趙勇

（姚橋煤礦掘進一隊，江蘇 徐州 221611）

1 研究背景

隨著采深的增加，原巖應(yīng)力升高與采動應(yīng)力的疊加，姚橋礦區(qū)面臨復(fù)雜地質(zhì)、高應(yīng)力、沖擊礦壓、煤體強度低等不利條件。姚橋礦中央采區(qū)回風(fēng)下山2003 年3月首次發(fā)生沖擊礦壓，致使巷道被嚴重破壞90 余米，2016 年8 月中央采區(qū)回風(fēng)下山原7004 工作面段二次產(chǎn)生沖擊礦壓，不單回風(fēng)下山遭受破壞，并嚴重波及軌道下山，兩條下山巷道劇烈大變形，運輸及通風(fēng)困難，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)[1]。中央軌道下山變形嚴重段平面圖如圖1 所示。

在復(fù)雜地質(zhì)、高應(yīng)力等在采動條件下中央采區(qū)集中下山巷道均發(fā)生不同程度的破壞，部分巷道多次返修，造成生產(chǎn)成本急劇增加，經(jīng)濟效益降低，并影響安全生產(chǎn)；部分煤層下山巷道，在工作面超前壓力影響下，出現(xiàn)沖擊礦壓傾向。在復(fù)雜地質(zhì)、高應(yīng)力狀態(tài)下，煤巖層原處于原始平衡狀態(tài)的各種弱面及非連續(xù)介質(zhì)的煤巖體在掘采擾動后，平衡狀態(tài)被打破，煤巖體受到破壞，巷道圍巖因變形釋放大量能量，原有圍巖弱面進一步擴展，同時產(chǎn)生新的裂隙；在采動條件下，采動應(yīng)力對巷道的影響尤為劇烈，巷道圍巖呈現(xiàn)松動、碎脹，巷道來壓顯現(xiàn)強烈、地壓沖擊傾向明顯、巷道變形量大、流變時間長等特征[2]。

根據(jù)巖層柱狀，細砂中是最容易出現(xiàn)變形破壞的地方，通過巖層觀察，由于巖層軟弱圍巖承載力差、巷道掘進揭露斷層多等影響，底層巖體受擠壓，容易造成巷道變形問題。姚橋煤礦中央軌道下山受兩側(cè)工作面采動影響，斷面變形破壞劇烈，一旦產(chǎn)生巷道變形，就會影響項目的整體情況，如果變形強烈就需要花費大量的時間和精力進行維修，不僅會影響巷道的安全性，同時也會造成維護費用的增加，因此，注漿加固修復(fù)工作必不可少[3]。

2 圍巖注漿加固機理與技術(shù)

一直以來，易破碎圍巷道支護分為兩類，一類以剛性支護為主，輔之以混凝土結(jié)構(gòu)；另一類采用U 型管可縮支架，輔以錨噴、砌碹等支護方式，但是隨著礦山開采深度的增加，開采環(huán)境的日益復(fù)雜和惡劣，這些方法逐漸無法滿足高應(yīng)力破碎巷道等的支護要求。后來出現(xiàn)了以錨注為核心的錨注、錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護體系，對加固破碎巷道效果比較理想。

2.1 注漿作用

錨注加固圍巖原理如圖2 所示，從圖可以看出，經(jīng)過注漿和錨桿聯(lián)合支護后，巷道從淺部到深部依次形成了錨桿加固圈、注漿加固圈、巖層，注漿的作用有兩點：①錨桿可以起到全長錨固效果；②發(fā)揮整體的力學(xué)效應(yīng)，使圍巖、錨桿形成有效可靠的組合拱[4]。

2.1.1 改善圍巖賦存環(huán)境

圍巖破碎之后就會導(dǎo)致內(nèi)部存在孔洞以及裂縫，在井下的潮濕環(huán)境以及較大風(fēng)速的影響之下，大量的水分以及空氣會進入縫隙當中，進一步加速圍巖吸水膨脹軟化和風(fēng)化程度。為了改善圍巖賦存環(huán)境，可以將漿液填充到縫隙內(nèi)，在漿液的作用之下，讓破碎圍巖形成整體，如此便能將縫隙當中的水與空氣擠出，這種注漿加固的方法能夠避免水與空氣的侵入，能夠有效阻止圍巖吸水膨脹和風(fēng)化。

2.1.2 裂隙充填與壓密作用

注漿加固具有縫隙充填以及密壓兩大作用，而且不同的作用適用于不同對象。從實踐運用的角度來，如果破碎圍巖縫隙較大，就可以將漿液滲透其中，達到充實裂縫的目的，這種方法能夠削弱和消除應(yīng)力集中的問題，是改善局部應(yīng)力環(huán)境的一種有效方法，這便稱之為充填作用。漿液在運用過程當中，無法深入破碎圍巖封閉細小的縫隙當中，這一情況便可采用密壓作用，該方法是采用注漿的壓力進一步壓縮封閉以及微小裂縫，甚至讓裂縫閉合，其目的便是消除應(yīng)力集中問題。所以，充填密壓作用在運用的過程當中，具備消除圍巖應(yīng)力集中的作用，能夠進一步改善其應(yīng)力狀態(tài)，而且該方法的運用能夠改善破碎圍巖的力學(xué)性能，漿液滲入之后會膠結(jié)，增強縫隙的內(nèi)聚力以及內(nèi)摩擦力，通過充填作用降低孔隙率，提高了圍巖的彈性模量以及強度[5]。

