本工程根据巷道尺寸和裂隙发育产状，设计钻孔向上倾角10°，充分揭露裂隙，满足注浆要求。合格的注浆钻孔保证了注浆整体范围，确保钻孔之间浆液的有效扩散。

4.2 浆液质量

施工过程中严格控制浆液质量、根据注浆情况进行适当调整是保证注入量和注浆质量的前提。工程中浆液配置参数由试验获得，施工过程中抽样检查，全部达到设计要求。

4.3 注浆交圈

注浆段浆液扩散半径是对井筒地面预注浆效果分析的一种方法，是基于注浆煤层和浆液有效扩散后作出的分析，一定程度上反映了钻孔偏斜、落点情况，可以直观地看出注浆加固帷幕的形成情况。

注浆交圈的假设是:注浆地层均质 (岩层性能和裂隙情况均衡)且各项同性;在注浆段的任何一个水平方向上，浆液的扩散半径保持定值，扩散范围是以钻孔为中心形成的一个圆，纵向上即是与钻孔轴线保持同步弯曲的柱体，各个钻孔浆液扩散柱体相交即可形成加固帷幕。

注浆过程中，钻孔附近3排锚杆孔均窜浆，说明浆液已经扩散至此范围，边界孔外4m处有浆液漏出，说明浆液扩散范围至少可以达到3.5m左右，钻孔布置合理，可以形成完整的加固体。

4.4 注浆压力

注浆压力是决定注浆质量的重要参数。浆液正是通过压力克服系统管阻、受注煤层的水头压力等流动阻力在岩层裂隙 (包括层界面、破碎带)中流动、扩散、充填，从而实现有效注浆。注浆压力与浆液注入量也直接相关，选择的压力低，浆液的扩散距离短、受注范围小、对裂隙充填不够密实，注浆效果就不能保证;反之，对于裂隙不发育的煤层位则需要提高压力以保证注浆质量。

本工程注浆过程中，参考类似工程参数、结合煤层特性和浆液性能参数，选用8～10MPa注浆结束控制压力。实际施工中，各孔段都达到了设计要求，并且结束压力基本上是达到和超过设计压力范围的上限，保证了注浆质量。

同一工作面，各孔各段也因地层差异、施工顺序等在注浆时压力的变化情况也不一样。从本段各注浆孔的注浆压力来看，变化情况符合化学注浆一般规律。在每段的第一序孔注浆时，压力上升比较缓慢，但后期孔注浆时，注浆压力上升很快，这是由于前期注浆已经对煤壁产生了一定的加固效应，裂隙充填效果较好，使得后期注浆的流动阻力加大，从而压力上升较快，且压力值较高。

4.5 钻孔窥视

注浆结束后，为分析煤壁裂隙发育产状，浆液充填规律，验证注浆效果，进行钻孔窥视试验。

窥视图分为柱状图和平面展开图，通过窥视及两图的对比，可以看出裂隙的走向、裂隙开度、浆液的充填效果、浆液扩散半径等核心参数。窥视图片如图5所示。

图5 窥视图片

4.6 钻孔取芯

注浆结束后在注浆段内随机采取岩芯来验证注浆效果，取芯孔孔径φ89mm，孔深8m，取芯结果如图6。

图6 钻孔取芯

由图6可以看出，各种裂隙均浆液充填饱满、密实，浆液粘接效果好，浆液强度明显高于煤体强度，浆液微量发泡，在确保加固效果的基础上，可以控制材料用量，减少施工成本。

5 结论

(1)6上107胶运巷断层破碎带煤壁破碎，横、纵向裂隙发育，裂隙整体呈网络状，沟通较好。

(2)注浆区间内裂隙充填饱满，浆液强度高，粘结力强。注浆后，浆液被全部封堵，无明显裂隙。

(3)浆液扩散能力强，扩散半径大，钻孔间能形成完整的交圈范围，提高了煤壁的整体性。

(4)浆液沿钻孔垂向扩散半径可达到4m左右，可沿钻孔轴向超前钻孔扩散2m左右。

(5)消除了综采工作面过断层的种种不安全因素，保证了6上107综采工作面的顺利推进。

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