采动扰动下深部巷道深浅孔注浆加固技术研究与应用

赵洋洋，刘树轮，杜俊培

（1.冀中能源邯郸矿业集团 太行矿业有限公司，河北 邯郸 056000；2.冀中能源股份有限公司 郭二庄矿，河北 邯郸 056000）

0 引 言

煤炭开采日益往深部延伸，深部巷道变形及围岩稳定控制成为当下亟待解决的问题，随采掘活动逐步向深部发展，巷道变形亦随之明显增大。其特征表现在：所处位置地应力高，采动扰动影响剧烈；岩体在采动、变形作用下滋生裂隙，导致围岩强度下降、完整度低、稳定性差；巷道断面变形严重，并具有持续性，围岩变形特征与浅部巷道有明显差异，一次支护和常规支护难以控制巷道与保持围岩稳定[1-4]。深部巷道围岩产生大变形的根源在于其自承能力的弱化，因此提高并保持围岩自承能力，是解决该类问题的突破口。注浆技术针对围岩稳定破坏和强度弱化的问题，可以直达围岩内部对其自身强度进行补强加固。

采动扰动下深部巷道围岩控制问题涉及到矿压显现、顶板控制和围岩活动规律等多个方面，目前深部采动影响下巷道变形机制的研究主要针对工作面回采巷道、采空区底板巷道和跨采巷道，关于采区上下山巷道受采动影响的研究成果相对较少，采区上下山巷道由于其功能和位置的特征性，在生产活动中会同时受到两侧采动影响，变形破坏情况更加严重。采动扰动下采区巷道围岩变形特征尚没有系统性认识，在此条件下的巷道围岩注浆加固方案亦缺乏实践探索，本文以云驾岭矿八采轨道下山为工程背景，在分析采动扰动下深部巷道围岩破坏特征的基础上，以改善巷道围岩力学性能、增强围岩可锚性为突破点，提出采动扰动下深部巷道深浅孔注浆耦合加固方案。

1 概 况

以云驾岭矿八采轨道下山为研究背景，该煤矿于1992 年建成投产，矿井核定生产能力为180 万t/a。开拓方式为立井单水平开拓，现生产水平为-150 m 水平，八采区为该水平下山采区，八采轨道下山为采区准备巷道，巷道斜长约900 m，断面类型为直墙半圆拱形，由于埋藏深，受工作面采动影响，矿井经过多次扩帮整修，围岩较为破碎，帮鼓量及顶板下沉量较大，围岩浅部岩体在采动及变形作用下裂隙发育，通过打围岩窥视孔发现，3 m以内浅部区域岩体变形破碎严重，5～9 m 深部区域裂隙仍较发育，采动影响下巷道围岩体破坏深度较常规情况深3～5 m。前期巷道日常维护时选择“刷帮、拉底、补打锚杆、锚索”的方式对采动扰动后的巷道岩体进行维护，但不能控制围岩持续变形破坏。为确保轨道下山修复效果，特针对深部巷道采动扰动下围岩持续变形的实际及深浅部不同变形破坏特征，制定了八采轨道下山深浅孔注浆加固的修复方案。

2 采动扰动下深部巷道围岩变形特征

为研究八采轨道下山两侧回采工作面采动对下山围岩扰动破坏情况，本文采用工作面超前应力监测、围岩松动圈测试及锚杆质量监测等手段，以明确采动扰动下巷道变形特征及影响因素，从而有针对性的对巷道薄弱点进行加固。

（1） 通过在工作面安装超前应力监测设备，定期收集数据，得出工作面超前支承压力的最大值出现在工作面前方约25 m 处，超前支承压力的影响区域达到100 m，轨道下山就处于该区域，受到工作面推进带来的显著影响。

（2） 采用地质雷达无损检测技术对轨道下山围岩松动圈进行探测，结果表明，轨道下山顶板和两帮的围岩松动圈达到3 m，部分区域达到5 m，轨道下山围岩松动圈范围较大，部分区域的松动圈已超出锚杆长度。

