煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势.pdf

第 1 8卷 第3期 总第 t 1 2期 2 0 1 3年 6月 - 煤 矿 开 采 C o a l mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 8 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 1 2 J u n e 2 0 1 3 煤矿巷道 围岩注浆加 固技术的现状与发展趋势 康红普 ，冯志强 1 ．天地科技股份有 限公 司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤 炭科学研究总 院 开采设计研究分 院，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 对煤矿巷道围岩注浆方法分类、注浆加固作用与注浆理论、注浆加固材料的类型与 物理力学特性、注浆参数的选择与工艺及注浆质量检测方法等进行 了较为详细地论述与分析。通过 2 个应用实例，介绍了水泥注浆与化学注浆加固的应用条件、注浆加固设计及注浆效果评价。最后针对 注浆加固存在的问题，提出了巷道 围岩地质力学测试与评估、注浆理论、材料、工艺及监测方面的发 展方 向。 [ 关键词] 破碎围岩；注浆加固；发展趋势 [ 中图分类号]T D 3 5 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 3 0 3 0 0 0 1 一 o 7 St a t us a n d De v e l o pme n t Te n de n c y o f Ro a dwa y Gr u nt i n g Re i n f o r c e me nt Te c hn o l o g y i n Co a l M i n e KANG Ho ng p u ’ ．FENG Zh i - q i a ng ’ 1 ． C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ．， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d a n d a n aly z e d g r u n t i n g me t h o d s ，g r u n t i n g r e i n f o r c e me n t a c t i o n a n d g r u n t i n g t h e o r y ，g r u n t i n g ma t e ri a l a n d i t s p h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，g r u n t i n g p a r a me t e r s s e l e c t i o n a n d g r u n t i n g q u a l i t y t e s t ． I t p u t f o r wa r d a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n o f c e me n t g r u n t i n g a n d c h e mi c al g r u n t i n g， g r u n t i n g r e i n f o r c e me n t d e s i g n a n d e f f e c t e v alu a t i o n b y 2 e x a mp l e s ． F o r t h e p r o b l e ms i n g r u n t i n g r e i n f o r c e me n