注浆加固在深部断层破碎带巷道加固中的应用,土木工程施工论文

　　处于深部断层破碎带影响范围内的巷道围岩,具有岩体软弱破碎、围岩松动圈大、地应力高和易形成局部应力集中等特点,在巷道掘进过程中,易片帮冒顶,支护前期变形也很大,单靠传统的被动支护形式,难以奏效。只有通过改善和提高浅部围岩自承能力,以抵抗深部围岩压力,才能有效控制巷道变形。注浆作为改善岩土体力学性能的一项重要手段,能够从根本上解决问题。

　　1 注浆加固机理

　　(1)浆液胶结破碎围岩之间的破裂面,增大了围岩内摩擦角和粘结力,提高了围岩强度。

　　(2)注浆能闭合围岩节理与裂隙,阻止围岩裂隙进一步发展,改善围岩性质,减小水、空气对围岩的侵蚀与风化。

　　(3)注浆后,围岩整体性提高了,松动圈半径减小了,改善了松动圈受力状态。

　　(4)浆液在围岩裂隙中胶结,形成网络骨架,具有良好的韧性和粘结强度,提高了围岩残余强度。

　　(5)围岩注浆后,可以给锚杆、锚索提供良好的着力基础,使锚固力大幅上升。

　　2 工程应用
　　
　　2.1 工程概况
　　淮南矿业集团顾桥煤矿南翼胶带输送机大巷(二)是连接中央区和南区的主要大巷,埋深780m,施工中要穿过FD108-1~F114-1等断层构成的地质异常区。其构造形态为一大的地堑,由2组东西走向,分别向南、北方向倾斜的阶梯状断层构成。断层最大组合落差140m,宽670m。断层落差大,造成巷道施工层位及岩层产状变化强烈。其中,第Ⅶ标段巷道穿过FD108断层带下盘,巷道施工层位附近岩性主要为泥岩,岩体异常破碎松散,前探孔岩心采取率仅为13.3%,现场实测地应力达28MPa。巷道施工部位岩层富水性较弱,FD108断层带在该处含水性不强,正常情况下,不会有明显的涌水现象;但在局部裂隙发育处,会有轻微滴淋水。巷道掘进揭露的顶板,没有自稳时间或自稳时间短;此外,还有“似泥石流”

　　现象,巷道支护难度很大。

　　2.2 注浆设计
　　(1)注浆孔深度注浆孔深度要求不小于围岩松动圈厚度。围岩松动圈厚度可采用声波测试仪或深部多点位移计测得,也可采用公式计算。围岩松动圈最大半径按修正的芬纳公式计算:【1】

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　　式中:r0为巷道开挖半径;c,分别为岩体粘结力和内摩擦角;σz为原岩应力。针对顾桥煤矿南翼胶带输送机大巷(二),巷道开挖半径r0=3m。参考淮南矿区岩体力学参数取值范围,取围岩粘结力c=0.65MPa,内摩擦角=25°。根据上式,可求得R0为13m,与现场实测值基本相符。

　　(2)注浆材料围岩加固以普通水泥浆液为主,工作面封水以化学浆液为主。(3)浆液扩散半径浆液扩散半径是确定加固区内注浆孔间距及数量的依据,其大小主要取决于注浆压力与时间,裂隙密度、开度、迂曲度,浆液运动粘度、胶凝时间等。由于岩体节理、裂隙发育分布程度不均匀,破裂程度不一致,浆液注入岩体后,扩散范围很不规则,其值只能采用平均值描述。浆液扩散半径经验公式为【2】

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　　式中:R为浆液扩散半径;Pc为注浆孔内压力;P0为受注裂缝内地下水压力(由于巷道施工部位岩层富水性较弱,取P0=0);T为注浆时间;b为裂缝宽度(开度);rc为注浆孔半径;u为浆液粘度。现场统计表明,浆液扩散半径约为3~4m。

　　(4)注浆压力工作面注浆时,没有地下水作用。所以注浆压力除了克服浆液在管路中的沿程阻力外,主要是克服浆液在岩体裂隙中流动时的摩擦阻力。注浆压力大,浆液在岩体裂隙中扩散、充填效果好,扩散距离远。尤其对破裂顶板,浆液沿顶板裂隙流动需要克服较大的阻力。

　　(5)注浆量从保证岩体裂隙被充填密实的角度看,注浆应注到不吃浆为止,注浆量总体上应保证加固区域围岩有良好的注浆加固效果。每个注浆孔的注浆量可用下式估算:【3】

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　　式中:L为钻孔长度方向加固区长度;α为浆液充填系数,取0.7~1.0;β为浆液消耗系数,取1.2~1.5;η为岩石裂隙率。

　　(6)注浆滞后时间一般来说,注浆时间越早,注浆加固体起作用也越早,围岩强度损失越少,对围岩变形的抑制能力也越高。但注浆时间早,要求浆液有很高的强度、良好的变形及渗透性能,以适应围岩较长时间的应力作用和较大的变形。采用低性能浆液,可把注浆时间适当推迟;但滞后时间过长,围岩强度损失大。若围岩自身强度丧失殆尽,就难以再靠对其注浆来恢复强度和维持巷道稳定。根据分析,注浆应在围岩变形速度开始变慢前后进行。

