破碎软岩大巷壁后注浆加固技术研究

作用机理注浆参数注浆工艺注浆效果

1.概况

　　平禹一矿东翼机轨合一大巷布置在二1煤顶板10m以上的泥岩中，该巷道原大部分采用“U36+喷射混凝土”支护。因巷道断面大、围岩层理发育，巷道掘出一段时间后，大部分区域喷层开裂、脱落，底臌严重，断面缩小，无法满足安全生产的要求。经过多次反复扩修，也根本达不到支护阻力的要求。为了提高围岩本身的承载性能，决定扩修后采用壁后注浆支护技术方案。

　　2.壁后注浆加固技术的作用机理

　　壁后注浆加固巷道围岩是采用圆钢管作为锚杆，并兼作注浆管使用。其支护原理主要包括以下几个方面：

　　（1）壁后充填加固作用

　　壁后进行注浆充填，外荷载均匀地传递给支架，使支架承受均布荷载。同时，注浆充填层可吸收围岩部分变形能及变形量，减少支护及围岩变形的剧烈程度。

　　（2）裂隙充填与压密作用

　　注浆浆液可以将相互连通的岩体裂隙充满，并将破碎的围岩胶结成整体，抑制围岩流变。同时还可将充填不到的封闭裂隙和孔隙压缩，从而对岩体整体起压密作用，岩体弹性模量、强度相应提高。

　　（3）网格骨架作用

　　注浆浆液经挤压或渗透到围岩裂隙中固结，会形成新的网格骨架结构，固结体具有良好的韧性和粘结性，承受外载时表现出更好的塑性，可以承受较大的变形而不破坏，从而改善巷道维护状况。

　　（4）注浆浆液对锚杆杆体抗腐蚀性得以加强

　　注浆浆液充入杆体周围后，一方面使杆体全长受到防锈钝化膜的保护。同时注浆浆液对锚杆也起到了很好的加固作用，从而保证了锚杆自身的长期稳定性。

　　（5）注浆为锚杆提供可靠的着力基础

　　良好的注浆效果可实现锚杆在全长范围内良好的锚固效果，为锚杆提供可靠的着力基础，进一步保证了巷道内层结构的承载能力。

　　（6）对锚喷支护的增强作用

　　注浆浆液可以强化喷层与围岩的粘结作用，维护喷层稳定，使端锚型锚杆转为全长锚固型。经围岩注浆加固，使频于破坏的锚喷支护体转变成高强的喷锚注加固圈，可以使围岩变形速度大大降低，实现长期维护。

　　（7）水泥基注浆材料固结破裂煤岩体的性能得以增强

　　破裂煤岩通过水泥基注浆固结体，其固结体延性增大，变形能力、强度、稳定性显著增加，这有利于形成适应大变形的承载结构。

　　3.注浆参数设计

　　东翼机轨合一大巷注浆加固采用一次注浆方式，在围岩裂隙较小，注浆困难的位置进行二次注浆加固。

　　（1）注浆孔深及间排距

　　注浆孔深取决于巷道围岩的渗透性和浆液的流动性，根据巷道围岩裂隙发育的经验公式：

　　………………………………（公式1）

　　公式中：R—围岩破碎圈半径（m）；

　　γ—岩层平均密度，

　　H—巷道埋深（m），

　　Rc—岩石抗压强度（MPa），

　　a—巷道半径（m）。

　　经公式1计算，得出裂隙发育的范围为1.92m，考虑围岩的渗透性和注浆加固的目的，取一定的安全系数，设计注浆孔的深度为2.5m。

　　注浆孔的间排距根据浆液扩散距离设计，而扩散距离受注浆压力、浆液流动特征、裂隙开度、产状及分布特征和注浆工艺等因素影响。根据试验段的现场写实，巷道单孔浆液扩散距离为3.5米以上。为了确保安全，设计注浆孔排距为4.8米，间距为2米。

