高应力破碎围岩巷道注浆加固技术

doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2019.03.006

能源技术与管理

EnergyTechnologyandManagement

年62019年第201944卷第3月期

Vol.44Jun.,No.32019

高应力破碎围岩巷道注浆加固技术（1.中赟国际工程股份有限公司，河南郑州450007；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博255000）

要］基于孙疃煤矿南翼轨道大巷围岩破碎、应力高、巷道变形量大等典型的工程地质条

件，分析了破碎围岩注浆加固的机理和作用，模拟研究了不同注浆深度时巷道围岩变形的演化规律，确定了围岩注浆加固深度，提出浅、深孔分步注浆加固法，并开展工业性试验。矿压观测结果表明：巷道顶底板变形量约为175mm，两帮变形量约为120mm，有效地控制了巷道围岩变形。

［关键词］高应力；破碎围岩；注浆加固；数值模拟

［中图分类号］TD353+.8［文献标识码］A［文章编号］1672蛳9943（2019）03蛳0016蛳03

［摘

1工程概况

1.1基本地质条件

孙疃煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，南与任楼矿井接壤，北与杨柳井田毗邻，东北距宿州市约23km。井田南北走向长10.6km，东西倾向2017年矿井核宽3.5～5.1km，面积44.0044km2。定生产能力为270万t/a。

南翼轨道大巷位于72煤层和82煤层之间，围岩以膨胀性泥岩、煤线为主，底板易底鼓；巷道多处受上覆砂岩水侵蚀，掘进期间采用先锚后架喷支护，但支护效果不好，巷道底鼓量大，最大达1.2m，两帮移进量大，最大达到0.8m，已严重影响了矿井的安全生产。

1.2巷道顶板破坏状况探测

采用YZT-II型岩层探测南翼轨道大巷顶板碎裂程度及破坏深度，不同深度的裂隙发育情况详如图1所示。

（c）2.5m

（d）3.8m

图1不同深度的巷道顶板裂隙发育情况

从图1可知，巷道顶板2.0m范围内极为破碎，存在大量裂隙；2.0～4.5m范围内裂隙较为发育。综上可知，巷道的破坏范围在2.0m左右。但随着时间的推移，巷道又会生成新的裂隙区，破坏范围将进一步扩大。1.3地应力测试

对南翼轨道大巷进行了地应力测试，2个测点中铅直应力为12.8～13.0MPa，水平应力为20.4～20.9MPa，测压系数为1.59～1.61，以水平应力为主，属于高应力场类型。

2巷道围岩注浆加固技术

巷道围岩注浆加固的实质是将流动的浆液注

入存在大量裂隙的破碎围岩中，将破裂围岩重新胶结成较高强度的固结体，从而提高巷道围岩的整体稳定性。其作用机理主要体现在如下3个方

（a）0.6m

（b）1.5m

面：

（1）改善弱面的力学性能，大大提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪刚度；同时浆液固结后形成新的网络骨架结构，使得裂隙岩体的变形模量明显提高，从而提高围岩的整体稳定性咱1-3暂。

（2）浆液在裂隙中充填、固结后封闭裂隙，阻

基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2018PEE003）；安全生产重特大事故防治关键技术科技项目（shandong-0013-2018AQ）

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Jun.,2019

张海韦，等高应力破碎围岩巷道注浆加固技术

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止水、空气侵入围岩内部，防止水害和风化咱4-6暂。

（3）将破碎岩块重新胶结成整体，形成浆液扩散加固拱，从而使支护体与围岩共同作用形成有效的承载结构，强化支护结构的整体性咱7-8暂。

3数值模拟分析

3.1模型的建立

数值计算利用FLAC5.0软件。巷道埋深约为

575m，模型大小为长×宽=50m×50m；共200×200个平面单元。该模型左右两侧限制水平位移，下边界为固定边界，上边界取应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷，如图2所示。

P

岩体

巷道

50m

图2数值模拟模型

3.2模拟方案及结果分析

针对南翼轨道大巷的典型工程地质条件，在联合支护方案下模拟不同注浆深度时巷道围岩的变形情况。模拟注浆深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m。模拟结果如图3~5所示。

1201000

2.0m

0.52.5mm

1.03.0mm

1.5m

8060402000

2

4

6

8

10

12

距巷道表面距离/m图3顶板位移与注浆深度的关系

1201000

2.0m0.52.5mm1.01.5m

3.0mm

8060402000

2

4

6

8

10

12

距巷道表面距离/m

图4左帮位移与注浆深度的关系

1200

1002.0m

0.52.5mm

1.03.0mm

1.5m

8060402000

2

4

6

8

10

12

距巷道表面距离/m

图5右帮位移与注浆深度的关系

由图3～5可以看出，随着注浆深度的增加，巷道围岩移近量逐渐减小。当围岩注浆深度为1.0m时，巷道顶板下沉量、左帮移近量和右帮移近量分别比未注浆时减小了39.4%、21.3%和20.9%；当围岩注浆深度为2.5m时，巷道顶板下沉量、左帮移近量和右帮移近量分别减小了