（3） 对轨道下山的锚杆进行现场支护质量无损检测，结果见表1。锚杆的自由段长度在1.5 m左右，锚固段长度在0.2～0.5 m，与设计参数（锚杆长度2.0 m，锚固段长度不少于1.0 m） 存在一定差距，可推断围岩内部出现了大量离层现象；同时，轨道下山巷道70%锚杆的轴力在40 kN 以内，仅有2 根锚杆的轴力超过了60 kN，可以推断工作面回采过后，巷道围岩更加破碎，极大减弱了锚杆的锚固作用。

综上分析可知，轨道下山采动巷道的变形特征主要有：①巷道变形滞后于开采活动，但又有明显的联动性；②巷道表面变形严重，底鼓量最大处区域可达800 mm，两帮移近量最高达到2.0 m；③岩体内部采动裂隙发育，进一步降低围岩强度，极大削弱了巷道的自承能力；④原支护方式未针对采动巷道的变形特征进行加固。

3 深浅孔注浆加固原理及参数选择

采动扰动下巷道围岩深部与浅部裂隙发育程度及变形破坏程度不均一，自围岩内部向表面岩体扰动后位移逐步增大，在一定范围内浅部岩体与深部实现承载力脱离，导致后期围岩表面破碎严重，失去承载作用。由于深浅部围岩体这种岩石力学性能上的不同，导致围岩可注性及注浆效果呈现差异性，深浅孔注浆即是依据围岩深浅部力学性能及岩体裂隙发育差异，选定不同注浆参数，对深、浅部围岩施工各自注浆孔，兼顾发挥浅孔凝固快速、胶结强度高、深孔高压下可注性好的优势，在浆液胶结下改善围岩体整体力学性能，实现对巷道围岩变形的控制。深浅孔注浆原理如图1 所示。

图1 深浅孔注浆原理示意Fig.1 Principle of deep and shallow hole grouting

深浅孔联合注浆可有效解决围岩表面破碎区裂隙发育、承载能力差的问题，增强破碎区围岩可注性，减少注浆漏液、注浆压力不达标等情况的发生。由于注浆治理部位不同，深浅孔注浆应在充分考虑围岩深、浅部岩石扰动下的力学性能、裂隙发育程度及注浆治理目的的基础上，合理选择差异性的注浆参数。

3.1 注浆顺序

巷道围岩自揭露后，由于围岩应力及支承压力不同，由围岩表面向内部相应产生破碎区、塑性区和弹性区，且在采动扰动下会改变巷道测压分布，围岩表面受采动影响，变形量最大，裂隙发育，破坏严重，承载能力差。在实际注浆中，通常会出现注浆漏液，终压不达标的情况，因此，在实施深浅孔联合注浆时，应选择先对浅部围岩进行注浆，强化浅部岩体力学性能，封堵裂隙，提高深孔注浆时浅部围岩体所能承受的最大注浆终压，之后再对深部围岩进行注浆，使深部围岩重新胶结成整体，减少深部岩体变形对整体围岩的破坏。

3.2 注浆压力

注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力，其直接影响注浆加固质量和效果[5-6]。注浆压力受地层条件、注浆方式和注浆材料等因素影响。注浆压力过高会引起劈裂注浆，可能导致围岩的片帮、冒落，如过小则浆液难以在围岩中深入渗透，影响注浆的效果。

对于深浅孔联合注浆，考虑注浆目的，浅孔应选择低压注浆，而深孔在浅部围岩支承能力增强的情况下，考虑注浆效果，可适当调高注浆压力。

3.3 注浆材料

注浆材料是围岩胶结的骨架，其主要性能指标包括力学指标、浆液粘度及渗透性能[7]。浅孔注浆时，浅部围岩裂隙发育，裂隙较深部围岩宽、连通性好，注浆时需优先考虑浆液凝固、胶结效果，选择凝固时间短的注浆材料，并调高浆液浓度；深部注浆时，针对深部围岩塑性变形多、裂隙连通性差的特点，应考虑渗透性强的注浆材料，并降低浆液浓度，增强可注性。

4 注浆支护方案设计

在考虑深浅孔差异性注浆参数的基础上，确定注浆支护方案如下。

（1） 对巷道进行扩修并进行表面初次喷浆，初喷后再进行锚网支护，采用全锚索进行支护。帮锚索规格为φ18.9 mm×4 250 mm，间排距为800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 钢带；顶锚索规格为φ22 mm×7 300 mm 及φ18.9 mm×4 300 mm 的锚索，锚索布置为不同规格交错布置，锚索间排距为800 mm×800 mm，配套使用2.5 mm×275 mm×1 950 mm（三眼） W 钢带。支护完成后对巷道进行喷浆作业，设计复喷厚度50～60 mm，喷浆混凝土强度等级C20。