　　2.3 施工工艺
　　(1)超前预注浆巷道开挖之前,先对巷道前方超前预注浆,加固围岩,确保超前注浆掩护距离大于5m。超前注浆孔共布置17个(不含中间孔),长4.5~12.0m,外扎角15~65°。

　　采用2ZBYSB-200-50/5-15-37型注浆泵注浆。为防止注浆过程中窜浆或漏浆,注浆孔内下入8m长的108mm套管。施工时,一次将一排孔全部施工至设计套管深度,下套管并固管。固管结束后,将17个钻孔全部施工到位(中间孔除外),所有孔口安装上封口盘,然后逐孔注浆。待注浆结束后,再钻进中间孔,检验注浆效果并注浆。注浆由下而上,逐排进行,浆液先稀后稠。开始注浆时,采用水灰比为1∶1的P·O42.5水泥浆,主要作用是疏通裂隙通道,以利于下一步注浆;等注入0.8m3浆液后,开始注入水灰比为0.75∶1的水泥浆,并加入0.5%的工业盐和0.05%的早强剂三乙醇胺,促进浆液凝固。注浆终压原则上不大于15MPa。注浆过程中,根据压力变化来控制注入量。压力上升较慢时,要间歇注入;注入20m2,压力不提高,要停止注浆,待2h后,再接着注入。注浆孔终孔位置落在巷道底板以下5m、顶板以上15m、巷道中线左右各12m的长方形区域内。超前注浆孔布置如图1所示。【图1】
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　　(2)短段掘支,壁后注浆超前注浆施工完毕,进行短段掘支施工。掘进后,先进行外锚内架支护,即外层锚网+内层36U型钢棚。36U型钢棚规格4.6m×3.9m(净宽×净高),棚距500mm。正常掘进5m后,停止掘进,对5m段喷射混凝土加固。喷射完毕,待喷层达到一定强度后,对5m段进行浅孔、深孔壁后注浆。浅孔深4m,每排6个孔,间排距1.5m×1.5m,下1m实管、2m花管,注入P·O42.5水泥浆,注浆压力控制在3MPa左右。深孔深8m,每排4个孔,间排距2m×1m,下2m实管、4m花管,注入安尔特化学浆,注浆压力控制在8MPa左右。注浆结束后,3道锚索梁紧跟工作面,进行主动支护。这样5m为1段,逐段施工,直到该地段65m长的巷道短段掘支施工完毕,接着进行底板注浆锚索施工。

　　(3)底板注浆锚索施工先将底板卧至设计深度,然后在底板注浆锚索待施工处挖槽,槽中按间排距1m×1m施工注浆锚索,每排4根,锚索规格29mm×8m。安装锚索时,同时将2m长的4分管下入锚索钻孔内,人工拌制安尔特化学浆倒入孔内。待安尔特凝固后,连接注浆泵注浆,注浆压力6~8MPa。注浆完毕,张拉锚索,张拉力150kN。最后用混凝土填平凹槽,如图2所示。【图2】
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　　2.4 巷道收敛变形观测
　　为观察巷道注浆后的围岩活动规律以及注浆对巷道变形控制效果,在巷道内布置了收敛变形测站(见图3),进行表面收敛变形观测,收敛变形曲线如图4所示。图3中,5个测桩埋设在同一垂直面内。【图3-4】
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　　1号和5号测桩距底板1m,2号和4号测桩在同一水平线上,3号测桩埋设在拱顶正中央。

　　由图4可以看出,巷道在支护后的45d左右时间里,收敛变形增长较快。尤其是巷道水平方向1-5测线,45d收敛变形量达270mm,收敛变形速度6mm/d;肩部方向(5-2、1-4测线)次之,收敛变形量在100mm左右,收敛变形速度约2.2mm/d;顶板方向(5-3、1-3测线)最小,收敛变形量在75mm左右,收敛变形速度约1.7mm/d。之后,收敛变形变缓,慢慢趋于稳定。目前,巷道两帮移近量为290mm,稳定期内为20mm,收敛变形速度仅为0.5mm/d;顶板方向最大收敛变形量为110mm,收敛变形速度仅为0.25mm/d。收敛变形速度很小,说明巷道已稳定。

　　3 结语

　　(1)巷道开挖前预注浆,可以改善岩土体力学性质,减小巷道开挖初期收敛变形,预防冒顶,保证巷道施工安全。通过壁后浅孔、深孔注浆和底板注浆,可以在巷道外形成围岩加固圈,有效阻止松动圈以外围岩的弹塑性变形和剪胀变形,改善松动圈内应力状态,减弱甚至消除应力集中。工程实践表明,注浆是目前巷道过断层破碎带行之有效的方法。

　　(2)由于地质情况的多样性和复杂性,目前注浆技术系统性不强,注浆参数的确定更多依赖于工程经验和现场实测后的调整,今后需作进一步研究。

　　参考文献:

　　[1] 杨坪,彭振斌,李奋强.巷道注浆加固作用机理及计算模型研究[J].矿冶工程,2005,25(1):3-5.
　　[2] 朱占虎.锚注支护技术在交岔点修复中的应用[J].建井技术,2006,27(5):6-7.
　　[3] 项一凡,蔡瑛.淮南潘三矿软岩巷道锚注支护的研究[J].江西煤炭科技,2007(1):71-73.
　　[4] 孟晓洁,姚直书,俞刚,等.地面注浆加固异常地质构造带机理分析与实践[J].中国煤炭,2011,37(7):64-66.