注浆加固技术在断层构造区巷道加固的应用

弓 伟

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041602）

1 工程概况

霍宝干河煤矿正回采2-126 工作面，所采煤层均厚3.75m，硬度1.5，夹矸0.55m 左右，为近水平厚煤层。煤层直接顶与基本顶分别为细粒砂岩与K8 中粒砂岩，厚度分别为2.45m 与4.8m；直接底与基本底为碳质泥岩与K7 中粒砂岩，厚度分别为2.9m 与3.1m。2-126 一绕巷F#点前22m 存在倾向NW35°、落差3.5m 的F203 正断层，12m 范围内出现围岩变形量较大、局部区域顶板下沉达400mm、多处锚杆索失效的现象，拟通过注浆的方法进行加固。

2 注浆参数计算

2.1 注浆深度的确定

2-126 一绕巷断面宽5.3m，高3.5m，支护形式为锚网索梁联合支护。两帮及顶板锚杆间排距均为800mm，使用Φ21.6×2500mm 高强螺纹钢锚杆，顶板锚杆配合长4.8m 的7 孔锚梁使用；顶板使用Φ21.6×8200mm 钢绞线锚索，采用“三·三”布置，间距1600mm，排距2400mm；金属网为3200×1000mm 的 菱 形 网。2-126 一 绕 巷F#点 前22m 处围岩整体上裂隙较为发育、完整性差，顶板与两帮交界处由于受力不均匀产生较大形变，并且煤柱帮部分锚杆失效，出现局部片帮。因此，确定该区域巷道的两个顶角及煤柱帮为注浆加固的主要控制区域。

通过理论公式（1）可以计算出该段巷道的松动圈半径[1]：

式中：

C-注浆加固段围岩的粘聚力，取2.87MPa；

Ps-该段巷道的支护反力，注浆作业时取0；

P-该处巷道承受的原岩应力，取9.7MPa；

φ-注浆加固段岩石的内摩擦角，取46.6°；

r-注浆巷道半径，取2.65m。

将上述参数代入式（1）即可得到2-126 一绕巷F#点前22m 处巷道的松动圈半径为2.8m。

2.2 注浆压力、单孔注浆量及注浆孔排距的确定

本次注浆结合2-126 一绕巷的具体地质条件及工程情况，确定使用成本较低的注锚剂作为本次注浆加固的注浆材料。注锚剂分为甲料及乙料，甲料∶乙料=1:1。该注浆材料具有高强度、结合后胶结快、成本低、抗剪强度高等优点。实验室条件下甲乙料混合所形成胶合物的终凝抗压强度为65MPa。

注浆压力为浆液充填裂隙、在围岩中扩散提供动力，合适的注浆压力可使浆液在裂隙中充分扩散，在保证对围岩进行控制的同时不会由于压力较大而产生新的裂隙，对围岩造成进一步破坏，也避免了注浆压力过小导致浆液仅在注浆孔附近进行固结而达不到预期的加固效果。通过式（2）可以粗略计算出注浆加固时所需压力P0：

P0=KR（2）式中：

K-巷道注浆压力系数，取1.4MPa/m；R-待注浆区域松动圈半径，取2.8m。

通过式（2）计算得到该区域注浆作业时所需注浆压力为3.9MPa。综合考虑干河煤矿现有设备及待注浆巷道的地质情况，并且为了方便施工，最终确定注浆压力为4MPa。

通过式（3）可以理论计算得到浆液的扩散半径：

式中：

π-浆液损耗系数，取1.4；

L-注浆深度，取4.8m；

α-充填系数，取1；

R0-式（3）计算所得浆液的扩散半径，取1.4m。

通过计算得到该段区域注浆加固时单孔注浆量为0.9t。

浆液扩散半径为1.4m，为了取得良好的加固效果，应保证两排注浆钻孔所产生的有效扩散半径重叠50%[3]，即单个注浆钻孔形成的1.4m 扩散半径中应有0.7m 与另一个注浆钻孔形成的扩散半径重叠，故两排注浆钻孔的排距应为700mm。为了便于施工，确定排距为800m。

3 注浆孔的布置及应用效果

3.1 钻孔布置方案及工艺

注浆作业时设计注浆深度大于松动圈半径可以使浆液在松动裂隙内充分扩散[4]，取得良好的加固效果。该区域巷道松动圈半径为2.8m，即设计注浆深度应大于等于2.8m。结合该矿现有材料，确定注浆深度为4.8m，选用Φ21.6×4800mm 的中空注浆锚索进行本次注浆作业。

根据现场巷道的破坏形式并结合其支护参数，设计注浆孔如下：巷道顶板两侧距两帮300mm 处各布置一根注浆锚索，两根规格为Φ21.6×4800mm的中空注浆锚索垂直于顶板安装，顶板注浆锚索的间距为4700mm、排距为800mm；煤柱帮分别在距顶板800mm 处垂直于煤柱帮及靠近底板的注浆锚索距底板600mm，向底板方向倾斜30°各安装一根注浆锚索。要求所有注浆锚索安装时的预紧力大于250kN。煤柱帮注浆锚索的间距为2100mm，排距为800mm。注浆钻孔布置如图1 所示。

图1 注浆加固区域注浆锚索布置示意图

在现场注浆作业时通过划分一、二循环[5]来避免较近两排注浆钻孔打孔和注浆作业工序上的冲突。一、二循环钻孔布置如图2 所示。待一循环注浆作业全部完成后，再进行二循环注浆作业。待加固巷道共12m 长，布置一循环注浆钻孔8 排，共32 个；布置二循环注浆钻孔7 排，共28 个。所布置注浆钻孔单循环内排距1600mm，整体排距800mm。

图2 注浆加固区域注浆钻孔布置示意图

3.2 效果分析

应用上述注浆方案及工艺进行注浆加固作业后，对该范围内失效的锚杆索进行补打，并对注浆后巷道的变形量进行记录，数据统计结果如图3 所示。

图3 注浆加固后围岩变形监测结果

观察图3 可发现：该区域在注浆加固作业完成后15d 内围岩变形比较快，15d 时两帮移近量约17cm，顶板下沉量约13.5cm，之后围岩变形增速放缓，并在注浆作业完成50d 后稳定。顶板下沉量最终稳定在19.7cm，两帮移近量最终稳定在26.8cm，围岩变形均控制在有效范围内，说明注浆加固取得了良好的效果。

4 结论

通过理论计算的方法并结合2-126 工作面一绕巷F#点前22m 处约12m 范围内围岩变化的实际情况，确定4MPa 的注浆压力、4.8m 注浆深度、注浆孔排距800mm 的注浆参数，并设计出一、二循环分循环注浆的注浆工艺，共布置15 排、60 个注浆孔。注浆作业完成后，通过对注浆加固段的围岩变形监测发现围岩变形控制在有效范围内，注浆加固取得了较好效果。