處于深部斷層破碎帶影響范圍內的巷道圍巖,具有巖體軟弱破碎、圍巖松動圈大、地應力高和易形成局部應力集中等特點,在巷道掘進過程中,易片幫冒頂,支護前期變形也很大,單靠傳統的被動支護形式,難以奏效。只有通過改善和提高淺部圍巖自承能力,以抵抗深部圍巖壓力,才能有效控制巷道變形。注漿作為改善巖土體力學性能的一項重要手段,能夠從根本上解決問題。
1 注漿加固機理
\\(1\\)漿液膠結破碎圍巖之間的破裂面,增大了圍巖內摩擦角和粘結力,提高了圍巖強度。
\\(2\\)注漿能閉合圍巖節理與裂隙,阻止圍巖裂隙進一步發展,改善圍巖性質,減小水、空氣對圍巖的侵蝕與風化。
\\(3\\)注漿后,圍巖整體性提高了,松動圈半徑減小了,改善了松動圈受力狀態。
\\(4\\)漿液在圍巖裂隙中膠結,形成網絡骨架,具有良好的韌性和粘結強度,提高了圍巖殘余強度。
\\(5\\)圍巖注漿后,可以給錨桿、錨索提供良好的著力基礎,使錨固力大幅上升。
2 工程應用
2.1 工程概況
淮南礦業集團顧橋煤礦南翼膠帶輸送機大巷\\(二\\)是 連 接 中 央 區 和 南 區 的 主 要 大 巷,埋 深780m,施工中要穿過FD108-1~F114-1等斷層構成的地質異常區。其構造形態為一大的地塹,由2組東西走向,分別向南、北方向傾斜的階梯狀斷層構成。斷層最大組合落差140m,寬670m。斷層落差大,造成巷道施工層位及巖層產狀變化強烈。其中,第Ⅶ標段巷道穿過FD108斷層帶下盤,巷道施工層位附近巖性主要為泥巖,巖體異常破碎松散,前探孔巖心采取率僅為13.3%,現場實測地應力達28MPa。巷道施工部位巖層富水性較弱,FD108斷層帶在該處含水性不強,正常情況下,不會有明顯的涌水現象;但在局部裂隙發育處,會有輕微滴淋水。巷道掘進揭露的頂板,沒有自穩時間或自穩時間短;此外,還有“似泥石流”
現象,巷道支護難度很大。
2.2 注漿設計
\\(1\\)注漿孔深度注漿孔深度要求不小于圍巖松動圈厚度。圍巖松動圈厚度可采用聲波測試儀或深部多點位移計測得,也可采用公式計算。圍巖松動圈最大半徑按修正的芬納公式計算:【1】
式中:r0為巷道開挖半徑;c,\ue788分別為巖體粘結力和內摩擦角;σz為原巖應力。針對顧橋煤礦南翼膠帶輸送機大巷\\(二\\),巷道開挖半徑r0=3m。參考淮南礦區巖體力學參數取值范圍,取圍巖粘結力c=0.65MPa,內摩擦角\ue788=25°。根據上式,可求得R0為13m,與現場實測值基本相符。
\\(2\\)注漿材料圍巖加固以普通水泥漿液為主,工作面封水以化學漿液為主。\\(3\\)漿液擴散半徑漿液擴散半徑是確定加固區內注漿孔間距及數量的依據,其大小主要取決于注漿壓力與時間,裂隙密度、開度、迂曲度,漿液運動粘度、膠凝時間等。由于巖體節理、裂隙發育分布程度不均勻,破裂程度不一致,漿液注入巖體后,擴散范圍很不規則,其值只能采用平均值描述。漿液擴散半徑經驗公式為【2】
式中:R為漿液擴散半徑;Pc為注漿孔內壓力;P0為受注裂縫內地下水壓力\\(由于巷道施工部位巖層富水性較弱,取P0=0\\);T為注漿時間;b為裂縫寬度\\(開度\\);rc為注漿孔半徑;u為漿液粘度?，F場統計表明,漿液擴散半徑約為3~4m。
\\(4\\)注漿壓力工作面注漿時,沒有地下水作用。所以注漿壓力除了克服漿液在管路中的沿程阻力外,主要是克服漿液在巖體裂隙中流動時的摩擦阻力。注漿壓力大,漿液在巖體裂隙中擴散、充填效果好,擴散距離遠。尤其對破裂頂板,漿液沿頂板裂隙流動需要克服較大的阻力。
\\(5\\)注漿量從保證巖體裂隙被充填密實的角度看,注漿應注到不吃漿為止,注漿量總體上應保證加固區域圍巖有良好的注漿加固效果。每個注漿孔的注漿量可用下式估算:【3】
式中:L為鉆孔長度方向加固區長度;α為漿液充填系數,取0.7~1.0;β為漿液消耗系數,取1.2~1.5;η為巖石裂隙率。
\\(6\\)注漿滯后時間一般來說,注漿時間越早,注漿加固體起作用也越早,圍巖強度損失越少,對圍巖變形的抑制能力也越高。但注漿時間早,要求漿液有很高的強度、良好的變形及滲透性能,以適應圍巖較長時間的應力作用和較大的變形。采用低性能漿液,可把注漿時間適當推遲;但滯后時間過長,圍巖強度損失大。若圍巖自身強度喪失殆盡,就難以再靠對其注漿來恢復強度和維持巷道穩定。根據分析,注漿應在圍巖變形速度開始變慢前后進行。
2.3 施工工藝