2.1.3 提高圍巖殘余強度

在漿液以及擠壓作用之下，裂縫逐漸固結(jié)之后會形成網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)。就強度方面來看，固結(jié)材料并不一定高于原巷道圍巖，但是卻具有更好的可塑性，所以能夠進一步提高圍巖的受力承載能力，即使發(fā)生較大變形也不會造成破壞，如果在應(yīng)力的作用之下發(fā)生了變形情況，在自由承載能力的影響之下，能提升圍巖殘余強度，避免圍巖遭到進一步的破壞，這也是改善巷道維護狀況的一種有效途徑。

2.1.4 注漿加固改善支護體受力狀態(tài)

對于淺部破碎圍巖來說，進行注漿工作之后，漿液會填充到破碎的裂縫以及空洞當中，隨著時間的發(fā)展逐步凝固，在膠結(jié)作用的影響之下，會形成介質(zhì)連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)，具有提高破碎圍巖內(nèi)聚力和抗壓強度的作用。在漿液的作用之下，破碎圍巖會轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)體，本身具有一定承載能力，能夠降低支護結(jié)構(gòu)受力，除此之外，被動支護結(jié)構(gòu)在注漿的作用之下，能將文言外部的荷載傳遞至支護結(jié)構(gòu)，提高支護的受力均勻性，其支護能力得以發(fā)揮，尤其是對于主動支護，例如，錨桿支護，能夠發(fā)揮其其主動支護的優(yōu)勢，限制松動變形問題的發(fā)生，能夠進一步穩(wěn)定圍巖。

2.2 注漿技術(shù)

注漿工藝在運用的過程中更加強調(diào)對環(huán)境的適應(yīng)能力，該項工藝運用之前，首先需了解對象的技術(shù)特征、工程性質(zhì)等相應(yīng)信息，然后結(jié)合地質(zhì)水文條件信息制定具有針對性的注漿方案以及施工方案，并將其貫徹到作業(yè)實踐當中，確保注漿過程的完整性。相較于其他工藝而言，注漿工藝具有技術(shù)復(fù)雜、針對性強的特點，同時會受到注漿參數(shù)的明顯影響，想要提高注漿效果，就必須高度重視注漿參數(shù)。

2.2.1 注漿壓力

根據(jù)來源分析可知，注漿壓力是漿液在巖土中擴散的動力，而且會受到地質(zhì)條件、注漿材料、注漿方法等多重因素的影響。一般情況下，化學(xué)注漿壓力更小，淺部注漿壓力變小，地層滲透參數(shù)系數(shù)大，注漿壓力較小。堵水與防滲工程中水壓的影響十分顯著，煤礦地面立井預(yù)注漿壓力一般為靜水壓力的2.0～2.5 倍。水壩注漿壓力一般為1～3 MPa，淺表地層注漿壓力一般為0.2～0.3 MPa，地下隧道和巷道圍巖注漿壓力最大可達6 MPa，最小值在1 MPa 以下。

2.2.2 擴散半徑

擴散半徑的影響因素很多，它隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙開度、注漿壓力、漿液流動特征、注入時間等因素的變化而不同，它決定著注漿工程量和工程進度，常用一些理論或經(jīng)驗公式估算，但最終往往仍需通過試驗確定。

2.2.3 凝膠時間

凝膠時間時漿液本身的特征，不同的項目對于注漿有著不同的需求，這也就使得漿液凝膠時間存在差異，具體的實踐情況可根據(jù)工程需求進行綜合考量，并能準確控制。典型漿液凝膠時間如下：單液水泥漿從幾十分鐘到幾十小時，水泥-水玻璃雙液漿幾秒至幾十分鐘，高水速凝材料從幾分鐘到幾十分鐘。

2.3 注漿加固巷道圍巖機理

（1）經(jīng)過解壓和滲透作用之后，將夜進入巷道圍巖縫隙，經(jīng)過固結(jié)會形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。如果應(yīng)力超過煤體強度，就會造成變形問題，經(jīng)過注漿形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，具備很好的韌性以及連接性，不僅能夠提高圍巖殘余強度，而且也能夠避免巖層遭到更大破壞，是改善巷道維護的一種有效方法。

（2）通過泵壓將漿液注入，能夠填充不同類型的縫隙時，裂縫壓縮甚至閉合，同時也能提升巖層彈性模量和強度，降低孔隙率，增強整體強度，提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