　　（2）注浆压力

　　本次注浆压力主要用于克服浆液在裂隙中的流动阻力，注浆压力一般控制在1～2.5MPa，并在施工中根据注浆量适时调整。

　　（3）注浆时间及注浆量

　　注浆时间是指单孔注浆时浆液从注入巷道围岩到结束所需的时间，为保证注浆效果，单孔注浆时间控制5min左右。

　　注浆量随不同部位的破裂程度、裂隙分布情况是不一样的，按理论公式估算如下：

　　单孔注浆量：

　　………………………………………（公式2）

　　式中：Q1—单孔注浆量

　　λ—浆液损失系数，取1.2

　　β—充填系数，一般取0.7

　　R—浆液扩散半径m,取1.0m

　　h—注浆深度m，取2.5m

　　n—有效裂隙率，取1%

　　m—结石率，取0.9

　　将有关数据代入公式2计算，每个注浆孔需0.0733m3浆液，约110K泥。

　　每米巷道的注浆量：

　　……………………………………（公式3）

　　式中：Q2—巷道每米注浆量

　　L—巷道轴向长度，取1m

　　r1—巷道裂隙发育的外半径，取4.52m

　　r2—巷道半径，取2.6m

　　将有关数据代入公式3计算，每米巷道注浆需0.4m3浆液，约600K泥。

　　4.注浆管及注浆材料

　　（1）注浆管加工

　　注浆管采用无缝钢管制作,钢管直径φ22mm,壁厚为2.5mm,杆长2m，杆体上每隔200mm均匀钻出φ8mm注浆孔，一周3个孔，不在同一圆周上，管口螺纹M22，螺纹长50mm，管终端呈稍扁状,以增加注浆出口压力，安装时钢管外露30mm，用快硬水泥封孔。

　　（2）注浆材料

　　为节约注浆成本，注浆材料首选32.5级普通硅酸盐水泥，水灰比取0.6～1.5，根据现场施工浆液的渗透性调整水灰比，为了保证注浆固结巷道围岩的强度，水灰比不宜过多，采用掺入高效减水剂提高水泥浆液的流动性和渗透性，降低浆液的水灰比。高效减水剂掺量是水泥的0.7%～1%。

　　5.注浆工艺

　　（1）准备工作

　　在巷道内支护体及围岩暴露面喷射强度较高的混凝土，使喷层与原支护结构形成一个结合层，封闭岩面，防治跑浆。

　　（2）钻孔与封孔

　　注浆施工过程中，为避免因注浆孔过近而产生窜浆现象，同一断面的注浆孔先打1、3、5号孔，并按序号先后进行注浆，待注浆结束后，再打2、4号孔，并按序号注浆。沿巷道轴向方向的注浆孔，每间隔一排进行打眼注浆，当注浆50m后，再进行加密注浆。为加快注浆速度，可以采用多台注浆泵同时注浆。封孔采用快硬膨胀水泥，提前一班进行封孔，确保封孔水泥硬化，保证封孔质量。

　　（3）拌料注浆

　　接通管线，用清水试注，严格按水灰比供水上料，搅拌均匀，将吸浆管放入料桶中，开泵注浆，通过调压阀由小到大调节注浆压力，观察注浆速度、注浆量、漏浆情况等，调整注浆时间，保证注浆效果。

　　（4）注浆监测及质量检查

　　注浆施工隐蔽性强，应加强注浆过程中的监测监控工作及注浆后的质量检查工作。注浆初期应详细记录注浆压力、注浆量、渗透范围等参数变化情况，掌握其规律，以调整并确定注浆参数，指导后续的注浆工程。注浆后可选择典型位置复注浆，观察注浆情况，同时进行常规的矿压观察、深孔位移和声波测试，分析判断注浆效果。

　　注浆施工组织

　　注浆施工需要一套专用设备及管路系统，占据一定的空间，应合理组织。打眼封孔与注浆可以分开，每天安排两班打眼封孔一班注浆，适当集中注浆工作，便于管理，也有利于保证注浆效果，注浆班需4～5人，两人备料，一人开泵，一人联接封孔管，另一人协调并监测注浆过程。

　　6.巷道矿压观测

　　通过在顶板和两帮设置多点位移计，观测巷道顶板和两帮内部变形情况；

　　机轨合一大巷注浆后在巷道两帮与顶底板设立对应的深孔位移监测点，每隔5d进行一次位移检测。巷道维修60d后趋于稳定，两帮达到最大变形量50mm左右，支护效果十分明显。

　　7.结论

　　（1）从机轨合一大巷实践工程的效果来看，注浆提高了浅部岩体的围岩强度，形成了承载结构，降低围岩变形的程度，达到了注浆加固的目的，保证了巷道安全使用，取得了良好的工程实践效果。

　　（2）锚注技术的关键参数注浆压力、注浆时间与浆液扩散的范围是互相影响的，没有固定的取值，要根据围岩的破碎情况灵活而定，选择最合适的参数。

　　（3）加入改善硅酸盐水泥流动性的外加剂，提高了水泥的渗透扩散性能，满足了巷道围岩注浆加固要求。