注浆加固技术在断层应力集中区巷道掘支中的应用*

汪光德 王荣军 崔 杰 谢明星

（五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿）

北洺河铁矿矿体东部MB4勘探线到MB5+25勘探线之间存在1条较大的F3断层，该断层成因复杂，由起初的正断层经构造运动改造为具有逆冲性质的平移断层。断层产状为NW307°∠65°，垂直滑距8.9 m，水平滑距17 m，为压扭性断层。伴随该断层的主断面分布1条宽约10 m的破碎带，该破碎带宽度较稳定，但破碎带中岩石的破碎程度稍有差异，在与其他优势构造方向交汇处，岩石破碎严重。破碎带的岩石主要由磁铁矿、闪长岩、灰岩及矽卡岩组成，岩块块度不均、较松散、质软，有黄泥充填。因该部位地下水活动，岩石风化严重，工程地质条件差，工程围岩极易塌方冒顶［1］。

北洺河铁矿-200 m分层13#联巷位于该矿矿体东部，是通往东部采场的第二安全通道。目前-200 m分层东北部采场已经进入回采阶段，但13#联巷受F3断层破碎带影响，掘进掌子面已经发生塌冒，始终未能贯通。为确保东部采场生产安全，需要尽快采取措施贯通13#联巷。

1 工程现状

-200 m分层13#联巷未贯通段长15 m，位于5+25勘探线与4+25勘探线之间，围岩为蚀变闪长岩，蚀变较严重。该工程穿过F3断层破碎带，对应上方-185 m分层的10#联巷。

13#联巷自东西2个方向对向施工，东侧施工至断层约10 m时，巷道围岩变化较大，闪长岩蚀变更加严重，由较稳固变为较破碎、松软，但不影响正常作业。采取了“一掘一支”的措施，并将掘进进尺由3 m降低到2 m，施工至断层约5 m时，围岩变得极其破碎，并发生塌冒（图1），此时西侧距离断层仅10 m，考虑到东侧情况，停止了西侧掘进作业。

为尽快处理东侧塌冒区域，对掌子面破碎岩渣进行清理，但因围岩极其松软，铲运机清理时，掌子面散体岩渣不断自巷道顶部及左右两帮垮落，始终无法形成安全的支护空间，并造成塌冒高度不断增加，致使上方-185 m分层10#联巷底板出现凹陷。

由于上分层底板已经出现凹陷，推断底板以下出现空区。为探明空区及破碎围岩范围，施工探空孔进行探测。探空结果显示，该分层巷道底板以下1.5 m开始出现空区，空区高度约3.5 m，宽度为4 m，长度为7 m。空区及破碎围岩范围探明后，利用已施工的探空孔进行装药爆破，对上分层底板悬顶隔层进行了处理，最终形成高3.3 m、宽4.1 m、长7 m的空区。

2 影响断层附近区域巷道掘支的因素

2.1 断层地应力的影响

13#联巷塌冒区域距离F3断层仅5 m，且位于断层下盘区域。理论研究表明，随着断层倾角的不断增大，断层应力集中区将不断向断层破碎带下盘交接处附近移动（图2）［2］。F3断层平均倾角65°，最大倾角接近90°，且掘进掌子面塌冒区域距离断层破碎带下盘交接处仅5 m，可见断层应力集中是造成巷道塌冒的根本原因。

2.2 掘进方式的影响

13#联巷掘进过程中，施工单位在掘进掌子面进入断层破碎带时，未采取加固顶板的措施就进行了出渣。在顶板不断垮塌的过程中没有做好预判断，造成塌冒高度不断增加，进而与上分层底板联通。不科学的掘进处理方式是造成巷道塌冒的重要原因。

3 施工方案

13#联巷塌冒部位于断层应力集中区域，围岩蚀变破碎严重，且已经造成上分层底板凹陷，判断该部位上部围岩已经整体下移，且严重松散破碎，故普通的支护及注浆措施已经无法保证施工安全。

通过分析造成掘进掌子面塌冒的原因，结合矿山地质条件及施工现状，利用充填、渗透、劈裂联合注浆加固破碎岩体的技术方案，对该塌冒区域进行加固，提高塌冒区域围岩的自身稳定性。

本次注浆加固，一是通过充填注浆，填补空区及加固塌冒松散体，防治围岩空区进一步垮塌；二是通过渗透注浆，使浆液渗入塌冒松散体内部和破碎岩体的裂隙，达到胶结的作用，提高松散体及围岩的自稳能力；三是由于断层破碎带充填泥岩松散破碎，并存在较严重的泥质化现象，渗透注浆之后，还需提高注浆压力进行劈裂注浆，以增强整个岩体的稳固性。

3.1 止浆墙设计

止浆墙的厚度主要根据最大注浆压力、巷道断面、岩石力学性质及墙体的材料强度来确定［3-5］，计算公式为

式中，B为止浆墙厚度，m；R为柱面外半径，m；K为安全系数，取1.03～1.1；P为注浆终压，MPa；［σ］为混凝土允许抗压强度，MPa。

工程实践中一般按注浆终压选择止浆墙厚度。施工中大多选用混凝土止浆墙，其厚度一般为0.8～2 m。经计算，止浆墙厚1.5 m。

3.2 注浆孔设计

根据塌冒部位爆破处理后的现状，待-185 m分层充填注浆后，在-185 m分层共设计8个孔，孔径75 mm（图3）。②～⑦孔为注浆孔，为了更好探明空区状况，注浆孔在施工至空区或松散体后，还需继续施工进入稳固岩层3～4 m，必要时可以套入钢管。①、⑧孔为检查孔，主要探测检查塌冒区区域的围岩破碎现状，检查注浆情况。

