破碎围岩巷道注浆关键参数确定及应用

晁红彬，陈召，王辉

1.河南永锦能源有限公司，河南禹州，461670；
2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作，454000

近年来，随着矿井开采深度和强度的加剧[1-3]，巷道受不规则构造应力的影响较大，巷道周围非对称变形严重[4-6]。如果采用不合理的加固措施，会导致原本就发育的裂隙岩体持续发育，难以发挥锚固体的锚固作用，使得巷道控制变形的难度增加[7-9]。目前针对此类型巷道，注浆加固是一种应用成熟且有效直接的技术手段。张农等[10]统计了巷道的肩窝处破坏、一般内挤的多种非对称破坏形态，提出采取锚杆索+注浆的支护方式使围岩封闭，构造完整全断面的支护体系。李明远[11]等分析了破碎围岩巷道的变形破裂特征，提出以“中空注浆锚杆索”为核心的深—浅耦合全断面锚注支护技术，并通过注浆效果评价手段检验了此支护技术可以有效控制破碎围岩巷道的变形破坏。翟新献[12]等以平顶山八矿丁四采区轨道下山为工程背景，分别对比了锚喷和锚注支护方案下巷道差异化的变形破坏机理，最终采用效果更优的锚注支护方案成功抑制了巷道的变形。黄耀光[13]对于锚注浆液渗流机理进行了深入研究，分析得到岩体破碎程度、应力分布、注浆压力、时机和注浆间排距这些参数都对浆液的扩散范围有一定的影响。

目前，由于注浆参数的设计大都采用经验类比的方法，不同地质条件下的注浆效果也千差万别。本文以云盖山一矿23采区泵房联络巷为工程背景，通过室内试验和经验类比的方法确定了合理的注浆参数，以期达到确保巷道稳定的目的，对类似工程具有一定的借鉴意义。

1.1 工程概况

云盖山一矿23采区东翼泵房联络巷布置在煤层顶板之上30～50m范围，标高-330m，埋深大约为660m，掘进过程中依次穿越岩层为砂质泥岩、中粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩。掘进倾角12°～25°，平均18.5°，设计巷道断面形状为直墙半圆拱，净宽、高分别为5.0m、4.3m。巷道顶板以砂岩层为主，夹杂粉砂岩层，底板含有砂质泥岩，强度略低。

1.2 巷道围岩变形破坏特征

通过现场调研和钻孔窥视结果如图1可知，巷道的顶板呈现浅-中-深部破碎范围分布不均匀，两帮呈现出非对称变形破坏特征，上帮砂质泥岩受到挤压涌入巷道空间，下帮变形量相对较小，底鼔严重，底板中部凸起，不同岩性段变形存在差异，导致交汇处出现不协调变形现象。

图1 巷道断面变形特征及素描图

1.3 巷道注浆支护方案

根据巷道概况和变形特征分析，非对称变形与层理、节理的不均匀分布密切相关。采取中空锚杆索浅深部和高低压相结合的注浆方式对破碎岩体节理和岩层层理进行胶结，高强度锚网索进一步将胶结后的层理、节理进行挤压加固的支护思路设计“高强锚网索+中空注浆锚杆索”全断面联合支护方案，如图2所示。

图2 巷道全断面支护参数图

（1）顶板及两帮：高强锚杆间排距800×800 mm，底角高强锚杆偏移角度15°；
注浆锚索全断面布置3根，在顶板中心布置1根，每侧第2根距中心线间排距为1400×1600 m，注浆锚杆以巷道中线向两侧对称布置，一侧各4根。拱基线以上第1根注浆锚杆离巷道中线间排距1200×1600mm；
第2根依次向下布置间排距为1400×1600mm、其余2根间排距1600×1600 mm，底角注浆锚杆偏移角度45°。

（2）底板：底板预注浆钻孔间距为1600 mm，间隔1600 mm布置1排，巷道两底角的锚杆偏向巷道帮部15°，底板中间的锚杆垂直底板布置；
底板注浆锚索垂直于底板布置，锚索间排距1600×1600 mm。

2.1 水灰配比

注浆材料选择CGM超细水泥，其水灰配比对于锚注工艺而言是一项重要的参数，合理的水灰配比不仅能最大程度地提高浆液的固化强度，而且对于浆液合适的凝结时间和渗透的流动性也是十分重要的。

（1）流动性测试实验。分别对比水灰配比为1:1、1:2、1:3的注浆材料析水量统计结果如图3所示。

图3 CGM超细水泥不同水灰配比析水量

分析试验结果可知，水灰比越小，浆液充分搅拌静置后离析出的水越少，当水灰比为1:1时，有少量水析出；
水灰比为1:2时，浆液表面有极少水析出；
水灰比为1:3时，浆液表面无水析出，水灰比=1:2时浆液的流动速率最理想。

（2）浆液固结体强度。浆液固结体强度是浆液很重要的一个性质，对破碎围岩体进行注浆加固，要求浆液固结体具有较高的早期、后期强度，来确保加固体的强度、浆液固结体与锚杆的粘结强度。

分别对比水灰配比为1:1、1:2、1:3的水泥浆固结立方体试块3 d、8 d龄期的抗压强度。测试结果如图4所示。

图4 不同水灰配比下水泥浆固结体抗压强度测试结果

综合两种实验结果分析，CGM超细水泥虽然水灰比为1:3时固结体强度最高，但其析水率最小。综合确定合理的水灰比在1:2 ～1:3之间，可以根据现场应用情况进行微调。

2.2 注浆压力

注浆压力是确保浆液的渗透范围是否可以覆盖围岩破碎区域、松动圈的大小的重要参数，防止压力过大导致脆弱的岩石被高压劈裂破坏，或者压力较小无法达到理想的加固范围。鉴于23采区泵房联络巷围岩破碎程度的差异化现象，注浆压力根据经验类比结合实际情况进行差异化设计，围岩较完整的巷道右侧注浆压力在1.0～1.5MPa之间；
围岩较破碎的巷道中线左侧至少采用1.5～2.0MPa之间的注浆压力。

将设计的注浆支护参数运用到23采区泵房联络巷的实际施工中，并通过现场调研的手段完善优化注浆施工的工艺来确保注浆效果，最后采用矿压监测手段来分析支护效果。

由监测结果根据可知，1#测站监测数据结果显示，两帮移进量在200mm左右，顶底板移进量在70mm左右；
2#测站监测数据结果显示，两帮移进量约为150mm，顶底板移进量为75mm左右。

（1）根据巷道两帮破碎范围不均匀、顶板非对称变形破坏的特征，采取中空锚杆索浅深部和高低压相结合的方式对破碎岩体节理和岩层层理进行胶结，加固围岩。

（2）通过室内试验和经验类比法确定CGM超细水泥合理的水灰比在1:2～1:3之间，围岩较完整的巷道右侧注浆压力在1.0～1.5MPa之间；
较破碎的巷道中线左侧至少采用1.5～2.0MPa之间的注浆压力。

（3）通过现场矿压观测结果表明，注浆后的巷道变形得到控制，顶板下沉量稳定在70mm左右，两帮移近量稳定在175mm，加固效果明显。