t ，i t i n d i c a t e d d e v e l o p me n t t e n d e n c y i n g e o me c h a n i c s t e s t a n d e v alu a t i o n，g r u n t i n g t h e o ry ，ma t e r i al，t e c h n i q u e a n d mo n i t o ring ． Ke y wo r d s c r a c k s u r r o u n d i n g r o c k ；g r u n t i n g r e i n f o r c e me n t ；d e v e l o p me n t t e n d e n c y 1 前 言 经过多年的研究与实践 ，我国煤矿 已经形成以 煤岩体地质力学测试为基础、以锚固与注浆加固为 核心的巷道支护成套技术，成为煤矿巷道首选的、 安全高效 的支护技术 J 。对于围岩相对 比较完整 的巷道，高强度锚杆与锚索支护得到大面积推广应 用，取得 良好的技术经济效益；对于破碎围岩巷 道 ，单独采用锚杆与锚索支护 ，由于锚 固剂与破碎 围岩的粘结力小，锚固力不能保证，锚杆与锚索的 力学性能不能充分发挥。在这种条件下 ，注浆加 固 是巷道围岩控制的有效途径 。 注浆是指采用物理或者化学方法 ，将可 以固化 的液体材料通过注浆泵或其他手段注入到破碎岩体 或存在缺陷的构筑物裂隙内，从而改善其物理力学 性能的方法和过程 。注浆技术是在对有缺陷的构筑 物基础进行修复的过程 中逐渐发展起来的。在矿 山 立井建设过程中，为防止地下水渗入，注浆技术得 到了广泛应用 ，同时促进 了注浆技术 的不断发展 。 随着注浆技术 在各类岩土工程 中 的应用 ，注浆理 论 、注浆材料 、注浆机具与工艺及注浆质量检测技 术等也得到了快速发展 l 3 j 。注浆理论从多孔介质 注浆理论 、拟连续介质注浆理论 、裂隙介质注浆理 论逐渐发展为孔隙和裂隙双重介质注浆理论。近年 来随着计算机技术 的发展 ，根据裂 隙网络的特征 ， 通过计算机技术进行裂隙岩体注浆的数值模拟。注 浆材料从最早的石灰 、黏土、水泥发展到水泥一水 玻璃双液浆，后又研发了适合不同用途的各类化学 浆材 ，形成 了用途不 同、性能各异的多种化学注浆 材料。伴随注浆材料的发展 ，开发了与各种注浆材 料相适应的施工机具和工艺。此外 ，注浆工程多为 隐蔽工程，施工过程中的质量检测往往靠注浆过程 中压力的升高并凭借施工人员的经验进行。为了解 决注浆质量检测难题 ，开发 了多种注浆质量检测方 法与仪器。 本文主要介 绍注浆 分类 、注浆理论 、注浆 材 [ 收稿日期]2 0 1 3 0 5 2 0 【 基金项 目]国家国际科技合作项 目 2 0 1 0 D F B 7 3 0 7 0 [ 作者简介]康红普 1 9 6 5 - ，男，山西五台人，博士，研究员，博士生导师，主要从事岩石力学与巷道支护技术方面的教学与研究工作。 1 总第 1 1 2期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第3期 料 、注浆检测技术的现状与取得的研究成果及 2个 应用实例，最后分析注浆加固技术的发展趋势。 2 煤矿巷道注浆加固方法分类 墓 广J预注浆 l I． ． 墓 高锚固力 ，最大限度地发挥锚杆的支护作用 。 3 巷道注浆加固作用与注浆理论 3 ． 1 注浆加固作用 已有的研究成果表明，巷道 围岩注浆加固主要 有以下三方面作用 1 注浆提高巷道围岩结构面的强度 和刚度。 结构面发育的煤岩体， 其强度和变形主要由结构面 控制。一般情况下 ，结构面的强度与刚度 比较低 ， 容易出现离层、滑动和张开，导致煤岩体强度降 低 ，体积增大，引起巷道 围岩变形。注浆加固材料 可显著提高结构面的强度和刚度 ，从而提高煤岩体 的整体强度，增加围岩的自身承载能力。 