（3）圍巖注漿具有風(fēng)度裂縫、防止破裂煤體內(nèi)部分化的作用。

（4）錨桿具有改善錨桿受阻狀態(tài)的作用，通過調(diào)整錨桿工作特性，適應(yīng)圍巖變形規(guī)律，同時向周圍提供支護阻力，達到加固的作用。注漿在運用過程中，能夠加長錨固長度，通過漿液膠結(jié)反作用于圍巖，避免圍巖出現(xiàn)變形情況，而且在多重材料的作用之下，錨桿與圍巖形成整體能夠增強錨桿支護的作用，形成組合拱。

對于圍巖來說，注漿后的端錨錨桿與未注漿的端錨錨桿與其作用并不相同，為了進一步了解兩種錨固方式下錨桿的實際工作性能通過對數(shù)據(jù)對比可得出如下結(jié)論：①無論注漿與否，端錨錨桿的錨固力都具有相同的過程，即上升、達到峰值、下降的。但是相比較而言，經(jīng)過注漿之后，端錨錨桿最大錨固力保持時間過長，而且衰減過程更慢。②經(jīng)過注漿之后，端錨錨桿增阻速度更小，其原因在于端錨錨桿和圍巖連接成為整體，等效彈性模量增大，所以增阻速度更大。③對于沒有注漿的端錨錨桿來說，錨固長度是達成最大錨固力的重要因素，經(jīng)過注漿之后，最大錨固力會受到多重因素影響，例如圍巖強度、注漿材料等，所以在保持相同應(yīng)力和相同圍巖的條件之下，注漿之后端錨錨桿最大錨固力可提高1.5～3.0 倍。④在注漿作用之下，端錨錨桿和圍巖形成整體，能夠防止粘接破壞問題的產(chǎn)生，而相較未注漿的端錨錨桿，殘余錨固力更大。

2.4 高應(yīng)力破碎巷道注漿修復(fù)技術(shù)

姚橋煤礦中央采區(qū)軌道下山巷道受臨近工作面采動壓力影響，上覆層巖出現(xiàn)松動變形破裂情況，應(yīng)力釋放之后，會對巷道造成瞬間的擠壓破壞，隨著圍巖沿松動圈的增大，裂縫逐步增加，承載能力大打折扣。想要改變這一情況，解決支護維護難的問題，就需要從實踐的角度出發(fā)，改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，通過深注＋錨索網(wǎng)噴＋錨注的復(fù)合支護手段，從根源上改善巷道圍巖工況，通過提升巷道穩(wěn)定性和承載能力，避免巷道出現(xiàn)再次的破壞，有效預(yù)防巷道變形以及破壞問題。

2.4.1 深孔注漿

采取圍巖深部注漿粘結(jié)老頂巖層破碎裂隙，增強軌道下山上覆巖層整體強度；通過對傳統(tǒng)巷道注漿理論的進一步分析，可以發(fā)現(xiàn)該理論強調(diào)。漿液在滲透過程中，會由上及下由表及里的滲透，但是隨著裂縫張開程度的降低，膠液在滲透過程當中主力逐步增加，也就意味著當破碎圍巖縫隙深度超標，漿液的加固作用就會大大減弱，所以漿液加固，只針對于淺部巷到破碎圍巖，這范圍在于巷道表面2.0～2.5 m。但是通過對這一理論的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)其中仍然存在很多的問題，例如沒有考量到頂板深部巖層層里面錯動、產(chǎn)生離層等相關(guān)因素，如果在注漿加固過程當中，僅針對巷道淺層圍巖，在注漿的作用之下，注漿加固圈的承載能力雖有所提升，但是在多重因素影響之下，頂板層沿出現(xiàn)錯動、離層，會造成整體下降，而此時淺部注漿加固圈，人承受較大荷載，意味著會受到再次破壞，巷道穩(wěn)定性無法得到保障，所以為了進一步提高加固效果，需要考量深部注漿問題。

2.4.2 錨索網(wǎng)噴支護

然后通過帶有緩沖裝置的錨索強力錨固和鋼網(wǎng)錨噴，強化巷道斷面承載能力。錨網(wǎng)噴支護與二次注漿如圖3 所示。

2.4.3 二次充填注漿

最后根據(jù)需要進行斷面二次淺部注漿，使其注漿加固體交圈充填形成復(fù)合支護結(jié)構(gòu)，有效改善圍巖整體的力學(xué)特性，極大的提高巷道自身承載力和抗沖擊地壓的能力，以確保軌道下山巷道的安全生產(chǎn)。

3 結(jié)語

該加固方案為復(fù)合型支護結(jié)構(gòu)，針對性強，可以充分發(fā)揮各種支護的優(yōu)勢，形成支護結(jié)構(gòu)，提高圍巖自身承載能力，改善復(fù)雜應(yīng)力下圍巖巷道的維護狀況。從而解決復(fù)雜應(yīng)力下中央采區(qū)破碎圍巖巷道的穩(wěn)定性問題，且具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。