黃輝,徐陽(yáng),甘黎嘉,何淼

(重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院,重慶 404020)

在受地質(zhì)構(gòu)造影響的圍巖中掘進(jìn)巷道時(shí),圍巖內(nèi)部原有弱面的平衡狀態(tài)會(huì)被打破,致使圍巖體內(nèi)原有的弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步擴(kuò)展,裂隙進(jìn)一步發(fā)育,并產(chǎn)生大量的新裂隙[1-3].目前,復(fù)雜構(gòu)造圍巖巷道往往采用錨桿(索)支護(hù)、架棚支護(hù)或錨桿(索)+架棚的綜合支護(hù),由于該類(lèi)支護(hù)方式支護(hù)成本高、支護(hù)阻力小,且圍巖在應(yīng)力作用下會(huì)被持續(xù)破壞,破碎程度將進(jìn)一步加劇,針對(duì)該類(lèi)巷道宜采用主動(dòng)支護(hù)的方式對(duì)圍巖加以控制,以此提升圍巖自身的承載能力,而采用注漿加固是保障該類(lèi)巷道圍巖穩(wěn)定的有效途徑[4]之一.

在劈裂注漿加固方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究工作,并取得一定的研究成果.王強(qiáng)等[5]進(jìn)行了水泥改性漿液的研制,并給出松軟破碎圍巖注漿時(shí),漿液的合理配比;張玉[6]對(duì)水泥基注漿材料漿液擴(kuò)散規(guī)律和預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出孔隙率、水灰比、注漿壓力和注漿時(shí)間4個(gè)影響因素對(duì)漿液滲濾擴(kuò)散的時(shí)空規(guī)律;張毅等[7]通過(guò)室內(nèi)注漿試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)的注漿工程,對(duì)比3種不同黏度的超細(xì)水泥漿液的注漿效果,結(jié)果表明低黏度超細(xì)水泥漿液具有良好的注漿效果;郭東明等[8]采用超細(xì)硅酸鹽水泥和泥巖試件進(jìn)行注漿試驗(yàn),借助CT掃描技術(shù)對(duì)試件的CT數(shù)字圖像進(jìn)行多閾值分割處理,重點(diǎn)對(duì)注漿后試件的內(nèi)部細(xì)觀變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明超細(xì)水泥漿液注入巖石試件后裂紋出現(xiàn)劈裂延伸的現(xiàn)象;許宏發(fā)等[9]利用非線性擬合分析,提出水泥結(jié)石體28 d強(qiáng)度與水灰比之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式、破碎巖體注漿加固體強(qiáng)度增長(zhǎng)率的經(jīng)驗(yàn)公式、巖體注漿前后剪切強(qiáng)度參數(shù)增長(zhǎng)率的計(jì)算公式,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)值與計(jì)算公式計(jì)算值基本吻合;董浩[10]基于漿液性能控制的巖溶裂隙注漿擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究,分析了析水性和流動(dòng)性的相互作用關(guān)系,并對(duì)水灰比、外加劑進(jìn)行優(yōu)選,對(duì)配比進(jìn)行優(yōu)化,最終確定了滿足施工要求的新型漿液配比方案.綜上可見(jiàn),復(fù)雜構(gòu)造圍巖體注漿加固已取得了大量的研究成果.

1 工程概況

某煤礦二采區(qū)輔運(yùn)巷承擔(dān)二采區(qū)輔助運(yùn)輸、通風(fēng)、行人的任務(wù),為永久巷道.巷道沿東西方向布置,南為二采區(qū)1#回風(fēng)巷,北為二采區(qū)膠帶巷,西鄰二采區(qū)輔運(yùn)巷西段,周邊均為未采區(qū).二采區(qū)輔運(yùn)巷沿3#煤層底板掘進(jìn),3#煤層均厚為4.50 m,平均傾角為5°,煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示.

圖1 3#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

二采區(qū)輔運(yùn)巷斷面為半圓拱形,掘進(jìn)高度為4.62 m,掘進(jìn)寬度為4.60 m.由于巷道受F11斷層、F13斷層、X6和X7陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響,巷道采用錨網(wǎng)+錨索+29U型鋼棚聯(lián)合支護(hù)的方法進(jìn)行支護(hù),錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×800 mm,錨索采用Φ18.9 mm×7 300 mm的1×7股鋼絞線,間排距為1 570 mm×2 400 mm,29U型鋼棚棚距為800 mm,且巷道表面噴射200 mm厚的噴漿層,具體支護(hù)方式如圖2所示.由于構(gòu)造圍巖體松軟破碎的特性,使得巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖變形量較大,頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為1.1,1.2 m.

圖2 巷道原有支護(hù)斷面(單位:mm)

2 注漿加固方案

2.1 注漿參數(shù)確定

1)注漿深度為3 m.

2)注漿材料配比:注漿材料為水泥-水玻璃,水玻璃濃度為38波美度,模數(shù)為2.8,水泥漿液水灰比為0.5,水泥漿∶水玻璃=1∶1.

3)注漿壓力:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)構(gòu)造圍巖特征,確定破碎圍巖內(nèi)裂隙開(kāi)度的平均值為3 mm,注漿壓力為5～6 MPa,終孔壓力為6 MPa.