3.3 注浆量计算

根据上分层底板悬顶隔层处理后的实测空区（3.3 m×4.1 m×7.0 m）计算，空区充填注浆量为95 m3。渗透注浆及劈裂注浆量受岩体裂隙实际发育程度的影响变化较大，以现场使用的注浆泵流量来准备注浆量。

现场使用泥浆泵进行注浆，注浆效率为250 L/min，机械效率为60%，每天连续注浆20 h，每天注浆量为180 m3，故每天需备用不少于180 m3的注浆材料。

3.4 注浆压力

注浆设计压力应根据围岩水文地质条件合理确定。一般为静水压力的1.3～1.5倍，劈裂注浆终压为静水压力的2～3倍。经试压，静水压力为1.5 MPa，即此次注浆终压取4.5 MPa。

4 施工方案实施

4.1 止浆墙施工

混凝土止浆墙应尽量选择在无水、岩层相对坚硬的位置，如有水应预先进行抽水处理，清理止浆墙位置内的一切杂物。为减少注浆量，止浆墙和掌子面空隙处填充废渣、废石。由于掌子面顶板塌冒，因此止浆墙选在-200 m分层13#联巷掌子面后退5 m处（图4）。为了止浆墙的稳定，巷道需提前进行刻槽，规格为500 mm。刻槽时只能放小炮，以防围岩松动或产生震动裂隙。

刻槽结束后，为防底板渗水须提前在底板铺300 mm厚的砂浆灰（配比为水泥∶砂=1∶2），然后进行止浆墙混凝土浇筑，浇筑工作分层进行，分层厚度为400 mm左右，要求连续施工，捣固密实。止浆墙浇筑至拱顶500 mm左右时，浇筑困难，为保证止浆墙使用质量，可采取喷射混凝土的方法进行封顶，混凝土标号为C20。

在止浆墙施工过程中预留2根φ32 mm的排水管，分别设置在距左右两帮1.0 m、距底板0.5 m的位置处，进水口用金属网片遮盖并用大块矸石压住以防堵塞，出水口安装阀门方便注浆时关闭。排水管将止浆墙内的水导入墙外的临时水窝，用水泵排出。

4.2 充填注浆

止浆墙强度达到要求后，从-185 m分层处理后的空区口向空区内进行充填注浆，以充填空区及塌冒区。首先采用水泥单液浆进行浇灌，待-200 m分层止浆墙排水管排出浆液时停止浇灌，并将排水管进行封口，然后改为混凝土进行浇筑，自塌冒松散体至-185 m分层底板形成一个稳固的整体，凝固期为14～28 d，经试压合格后，方可进行后续钻孔施工。

4.3 钻孔

充填注浆体凝固稳定后，开始施工注浆孔。钻孔设备采用200B型潜孔钻机。施工时，依次施工①～⑧孔，①、⑧孔根据探测情况确定是否注浆，其他注浆孔施工一个注浆一个。注浆孔施工时根据探测情况可适当调整方位、倾角，以满足实际需要，孔底距离保持在2.5 m左右。

4.4 渗透、劈裂注浆

注浆时，依次注①～⑧孔。初期为渗透注浆，使浆液充填破碎岩石的裂隙，当注浆压力超过2.5 MPa后，开始劈裂注浆，当注浆达到终压4.5 MPa时，或浆液流量降至10 L/min并持续30 min时，浆液将劈裂进入破碎岩层，并与破碎岩体形成互层，达到加固松散破碎岩体的目的，结束注浆。

4.5 检查孔施工

注浆完成后，待凝固期满足要求时，为检验注浆效果，设计检查孔11个，从-200 m分层止浆墙施工，分别为JC1～JC11（图5）。检查孔控制到巷道外3 m，上部控制至上分层底板。

4.6 方案实施效果

本次注浆共施工钻孔（孔径75 mm）19个，共269 m，实际注浆量为341.6 m3。通过检查孔取芯情况，岩芯完整性较好，破碎岩体稳固性得到显著加强。注浆之后，掘进工程顺利通过，且掘进过程中可明显看到注浆胶结体与破碎岩体互层情况，可见注浆工程达到了预期效果。

5 结语

（1）断层应力集中是造成-200 m分层13#联巷塌冒的根本原因，不科学的掘进处理方式是造成13#联巷塌冒的重要原因。

（2）处理上分层底板悬顶方案的实施，可以保证施工安全，摸清空区情况，提高注浆效率。

（3）充填、渗透、劈裂联合注浆方式对加强断层应力集中区破碎带的稳固性效果明显，可为同类条件下的区域围岩加固提供参考。

（4）为减少对注浆围岩的扰动，确保施工安全，注浆加固之后的掘进作业，建议采取“短掘短支”的方式缓慢施工。