中央采区围岩注浆加固技术的研究与应用

赵勇

（姚桥煤矿掘进一队，江苏 徐州 221611）

1 研究背景

随着采深的增加，原岩应力升高与采动应力的叠加，姚桥矿区面临复杂地质、高应力、冲击矿压、煤体强度低等不利条件。姚桥矿中央采区回风下山2003 年3月首次发生冲击矿压，致使巷道被严重破坏90 余米，2016 年8 月中央采区回风下山原7004 工作面段二次产生冲击矿压，不单回风下山遭受破坏，并严重波及轨道下山，两条下山巷道剧烈大变形，运输及通风困难，严重影响矿井安全生产[1]。中央轨道下山变形严重段平面图如图1 所示。

在复杂地质、高应力等在采动条件下中央采区集中下山巷道均发生不同程度的破坏，部分巷道多次返修，造成生产成本急剧增加，经济效益降低，并影响安全生产；部分煤层下山巷道，在工作面超前压力影响下，出现冲击矿压倾向。在复杂地质、高应力状态下，煤岩层原处于原始平衡状态的各种弱面及非连续介质的煤岩体在掘采扰动后，平衡状态被打破，煤岩体受到破坏，巷道围岩因变形释放大量能量，原有围岩弱面进一步扩展，同时产生新的裂隙；在采动条件下，采动应力对巷道的影响尤为剧烈，巷道围岩呈现松动、碎胀，巷道来压显现强烈、地压冲击倾向明显、巷道变形量大、流变时间长等特征[2]。

根据岩层柱状，细砂中是最容易出现变形破坏的地方，通过岩层观察，由于岩层软弱围岩承载力差、巷道掘进揭露断层多等影响，底层岩体受挤压，容易造成巷道变形问题。姚桥煤矿中央轨道下山受两侧工作面采动影响，断面变形破坏剧烈，一旦产生巷道变形，就会影响项目的整体情况，如果变形强烈就需要花费大量的时间和精力进行维修，不仅会影响巷道的安全性，同时也会造成维护费用的增加，因此，注浆加固修复工作必不可少[3]。

2 围岩注浆加固机理与技术

一直以来，易破碎围巷道支护分为两类，一类以刚性支护为主，辅之以混凝土结构；另一类采用U 型管可缩支架，辅以锚喷、砌碹等支护方式，但是随着矿山开采深度的增加，开采环境的日益复杂和恶劣，这些方法逐渐无法满足高应力破碎巷道等的支护要求。后来出现了以锚注为核心的锚注、锚网喷联合支护体系，对加固破碎巷道效果比较理想。

2.1 注浆作用

锚注加固围岩原理如图2 所示，从图可以看出，经过注浆和锚杆联合支护后，巷道从浅部到深部依次形成了锚杆加固圈、注浆加固圈、岩层，注浆的作用有两点：①锚杆可以起到全长锚固效果；②发挥整体的力学效应，使围岩、锚杆形成有效可靠的组合拱[4]。

2.1.1 改善围岩赋存环境

围岩破碎之后就会导致内部存在孔洞以及裂缝，在井下的潮湿环境以及较大风速的影响之下，大量的水分以及空气会进入缝隙当中，进一步加速围岩吸水膨胀软化和风化程度。为了改善围岩赋存环境，可以将浆液填充到缝隙内，在浆液的作用之下，让破碎围岩形成整体，如此便能将缝隙当中的水与空气挤出，这种注浆加固的方法能够避免水与空气的侵入，能够有效阻止围岩吸水膨胀和风化。

2.1.2 裂隙充填与压密作用

注浆加固具有缝隙充填以及密压两大作用，而且不同的作用适用于不同对象。从实践运用的角度来，如果破碎围岩缝隙较大，就可以将浆液渗透其中，达到充实裂缝的目的，这种方法能够削弱和消除应力集中的问题，是改善局部应力环境的一种有效方法，这便称之为充填作用。浆液在运用过程当中，无法深入破碎围岩封闭细小的缝隙当中，这一情况便可采用密压作用，该方法是采用注浆的压力进一步压缩封闭以及微小裂缝，甚至让裂缝闭合，其目的便是消除应力集中问题。所以，充填密压作用在运用的过程当中，具备消除围岩应力集中的作用，能够进一步改善其应力状态，而且该方法的运用能够改善破碎围岩的力学性能，浆液渗入之后会胶结，增强缝隙的内聚力以及内摩擦力，通过充填作用降低孔隙率，提高了围岩的弹性模量以及强度[5]。