2 充填 压密 裂 隙。浆 液在 泵压 的作 用下 ， 渗透充填一些裂隙，另外经挤压可使一些充填不到 的裂隙闭合 ，从而 降低煤 岩体的孔隙率 ，改善 裂 隙、 孔隙周围的应力分布状态，提高围岩强度。 3 注浆 封闭水源、隔绝空气。围岩注浆可 有效地封堵流水通道 ，防止或减轻水对 围岩 的软 化， 避免围岩强度因水的影响而大幅降低。同时， 围岩注浆后封堵 了裂隙 ，可有效地防止围岩风化。 3 ． 2 注浆加固理论 注浆理论研究相对于注浆材料与注浆工艺的发 展有些滞后 ，其多是从岩体裂隙渗流理论上发展变 化而来的。归结起来有如下几个方面 引 1 多孔介质注浆理论多孔介质注浆理论 的主要代表有马格 M a g g 球形扩散理论，以及 后来在此基础上发展起来 的卡罗尔 K a r o 1 及拉 芙莱 R a ffle 浆液渗透理论。该理论假设浆液 为 牛顿体 ， 黏度一定 ；浆液从注浆孔的底部注入岩土 体， 把注浆源假定为点源；同时假定被注介质为均 质、各向同性，浆液在岩土体中呈球状扩散。尽管 该理论对被注岩土体做了各项同性的假定 ，同时也 对浆液的流变性未加 考虑 。但是 由于其公式简单 ， 至今仍作为注浆工程设计的主要理论基础指导注浆 设计 。 2 拟连续介质注浆理论 拟连续介质 注浆 理论是通过把岩体中的裂隙进行等效处理， 假定浆 液充满岩体裂隙进行流动，并根据裂隙的密度与数 量进行平均分配 ，从而分析浆液的流动规律。 3 裂隙介质注浆理论裂 隙介质注浆理论 假定浆液为牛顿流体或宾汉姆浆液 ，并将裂隙看成 为单一裂隙，且裂隙面光滑、裂宽一定、浆液在裂 隙中的流动为层流 ，在这些假设 的基础上分析浆液 的流动情况。具有代表性的理论有贝克 B a k e r 康红普等煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势 2 0 1 3年第3期 公式和刘嘉材公式 。 4 裂隙岩体注浆的数值模拟 随着计算机 技术的发展， 人们逐渐通过该技术对浆液的流动特 性进行模拟 。一般将裂隙交叉点作为节点， 节点与节点间的裂隙作为线单元 ，节点处 的流量变 化为零 稳定流或等于贮存量 的变化 非稳定 流 ，建立 了浆液 的裂 隙岩体 网络渗流控 制方程。 虽然裂隙注浆的数值模拟相对于物理模型模拟要快 捷、简便、成本低，而且也能很好地反映浆液在裂 隙网络中的流动规律， 但是在进行数值模拟的时候 大多将裂隙看成是光滑的，浆液在流动过程 中隙宽 不变、浆液黏度不变，这将影响分析浆液在裂隙中 流动规律 的真实性 。 4 注浆加 固材料 注浆加 固材料一般可分为 3大类 水泥基 、化 学及水泥与化学复合注浆材料。影响注浆材料使用 性能的指标主要包括浆液黏度、力学指标 、抗渗性 能 ，在煤矿井下 还要特别 强调其阻燃 及抗静 电性 能。对于巷道围岩注浆，注浆材料要具备初始黏度 低 ，流动性好 ，可注性强 ，可注入细小的裂隙 内； 凝胶 固化时间可控制在一定时间 内，并可 以调整 ； 具有较高的强度 ，包括粘结强度与抗压强度 ；浆液 固化后无 收缩现象 ；较强 的抗 老化性 和防渗透能 力 ；对人体无 害 ，无 污染 ，无 腐蚀 ；材 料来 源丰 富，价格低；浆液配制方便 ， 操作简单。 4 ． 1 水泥基注浆材料 水泥基注浆材料具有结石强度高、耐久性好、 无污染 ，材料来源丰富、工艺设备简单 、成本低等 特点 ，在各类注浆工程 中得到广泛应用 。缺点为 浆液容易离析和沉淀、稳定性较差 ；颗粒度大，浆 液难以注人岩层的细小裂隙或孔隙中，扩散半径较 小；凝结时间不易控制、早期强度较低。水泥基注 浆材料适用于要求强度高 ，松散 、离层明显的破碎 煤岩体，对时效性要求不强的工程，比如煤矿井下 大巷 、硐室及采区巷道的加固。 水泥基浆液 的流动性主要 由浆液的剪切屈服强 度和动力黏度决定，其中影响较大的是浆液动力黏 度。黏度越小，浆液在流动过程中压力损失越小， 其流速、流量和扩散半径越大。