\\(1\\)超前預注漿巷道開挖之前,先對巷道前方超前預注漿,加固圍巖,確保超前注漿掩護距離大于5m。超前注漿孔共布置17個\\(不含中間孔\\),長4.5~12.0m,外扎角15~65°。
采用2ZBYSB-200-50/5-15-37型注漿泵注漿。為防止注漿過程中竄漿或漏漿,注漿孔內下入8m長的\ue788108mm套管。施工時,一次將一排孔全部施工至設計套管深度,下套管并固管。固管結束后,將17個鉆孔全部施工到位\\(中間孔除外\\),所有孔口安裝上封口盤,然后逐孔注漿。待注漿結束后,再鉆進中間孔,檢驗注漿效果并注漿。注漿由下而上,逐排進行,漿液先稀后稠。開始注漿時,采用水灰比為1∶1的P·O42.5水泥漿,主要作用是疏通裂隙通道,以利于下一步注漿;等 注 入0.8m3漿 液 后,開 始 注 入 水 灰 比 為0.75∶1的 水 泥 漿,并 加 入0.5%的 工 業 鹽 和0.05%的早強劑三乙醇胺,促進漿液凝固。注漿終壓原則上不大于15MPa。注漿過程中,根據壓力變化來控制注入量。壓力上升較慢時,要間歇注入;注入20m2,壓力不提高,要停止注漿,待2h后,再接著注入。注漿孔終孔位置落在巷道底板以下5m、頂板以上15m、巷道中線左右各12m的長方形區域內。超前注漿孔布置如圖1所示?！緢D1】
\\(2\\)短段掘支,壁后注漿超前注漿施工完畢,進行短段掘支施工。掘進后,先進行外錨內架支護,即外層錨網+內層36U型鋼棚。36U型鋼棚規格4.6m×3.9m\\(凈寬×凈高\\),棚距500mm。正常掘進5m后,停止掘進,對5m段噴射混凝土加固。噴射完畢,待噴層達到一定強度后,對5m段進行淺孔、深孔壁后注漿。淺 孔 深4m,每 排6個 孔,間 排 距1.5m×1.5m,下1m實管、2m花管,注入P·O42.5水泥漿,注漿壓力控制在3MPa左右。深孔深8m,每排4個孔,間排距2m×1m,下2m實管、4m花管,注入安爾特化學漿,注漿壓力控制在8MPa左右。注漿結束后,3道錨索梁緊跟工作面,進行主動支護。這樣5m為1段,逐段施工,直到該地段65m長的巷道短段掘支施工完畢,接著進行底板注漿錨索施工。
\\(3\\)底板注漿錨索施工先將底板臥至設計深度,然后在底板注漿錨索待施工處挖槽,槽中按間排距1m×1m施工注漿錨索,每排4根,錨索規格\ue78829mm×8m。安裝錨索時,同時將2m長的4分管下入錨索鉆孔內,人工拌制安爾特化學漿倒入孔內。待安爾特凝固后,連接注漿泵注漿,注漿壓力6~8MPa。注漿完畢,張拉錨索,張拉力150kN。最后用混凝土填平凹槽,如圖2所示?！緢D2】
2.4 巷道收斂變形觀測
為觀察巷道注漿后的圍巖活動規律以及注漿對巷道變形控制效果,在巷道內布置了收斂變形測站\\(見圖3\\),進行表面收斂變形觀測,收斂變形曲線如圖4所示。圖3中,5個測樁埋設在同一垂直面內?！緢D3-4】
1號和5號測樁距底板1m,2號和4號測樁在同一水平線上,3號測樁埋設在拱頂正中央。
由 圖4可以看出,巷道在支護后的45d左右時間里,收斂變形增長較快。尤其是巷道水平方向1-5測線,45d收斂變形量達270mm,收斂變形速度6mm/d;肩部方向\\(5-2、1-4測線\\)次之,收斂變形量在100mm左右,收斂變形速度約2.2mm/d;頂板方向\\(5-3、1-3測線\\)最小,收斂變形量在75mm左右,收斂變形速度約1.7mm/d。之后,收斂變形變緩,慢慢趨于穩定。目前,巷道兩幫移近量為290mm,穩定期內為20mm,收斂變形速度僅為0.5mm/d;頂板方向最大收斂變形量為110mm,收斂變形速度僅為0.25mm/d。收斂變形速度很小,說明巷道已穩定。
3 結語
\\(1\\)巷道開挖前預注漿,可以改善巖土體力學性質,減小巷道開挖初期收斂變形,預防冒頂,保證巷道施工安全。通過壁后淺孔、深孔注漿和底板注漿,可以在巷道外形成圍巖加固圈,有效阻止松動圈以外圍巖的彈塑性變形和剪脹變形,改善松動圈內應力狀態,減弱甚至消除應力集中。工程實踐表明,注漿是目前巷道過斷層破碎帶行之有效的方法。
\\(2\\)由于地質情況的多樣性和復雜性,目前注漿技術系統性不強,注漿參數的確定更多依賴于工程經驗和現場實測后的調整,今后需作進一步研究。
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