2.1.3 提高围岩残余强度

在浆液以及挤压作用之下，裂缝逐渐固结之后会形成网格骨架结构。就强度方面来看，固结材料并不一定高于原巷道围岩，但是却具有更好的可塑性，所以能够进一步提高围岩的受力承载能力，即使发生较大变形也不会造成破坏，如果在应力的作用之下发生了变形情况，在自由承载能力的影响之下，能提升围岩残余强度，避免围岩遭到进一步的破坏，这也是改善巷道维护状况的一种有效途径。

2.1.4 注浆加固改善支护体受力状态

对于浅部破碎围岩来说，进行注浆工作之后，浆液会填充到破碎的裂缝以及空洞当中，随着时间的发展逐步凝固，在胶结作用的影响之下，会形成介质连续的整体结构，具有提高破碎围岩内聚力和抗压强度的作用。在浆液的作用之下，破碎围岩会转变成结构体，本身具有一定承载能力，能够降低支护结构受力，除此之外，被动支护结构在注浆的作用之下，能将文言外部的荷载传递至支护结构，提高支护的受力均匀性，其支护能力得以发挥，尤其是对于主动支护，例如，锚杆支护，能够发挥其其主动支护的优势，限制松动变形问题的发生，能够进一步稳定围岩。

2.2 注浆技术

注浆工艺在运用的过程中更加强调对环境的适应能力，该项工艺运用之前，首先需了解对象的技术特征、工程性质等相应信息，然后结合地质水文条件信息制定具有针对性的注浆方案以及施工方案，并将其贯彻到作业实践当中，确保注浆过程的完整性。相较于其他工艺而言，注浆工艺具有技术复杂、针对性强的特点，同时会受到注浆参数的明显影响，想要提高注浆效果，就必须高度重视注浆参数。

2.2.1 注浆压力

根据来源分析可知，注浆压力是浆液在岩土中扩散的动力，而且会受到地质条件、注浆材料、注浆方法等多重因素的影响。一般情况下，化学注浆压力更小，浅部注浆压力变小，地层渗透参数系数大，注浆压力较小。堵水与防渗工程中水压的影响十分显著，煤矿地面立井预注浆压力一般为静水压力的2.0～2.5 倍。水坝注浆压力一般为1～3 MPa，浅表地层注浆压力一般为0.2～0.3 MPa，地下隧道和巷道围岩注浆压力最大可达6 MPa，最小值在1 MPa 以下。

2.2.2 扩散半径

扩散半径的影响因素很多，它随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、浆液流动特征、注入时间等因素的变化而不同，它决定着注浆工程量和工程进度，常用一些理论或经验公式估算，但最终往往仍需通过试验确定。

2.2.3 凝胶时间

凝胶时间时浆液本身的特征，不同的项目对于注浆有着不同的需求，这也就使得浆液凝胶时间存在差异，具体的实践情况可根据工程需求进行综合考量，并能准确控制。典型浆液凝胶时间如下：单液水泥浆从几十分钟到几十小时，水泥-水玻璃双液浆几秒至几十分钟，高水速凝材料从几分钟到几十分钟。

2.3 注浆加固巷道围岩机理

（1）经过解压和渗透作用之后，将夜进入巷道围岩缝隙，经过固结会形成网络骨架结构。如果应力超过煤体强度，就会造成变形问题，经过注浆形成网络骨架结构，具备很好的韧性以及连接性，不仅能够提高围岩残余强度，而且也能够避免岩层遭到更大破坏，是改善巷道维护的一种有效方法。