水化时间一定时， 浆液黏度大小主要决定于水灰比，水灰比越大，其 黏度越小 。凝胶时间对注浆效果 的影响表现为 凝 胶时间长 ，有利于浆液 的均匀扩散和渗透 ，注浆加 固的整体性较好。但凝胶时间过长，将导致浆液扩 散范围增大，从而增大浆液的流失量。此外，有地 下水时，凝胶时间长的水泥浆液易被地下水 冲蚀 ， 从而降低注浆效果。 对于永久工程加固，水 泥基浆液一般使用 4 2 ． 5 普通硅酸盐水泥，配合水泥注浆复合添加剂 配制浆液 。水泥注浆大范围漏浆时，间歇注浆或压 注水泥一水玻璃双液浆堵漏。 针对普通水泥注浆材料存在的问题 ，国内外又 开发出超细水泥基 注浆 材料 J 。如 MC 一1 0 0型超 细水泥，比表面积达 到 1 3 0 0 m ／ k g ，其 尺寸大 于 7 ． 8 m的颗粒含量小于 3 ％。超细水泥基注浆材料 的主要特点是可注性高，浆液能够渗透到微细裂隙 中，粘结强度高、孔隙率低，具有良好的耐久性和 抗渗性能 ，是一种很有发展前景的注浆材料。 4 ． 2 化学注浆材料 化学注浆材料一般为高分子材料，这种浆材为 真溶液 ，黏度低 ，可注性好 ，渗透能力强 ，能注入 煤岩体中的细小裂隙或孔隙 。此外，化学浆液 还具有固化速度快 、固化时间可调等优点 ，因此在 工期要求紧张、临时性工程中得到快速发展。化学 注浆材料的主要缺点是其结石体强度较低，耐久性 较差 ，对周 围环境 和地下水有 污染 ，而且价格 昂 贵。这种注浆材料一般用于掘进工作面破碎煤岩体 超前加固，防止掘进期间围岩垮落，保证正常掘进 与支护 。 经过半个多世纪的发展 ，我 国的化学注浆材料 从种类到质量，都已与国外相差无几，并且实现了 工业化生产。常见的化学注浆材料有水玻璃类、环 氧树脂类 、甲基丙烯酸甲酯类、丙烯酰胺类 、丙烯 酸盐类 、聚酯类 、木质素类 、脲醛树脂类 、酚醛树 脂及聚氨酯类 注浆 材料 卜 ] 。但 就化学材料本身 而言，优缺点差异很大，具体见表 1 所示。 近年来 ，随着煤矿开采强度的增加与范围的扩 大，大采高综采工作面越来越多，地质构造越来越 复杂 ，破碎煤岩体普遍出现。在这些地质与生产条 件下 ，不可避免地会在遇到断层及破碎带等地质构 造时发生煤壁片帮甚至 冒顶等情况。由于化学注浆 材料具有固化快、强度较高、渗透性好等特性，能 及时对煤壁片帮、冒顶等事故进行快速、有效地加 固和处理 ，因此化学注浆材料在煤矿井下得到大面 积推广应用。目前，主要使用的是聚氨酯类注浆材 料，这种化学加固材料具有如表 1 所列的优点。但 是 ，聚氨酯类材料由于其本身具有可燃性 ，并且反 应时发热量高 ，导致反应温度偏高 ，对煤矿井下施 工造成一定的安全隐患。现在各材料生产单位都是 通过掺人阻燃剂实现井下材料阻燃性要求。但是这 3 总第1 1 2期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第3期 环 氧树脂 甲基丙烯酸 甲酯 丙烯酰胺 不饱和聚酯 木质 素 脲醛树脂 酚醛树脂 聚氨酯 抗压强度高 、粘结力强 、耐酸碱 黏度低 、粘结力强 适用 于堵水 、黏度较低 黏度低、强度高 成本低 取材造纸废液 黏度低、固化强度高 阻燃 黏度低、渗透性好、强度高，综合性能良好 黏度大、不耐潮湿 、固化时间长 固化体积收缩大 、易燃 毒性大、抗压强度低 、易燃 固化后体积收缩大、有气味、反应温度较高、易燃 强度低 、有害 固化后脆性大，浆液中含游离甲醛，有一定的毒性 、 存储期短 脆性大 、易成粉 ，固化 时需要强酸 ，腐蚀设 备 易燃、 反应温度较高 些阻燃剂都是含高氯离子类化学物质，一旦材料发 生 冒烟或着火 ，高含氯离子的化学物质燃烧后会生 成有害气体， 影响井下人员的安全。 为 了解决上述问题并降低聚氨酯注浆材料成 本，国内外开展了通过硅酸盐对传统聚氨酯注浆材 料进行改性的研究。