（2） 喷浆养护完后，先在下山两帮及顶板的浅部围岩体施工注浆孔，实施浅部注浆，注浆材料选择水泥+ 水玻璃，水泥水灰比控制为0.85∶1，水玻璃浓度一般应控制在10～20 Be，水泥浆与水玻璃比控制在1∶（0.1～0.3）。巷道浅部围岩在采动扰动下裂隙发育较宽，一般为2～6 mm，根据先期注浆经验，将注浆压力定为不大于2.5 MPa，注浆时间以浆液注不进去为止。

浅部注浆孔采用矩型布置，孔间距根据岩层性质确定，考虑到岩层横向节理相对比竖向裂隙发育，因此在布置注浆孔时，顶孔间距相对比帮部大，具体各注浆孔间距见剖面、断面注浆孔布置如图2 所示，每排布置4 个孔，孔径42 mm（根据灌浆塞规格及技术要求确定），两帮2 个浅孔孔深2.4 m，拱部2 个浅孔孔深4.0 m，排距为3 m，使用灌浆塞进行封孔。

图2 深浅孔注浆布置示意Fig.2 Arrangement of deep and shallow hole groutin

（3） 在完成浅孔注浆并经一段时间养护后，进行深孔注浆。注浆材料选择水灰比为0.65∶1 的水泥，考虑深部围岩裂隙连通性差，且浅部围岩在浆液胶结作用下支承力增强，深孔注浆压力选择在5 MPa，注浆时间以浆液注不进去为止。

深孔同样采用矩形布置，每排布置5 个深孔，底角打2 个孔深4.8 m 的深孔，拱部打3 个孔深6.0 m 的深孔，与浅孔成五花眼布置；深孔采用锚杆机施工，孔口孔径42 mm（根据灌浆塞规格及技术要求确定），内部孔径28 mm，采用灌浆塞封堵灌浆法。

5 注浆效果评价

在现场实施深浅孔注浆方案后，为检验支护效果，在八采轨道下山布设2 个监测点，位置如图3所示。每个监测点包含4 个位移测量点，分别测量顶底板及两帮移近量。经过长时间数据收集，整理得到巷道支护监测效果，如图4 所示。

图3 注浆支护效果监测点位置Fig.3 Monitoring point location of grouting support effect

图4 巷道围岩变形监测结果Fig.4 Deformation monitoring results of roadway surrounding rock

可以看出，随着时间推移巷道表面变形趋于稳定，1 号监测点数据显示，两帮变形稳定后移近量为90 mm 左右，顶底板变形稳定后移近量在45 mm 左右。2 号监测点数据显示，两帮变形稳定后移近量为60 mm 左右，顶底板变形稳定后移近量在38 mm 左右。可以看出位于工作面回采扰动影响段的1 号监测点比2 号监测点变形量更大，但两监测点总体围岩移近量均较注浆前显著缩小，变形量逐步减缓直至最终稳定，巷道的变形和破坏得到有效控制。

6 结 论

（1） 通过应力监测等手段，分析了采动扰动下深部巷道围岩破坏特征。受采动影响，巷道围岩破碎区及塑性区范围均变大，浅部围岩破坏严重，削弱了巷道的自承能力，降低了围岩锚固质量。

（2） 在分析深浅孔注浆加固原理的基础上，提出了深、浅孔差异性注浆参数。先低压-浅孔注浆，再高压-深孔注浆；注浆材料选择上，浅孔应优先选择凝固时间短的材料，并调高浆液浓度，提升胶结效果，深孔优先考虑渗透性，同时降低浆液浓度，增强可注性。

（3） 通过深浅孔注浆加固，在采动扰动下，深部巷道围岩总变形量明显减小，巷道变形量逐步减缓直至最终稳定，顶板及两帮下沉情况显著改善。深浅孔注浆将深浅部破碎围岩胶结成统一稳定的整体，有效地控制了围岩变形速度，使围岩强度得到明显强化。