4)注漿孔布置:巷道全斷面上布置7個(gè)注漿孔,鉆孔規(guī)格為Φ42 mm ×3 000 mm,排距3 m.頂孔在巷道中軸線上垂直頂板布置;拱肩孔距離幫孔1.5 m,與水平方向成20°夾角,與頂孔在注漿長(zhǎng)度方向上錯(cuò)開(kāi)1.5 m布置;幫孔距底板1.5 m,垂直巷幫布置;底板注漿孔距離底角1.4 m,與底板成45°布置.注漿孔的位置如圖3所示.

5)單孔注漿量約為0.266 t.

6)注漿標(biāo)準(zhǔn):注漿壓力達(dá)到6 MPa或單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量時(shí),即可停止單孔注漿作業(yè).

2.2 注漿施工工藝

注漿采用兩循環(huán)注漿施工工藝,一循環(huán)和二循環(huán)注漿孔排距均為6 m.注漿施工時(shí)先按照幫孔→拱肩孔→頂孔的順序進(jìn)行一循環(huán)注漿鉆孔的打孔與注漿作業(yè),當(dāng)一循環(huán)注漿完成后,進(jìn)行二循環(huán)注漿鉆孔的打孔與注漿作業(yè),具體一、二循環(huán)注漿鉆孔布置如圖4所示.

圖4 兩循環(huán)注漿鉆孔布置

3 注漿效果分析

3.1 鉆孔窺視分析

由于注漿加固作業(yè)為隱蔽工程,在注漿結(jié)束后注漿效果不能直觀顯現(xiàn),現(xiàn)采用CXK12礦用鉆孔窺視儀進(jìn)行注漿區(qū)域加固效果的窺視分析.窺視鉆孔規(guī)格為Φ42 mm×3 000 mm,在巷道頂板、左幫、右?guī)图暗装宸謩e布置2個(gè)窺視鉆孔,窺視鉆孔與注漿孔間距1.5 m,垂直于巷道表面打設(shè).頂板、兩幫、底板3 m深圍巖的窺視結(jié)果如圖5所示.

圖5 注漿鉆孔窺視局部實(shí)際效果

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知:二采區(qū)輔運(yùn)巷復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域注漿后,巷道全斷面0～3 m深度破碎圍巖內(nèi)漿液有效擴(kuò)散,充填了破碎圍巖內(nèi)的裂隙和孔隙區(qū)域,鉆孔壁致密完整性較好.這表明注漿材料在構(gòu)造圍巖內(nèi)滲透均勻,破碎圍巖被有效膠結(jié)在一起,達(dá)到了注漿方案預(yù)期目的.

3.2 巷道表面位移分析

在二采區(qū)輔運(yùn)巷注漿加固前后,分別對(duì)巷道表面位移量進(jìn)行持續(xù)一個(gè)月的觀測(cè),得出注漿加固前后圍巖變形量曲線如圖6所示.

圖6 注漿加固前后巷道圍巖變形量曲線

分析圖6可知:巷道過(guò)陷落柱段在原有U型棚的支護(hù)下,圍巖會(huì)呈現(xiàn)出持續(xù)不斷的變形；在對(duì)圍巖注漿加固后,巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟恐饕霈F(xiàn)在注漿加固后的20 d內(nèi),注漿加固后巷道兩幫最大移近量103 mm,頂板最大下沉量52 mm,底板最大鼓起量57 mm,注漿加固后圍巖變形得到了有效控制.

3.3 注漿效果現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

二采區(qū)輔運(yùn)巷注漿加固段巷道由于變形嚴(yán)重,影響巷道的正常使用,礦方在注漿作業(yè)完成50 d后對(duì)巷道進(jìn)行擴(kuò)幫,巷道左右兩幫各擴(kuò)0.6 m,擴(kuò)幫段即為注漿加固段,圖7為擴(kuò)幫后圍巖內(nèi)部漿液分布效果圖.

圖7 注漿后圍巖內(nèi)部漿液分布效果

由圖7可知現(xiàn)場(chǎng)注漿完成后圍巖內(nèi)部0.6 m漿液的分布情況:漿液在構(gòu)造圍巖體內(nèi)的擴(kuò)散形態(tài)主要為劈裂與充填，漿液凝固后形成的漿脈在破碎圍巖體內(nèi)形成了良好的骨架結(jié)構(gòu),提升了圍巖的承載能力,且隨著與鉆孔中心距離的增大,漿脈的厚度逐漸減小,漿液在6 MPa的注漿壓力下,擴(kuò)散半徑為2.7～3.0 m,本次注漿加固效果良好.

4 結(jié)論

1)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域注漿后,漿液有效擴(kuò)散并充填了破碎圍巖內(nèi)的裂隙和孔隙區(qū)域,破碎圍巖被有效膠結(jié)在一起;注漿加固后,巷道型變量在合理范圍內(nèi),表明注漿加固效果良好.

2)采用劈裂注漿加固能有效解決復(fù)雜構(gòu)造圍巖體支護(hù)難、圍巖變形量大的問(wèn)題.在多種支護(hù)方式支護(hù)效果不理想時(shí),注漿加固是保障復(fù)雜構(gòu)造圍巖巷道穩(wěn)定的有效途徑.