该材料既保留了聚氨酯材料本 身优异的力学性能 ，又避免了可燃的缺点，适合巷 道围岩注浆加固使用。该材料固化后形成有机相 聚氨酯网络一无机相 无机硅酸网络三维结 构互穿网络，得到的固结体具有优异的力学特性。 煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发的硅酸盐 改性聚氨酯注浆材料的性能指标如表2 所示。 表 2 硅酸盐改性聚氨酯注浆材料性能指标 堡旦 堂 堡 无 体 深棕 液体 囊 黏 ／ m ／P ℃a _ s 25 。 。 。 使用比例 体积比 A组分 B组分 1 1 可流动时间／ m i n 2～ 5 一 阻燃性 不可燃 焉 最高反 应温度／ 。 C／ 4 0 固结体抗拉强度／ M P a ， 2 4 h r i 7 ． 0 固结体粘结强度／ MP a ，2 4 h r ≥3 ． 0 4 ． 3 选择注浆材料的原则 注浆材料 的性能决定注浆效果 ，合理选择注浆 材料是保证巷道加 固工程成功的基础。选择注浆材 料应考虑以下因素 1 巷道围岩结构 面分布状 况及 围岩变形 破 坏情况 ，包括围岩裂隙发育程度 、裂隙开度 ，维修 加 固巷道围岩破坏范围与深度等。 2 对注浆施工后固结体抗变形能力、整体 性的要求 。对井筒 、开拓、准备巷 道等永久性 工 程，注浆后应具有足够的抗变形能力；采区巷道和 回采工作面 ，相对服务期短 ，应主要以维护围岩完 整性为 目的。 4 3 在保证 工程效果 的前提下 ，尽可能使用 来源广 、成本低的注浆材料。性能类似的材料选择 工艺适应性强的材料。 对于裂隙型破碎巷道围岩，注浆加固应首选水 泥基浆液， 尤其是维修或翻修的永久工程，直接使 用水泥基浆液或者水泥浆与水玻璃配合，不仅加固 效果显著，而且可大幅降低工程成本。对于浅部围 岩裂隙密度与开度大、深部围岩裂隙细小的巷道维 修加固工程 ，可采用水泥注浆后再进行化学注浆的 复合注浆技术，在确保加固效果的同时降低加固成 本。对于掘进工作面破碎煤岩体超前加固，可采用 化学加 固材料 ，实现快速固化 ，保证掘进与支护的 正常进行。对于有发泡性能的化学浆液，固化过程 产生膨胀压力 ，向周边微裂隙内二次渗透。固结体 在具有较高强度的同时具有较强的粘结力和良好韧 性，在 围岩开挖和产生变形时不发生开裂和破坏 ， 围岩加固后具有较好的整体性。 5 注浆参数与工艺 注浆加 固工程施工前 ，应充分了解巷道围岩地 质与生产条件 ，包括工程性质、煤岩体类型和围岩 结构 ，在此基础上确定合理的注浆材料、工艺与参 数_ 】 9 _ 。注浆加 固参数 主要有 注浆 时间、注浆压 力 、注浆量、浆液扩散半径 以及注浆孔的布置参数 等 ，这些参数都不同程度地影响注浆加 固效果。 5 ． 1 注浆时间 注浆时间有两层含义 一层是注浆过程所需要 的时间 ，另一层是注浆与掘进的间隔时间。关于注 浆过程所需要的时间，对于裂隙、孔隙发育的围 岩 ，为防止浆液在巷道内泄漏 ，注浆时在控制注浆 压力和注浆量的同时，还要控制注浆时间，注浆时 间不宜过长 ；对于裂隙不发育的围岩，吸浆速度较 慢，浆液扩散较困难，为提高注浆效果，应在提高 注浆压力的同时适当延长注浆时间。 注浆滞后于掘进工作面的间隔时间长短不同 ， 围岩变形 、破坏的程度不同，注浆加 固的条件和要 康红普等煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势 2 0 1 3年第 3期 求也不一样 ，最终的加固效果也会有差异。滞后时 间是注浆加固的一个重要参数，要保证浆液能充分 注入到围岩中将破碎煤岩体粘结 ，固结体应有足够 的强度与变形能力 ，以适应巷道 围岩后续 的变形 。 滞后时间过短 ，围岩中的节理 、层理、裂 隙等结构 面还没有充分张开与扩展 ，新裂纹还没有产生，注 浆困难 ；相反 ，注浆过迟 ，围岩 已发生严重变形与 破坏，整体强度降低过多，注浆也难以发挥作用。 5 ． 