58.2%、39.4%和33.7%。但当注浆深度进一步增加时，巷道围岩移近量变化不大。

可见，随着浆液的扩散区域不断加深，巷道围岩形成了一个强度较高的承载拱，围岩承载力及

稳定性得到了较大的提高和改善。同时，注浆后围岩具有良好的适应变形能力，在较大的变形范围内仍能保持承载能力，使得巷道顶板和两帮的变形量相应地减小。

4注浆加固方案设计

根据现场围岩条件，南翼轨道大巷先进行起

底、刷帮，达到设计断面尺寸。巷道围岩加固顺序为全封闭U型棚→喷浆→浅孔注浆→帮顶锚杆支护→深孔注浆→帮顶锚索支护。4.1全封闭U型棚

采用全封闭马蹄形，共6节U型棚，间距为600mm，2节之间搭接长度为500mm；搭接处采用限位卡缆固定，卡缆扭矩应不小于300N·m；采用钢筋网配合铁背板腰帮过顶，钢筋网直径为10mm，规格为90mm×90mm，电弧焊冷拔钢筋网背板，铁背板间距200mm。

4.2初喷混凝土封闭破碎围岩

初喷混凝土，将变形严重区域围岩完全封闭，防止注浆时漏浆。混凝土质量配比为水泥∶黄沙∶石子=1∶2∶2；喷层厚度100mm，喷射混凝土作业应在注浆前完成，并将需注浆区域完全封闭。

4.3浅孔充填注浆

注浆材料选用硫铝酸盐水泥，水灰质量比为

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0.85～1.0，对浅层大型裂隙和破碎围岩进行封堵及加固。注浆管长1.0m，前端孔径为8mm，后端孔径为4mm，采用空心速凝水泥卷封孔。

每断面布置9个注浆孔，间距1400mm、排距1200mm；均匀布置。注浆压力一般不超过1.0MPa。

4.4帮顶锚杆支护

采用高性能锚杆加钢筋网联合支护。锚杆规格为准22mm×3000mm，钢筋网直径为6mm、规格为100mm×100mm，锚杆间距为800mm，排距为1200mm。锚杆预紧力不小于80kN，锚固力不小于150kN。

4.5深孔注浆强化围岩

根据围岩的稳定状况考虑滞后注浆。注浆要求：注浆管长2.5m，钢管底端1.0m长度内错开钻孔，前端孔径为8mm，后端孔径为4mm，采用空心速凝水泥卷封孔，封孔深度为0.8m。

每断面布置7个注浆孔，间距1600mm，排距1800mm，均匀布置，两帮最下一个注浆孔开孔至巷道底不大于300mm，并向下扎30毅，注浆压力为3MPa。4.6帮顶锚索加固

在顶板和帮部共布置7套高预应力单体锚索，对巷道帮、角等关键部位进行加强。顶部锚索规格为准17.8mm×6300mm；帮部锚索规格为准17.8mm×4500mm。预紧力80~100kN，锚固力不小于200kN，排距2400mm。

5矿压观测及效果分析

为了验证修复方案的合理性，在南翼轨道大

巷每隔一定距离设置1个观测站对巷道表面位移情况进行观测。巷道围岩变形量规律如图6所示。

200

1801601401201008060顶底板移近量40两帮移近量

200

020406080100120140

掘巷时间/d

图6巷道围岩变形规律

从图6可以看出，巷道在掘进初期顶底板和两帮变形速度较大，围岩变形急剧增加；大约20d后，围岩变形速度变慢，巷道表面变形量缓慢增加；2个月后，围岩基本处于稳定状态。矿压观测结果表明：巷道顶底板变形量约为175mm，两帮变形量约为120mm，该加固方案有效地控制了巷道围岩变形。

6结论

（1）模拟结果表明浅、深孔注浆可进一步强化围岩强度，减小巷道收敛变形。建议施工中采用浅孔（1.0m）和深孔（2.5m）2种深度对围岩进行注浆。

（2）采用分步注浆法，通过对巷道围岩进行浅孔充填注浆和深孔强化注浆，有效提高了巷道围岩的稳定性、整体性和自身承载能力，为高应力破碎围岩巷道的治理提供了有效保障。

（3）矿压观测结果表明：巷道顶底板变形量约为175mm，两帮变形量约为120mm，有效地控制了巷道围岩变形，工业性试验取得成功。

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张海韦（1986-），男，工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，长期从事矿井设计工作。

［收稿日期：2018-10-08］