破碎软岩巷道围岩松动圈测试与加固技术研究

祁海泽

(西山煤电股份公司镇城底矿，山西 古交 030203)

1 工程概况

1.1 地质条件

某矿三水平泵房实际埋深约720 m，1条落差约20 m的断层穿过泵房，受断层构造影响，泵房顶板为滑动构造顶板，岩体内节理裂隙极为发育，易破碎，围岩整体性差，泵房地质剖面图见图1。

图1 三水平泵房地质剖面图

1.2 泵房围岩变形特征

泵房掘出后，采用U36型钢棚支护，加钢筋网配合木头椽子、背板，在短时间内发生较大变形。后又对泵房采用d15.24 mm锚索进行加固，但仍无法控制泵房强烈变形，泵房内支架卡缆普遍滑移超过500 mm，顶板下沉量最大超过1000 mm，底鼓量超过800 mm，泵房联络巷出现了尖顶型破坏。

2 巷道围岩松动圈实测

2.1 测试方法

采用地质雷达扫描与钻孔窥视相结合的方法，对泵房围岩松动圈进行现场实测。在三水平泵房选一特征断面，先进行地质雷达扫描，每20 cm扫描1次。其后在该断面顶板、肩窝及帮部各布置1个孔径40 mm，孔深8 m的钻孔，进行钻孔窥视工作。

2.2 测试结果分析

雷达测试典型图像见图2。

图2 地质雷达测试典型图像

从图2可以看出，最深连续反射出现在顶部，时间为85 ns，计算出围岩松动圈最大深度约为7.1 m。两帮、拱顶与肩窝在相近深度观测到断续反射，表明松动范围相差不大，在4～5 m。底板在3.5 m处有连续反射。

测试断面不同位置钻孔窥视典型图像见图3。

图3 测点窥镜测试典型图像

从图3可以看出，顶板围岩6.0 m处有明显裂隙，肩窝4.2 m处有明显裂隙，帮部4.6 m处有明显裂隙。

本刊记者就此情况咨询法律人士，得到的答复是：罚金与缓刑无关，罚金是指强制犯罪人向国家缴纳一定数额金钱的刑罚方法。罚金作为一种财产刑，是以剥夺犯罪人金钱为内容的，这是罚金与其他刑罚方法显著区别之所在。罚金的执行当以生效判决为准，也就是说，开庭之前，在被告人仅为犯罪嫌疑人的情况下，就要求其缴纳罚金，难逃“未审先判”“以钱买刑”之嫌。而罚金也属于刑罚的一种，还没最终定罪，就急着谈刑罚，程序上似乎说不过去。

结合地质雷达探测与钻孔窥视仪测试结果，绘制三水平泵房围岩松动圈发育范围图见图4。泵房测试断面顶板裂隙发育深度超过7.1 m，两帮超过5.3 m，底板达到3.6 m以上。

图4 泵房围岩松动圈发育范围素描图

3 破碎巷道围岩注浆加固技术研究

泵房围岩松动圈发育范围大，尤其是浅部岩体松散程度高，导致U型钢棚支护性能难以发挥。改善浅部围岩的松散结构是泵房加强支护的前提。

围岩注浆的作用是通过钻孔向岩体内注入具有胶凝能力的浆液，浆液在压力的作用下，顺着裂隙网络渗透，见图5。

图5 浆液在裂隙中渗透示意图

在浆液的作用下，破裂岩块得以重新胶结，尤其是巷道较浅部围岩松散结构得以改善，提高了岩体黏聚力和内摩擦角，并阻止风、水对岩体的侵蚀、弱化，提升了岩体的残余强度，从而提高围岩体自承载能力［2－4］。

巷道围岩塑性区半径与岩体黏聚力和内摩擦角存在如下关系:

式中:

P—原岩应力，MPa，取10;

a—巷道半径，m，取2;

Pi—支护阻力，MPa，取 0.1。

计算不同黏聚力与内摩擦角条件下，巷道围岩塑性区大小，得出关系见图6。

图6 围岩塑性区深度与岩体黏聚力、内摩擦角间的关系图

由图6可见，随着围岩黏聚力的增大，巷道围岩塑性区发育范围减小，尤其当黏聚力c≤1.0 MPa时，塑性区半径的变化对黏聚力变化十分敏感。

对于开挖扰动后的浅部围岩，内摩擦角φ一般在25°～45°，图 7 显示当 φ =25°时，R≈4.5 m;φ =45°时，R≈2.5 m，后者与前者相比，塑性区范围缩小了近45%。由此可见，通过围岩内摩擦角可以较大程度地提高围岩完整性。

巷道开挖扰动使岩体中次生了大量裂隙，尤其是处于巷道周边的岩体，甚至出现许多块径不足10 cm的岩块。通过浅部围岩注浆将松散岩体内裂隙充填、胶结，加大了岩体中弱面上的摩擦力，增大了岩块间发生相对位移的阻力，从而提高了巷道浅部处于残余应力状态下岩体的整体强度及稳定性。

4 现场工业性试验

4.1 注浆管布置

根据三水平泵房实际条件，依据围岩注浆加固原理，确定泵房注浆加固方案，见图7，注浆管间排距1600 mm×1000 mm。

图7 泵房注浆孔布置参数示意图

注浆管选用1/2英寸的中空螺纹钢管，长度1300 mm，注浆管末端600 mm范围内钻有d8 mm放射孔，以便浆液向四周扩散，径向孔距150 mm。注浆管前端有100 mm螺纹丝，用于连接注浆阀。

4.2 注浆施工要点

1)注浆前需对巷道表面进行喷浆，喷浆厚度50～100 mm，以封闭表面，不漏浆为原则。

2)采用525#水泥加水配置注浆液。注浆初始压力1 MPa，终孔压力控制在2～3 MPa。

3)为了减少注浆时相邻注浆孔跑浆，采用间隔注浆方式，同一断面内，先注图 7 所示 1、3、5、7、9 号孔，后注2、4、6、8号孔，奇数号孔注浆结束后，再钻偶数号孔，安装注浆管，巷道轴线方向同样隔排进行注浆。

4.3 注浆效果分析

巷道围岩注浆前后对比情况见图8。

图8 注浆效果图

从图8可以看出，水泥浆液在围岩中渗透良好，岩体中裂隙被水泥浆液胶结，围岩完整性得到较大改善，为架棚支护或锚网索支护作用的发挥提供了良好基础。

5 结论

1)破碎软岩巷道往往成型较差，大幅降低棚式支护作用性能。而采用锚网支护，由于锚杆、索着力基础较差，且施工困难，导致锚网索支护效果不佳。

2)掌握巷道围岩破碎情况是制定合理支护方案的前提。采用地质雷达扫描与钻孔窥视相结合的方法能够较为准确、直观地了解岩体裂隙的发育状况。

3)围岩注浆加固技术能够显著提高浅部岩体的黏聚力和内摩擦角，增大岩块间发生相对移动的阻力，从而提高浅部岩体残余强度。采用棚式支护时，注浆能够充填架后空间，改善支架受力状况。采用锚网支护时，注浆能够改善锚杆、索施工条件，提高锚杆、索承载性能。

［1］林惠立，石永奎.深部构造复杂区大断面硐室群围岩稳定性模拟分析［J］.煤炭学报，2011，36(10):1619－1621.

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