（2）通过泵压将浆液注入，能够填充不同类型的缝隙时，裂缝压缩甚至闭合，同时也能提升岩层弹性模量和强度，降低孔隙率，增强整体强度，提高巷道围岩稳定性。

（3）围岩注浆具有风度裂缝、防止破裂煤体内部分化的作用。

（4）锚杆具有改善锚杆受阻状态的作用，通过调整锚杆工作特性，适应围岩变形规律，同时向周围提供支护阻力，达到加固的作用。注浆在运用过程中，能够加长锚固长度，通过浆液胶结反作用于围岩，避免围岩出现变形情况，而且在多重材料的作用之下，锚杆与围岩形成整体能够增强锚杆支护的作用，形成组合拱。

对于围岩来说，注浆后的端锚锚杆与未注浆的端锚锚杆与其作用并不相同，为了进一步了解两种锚固方式下锚杆的实际工作性能通过对数据对比可得出如下结论：①无论注浆与否，端锚锚杆的锚固力都具有相同的过程，即上升、达到峰值、下降的。但是相比较而言，经过注浆之后，端锚锚杆最大锚固力保持时间过长，而且衰减过程更慢。②经过注浆之后，端锚锚杆增阻速度更小，其原因在于端锚锚杆和围岩连接成为整体，等效弹性模量增大，所以增阻速度更大。③对于没有注浆的端锚锚杆来说，锚固长度是达成最大锚固力的重要因素，经过注浆之后，最大锚固力会受到多重因素影响，例如围岩强度、注浆材料等，所以在保持相同应力和相同围岩的条件之下，注浆之后端锚锚杆最大锚固力可提高1.5～3.0 倍。④在注浆作用之下，端锚锚杆和围岩形成整体，能够防止粘接破坏问题的产生，而相较未注浆的端锚锚杆，残余锚固力更大。

2.4 高应力破碎巷道注浆修复技术

姚桥煤矿中央采区轨道下山巷道受临近工作面采动压力影响，上覆层岩出现松动变形破裂情况，应力释放之后，会对巷道造成瞬间的挤压破坏，随着围岩沿松动圈的增大，裂缝逐步增加，承载能力大打折扣。想要改变这一情况，解决支护维护难的问题，就需要从实践的角度出发，改善巷道围岩应力状态，通过深注＋锚索网喷＋锚注的复合支护手段，从根源上改善巷道围岩工况，通过提升巷道稳定性和承载能力，避免巷道出现再次的破坏，有效预防巷道变形以及破坏问题。

2.4.1 深孔注浆

采取围岩深部注浆粘结老顶岩层破碎裂隙，增强轨道下山上覆岩层整体强度；通过对传统巷道注浆理论的进一步分析，可以发现该理论强调。浆液在渗透过程中，会由上及下由表及里的渗透，但是随着裂缝张开程度的降低，胶液在渗透过程当中主力逐步增加，也就意味着当破碎围岩缝隙深度超标，浆液的加固作用就会大大减弱，所以浆液加固，只针对于浅部巷到破碎围岩，这范围在于巷道表面2.0～2.5 m。但是通过对这一理论的深入分析，可以发现其中仍然存在很多的问题，例如没有考量到顶板深部岩层层里面错动、产生离层等相关因素，如果在注浆加固过程当中，仅针对巷道浅层围岩，在注浆的作用之下，注浆加固圈的承载能力虽有所提升，但是在多重因素影响之下，顶板层沿出现错动、离层，会造成整体下降，而此时浅部注浆加固圈，人承受较大荷载，意味着会受到再次破坏，巷道稳定性无法得到保障，所以为了进一步提高加固效果，需要考量深部注浆问题。

2.4.2 锚索网喷支护

然后通过带有缓冲装置的锚索强力锚固和钢网锚喷，强化巷道断面承载能力。锚网喷支护与二次注浆如图3 所示。

2.4.3 二次充填注浆

最后根据需要进行断面二次浅部注浆，使其注浆加固体交圈充填形成复合支护结构，有效改善围岩整体的力学特性，极大的提高巷道自身承载力和抗冲击地压的能力，以确保轨道下山巷道的安全生产。

3 结语

该加固方案为复合型支护结构，针对性强，可以充分发挥各种支护的优势，形成支护结构，提高围岩自身承载能力，改善复杂应力下围岩巷道的维护状况。从而解决复杂应力下中央采区破碎围岩巷道的稳定性问题，且具有重要的理论和实际应用价值。