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。注浆压力受地层条件、 注浆方式和注浆材料等因素的影响。注浆压力的选 择应注意压力过高会引起劈裂注浆 ，很可能在注浆 过程中导致围岩片帮、冒顶。如压力过小浆液难以 向四周围岩中扩散 。 注浆压力主要取决于煤岩体的渗透性、要求的 渗透范围及浆液性质等。对于水泥浆液加固，当围 岩破碎严重时可选 0 ． 5 MP a左右的注浆压力 ，比较 破碎 时 取 1 MP a左 右，裂 隙 较 小 时 可 采 用 1 2 M P a 。如果围岩强度低 ，应控制 注浆压力不超过 其抗压强度 的 1 ／ 3 。 5 ． 3 注浆量 由于围岩岩性、裂隙发育程度、松动范 围不 同，围岩吸浆量差别很大，同时受注浆压力、注浆 时间等因素影响 。为 了保证 注浆能将裂 隙充填密 实 ，原则上应注到不吃浆为止。 5 ． 4 浆液扩散半径 浆液扩散半径是确定注浆钻孔布置参数 钻 孔密度、深度等的重要依据。浆液在煤岩体裂 隙中的扩散是不规则的 ，它随着煤岩层渗透系数 、 裂 隙宽度 、注浆压力、注入时间的增加而增大 ；随 着浆液浓度和黏度的增加而减小。通常以调节注浆 压力、浆液注入量和浓度等参数来控制浆液扩散范 围的大小。 5 ． 5 注浆孔的布置参数 注浆孔 的布置参数 主要指 钻孔 的间排距与 深 度 。注浆孔 间排距的选择与扩散半径密切相关。注 浆孔的孔距应使 2个注浆孔的扩散范围有一定交 叉，应比二倍扩散半径小，取大约 0 ． 6 5 0 ． 7 5的 系数。注浆深度应达到围岩裂 隙发育 、破碎区的边 缘。深部围岩裂隙不发育，浆液不易渗透，因此过 深 的钻孔作用不大。 6 注浆质量检测 注浆质量直接影响工程质量和使用寿命，对被 注煤岩体进行注浆效果检测非常重要_ 2 。目前， 国内外主要检测方法有 钻芯取样 、超声波法 、钻 孔壁观察法及地质雷达法等 。 钻芯法是注浆质量检测常用的方法 ，通过在煤 岩体中钻取芯样检测注浆效果 ，具有直观 、可靠、 准确的特点。这种方法的局限性表现为钻取岩芯 和芯样加工比较繁琐，成本较高；取芯只能反映钻 孔范围内的小部分被注煤岩体的质量，对整体注浆 工程来说 ，以点代面容易造成误判或漏判 ；钻孔取 芯后，对被注煤岩体又是一次破坏，尤其对于堵水 工程 ，会造成新 的渗流或涌水通道。 超声波检测法是 目前最常用 的缺 陷无损检测 法。该法利用超声脉冲波在煤岩体中传播的声时 或声速 、波 幅和频率等声学参数的相对变化分 析判断缺陷的分布。测试距离一定时，若超声波通 过的速度快，信号波幅和频率大，则受注体密实。 当受注体存在蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时，超声波 在缺陷界面发生反射、散射和绕射等现象，导致声 学参数产生明显变化。根据这一原理 ，可在被注煤 岩体内或附近布置测点，分别测试其在相应条件下 的声学参数值，进行比较和分析后确定注浆的饱满 程度 。 钻孔壁观察法是通过在被注煤岩体中钻孔，采 用钻孔窥视仪观察钻孔壁上结构面分布、浆液充 填、渗透情况。该法直观、方便 ，目前在煤矿井下 得到广泛应用。但该方法与钻孔取芯一样，存在观 察范围小，容易以点带面的缺点。根据工程特点， 增加钻孔数量可在一定程度上解决这些问题。 地质雷达探测是基于被测介质的电性差异 ，向 介质发射高频电磁波 ，并接收介质反射 的电磁波进 行处理 、分析、解释的一项工程物探技术 。对于煤 岩体注浆加固工程，可采用地质雷达在注浆加固前 探测围岩裂隙分布与破坏状况 ，记录电磁波传播和 反射的特征，确定煤岩体破碎范围；在注浆加固后 再对该区域进行探测 ，记录电磁波传播和反射的特 征。经过两者对比，就可确定注浆加固范围，分析 加固效果 。 7 应 用 实例 7 ． 1 破碎围岩硐室水泥注浆加固 晋城成庄矿二盘 区二部胶带机头硐室 ，由于周 围巷道布置密度高，先后受到相邻巷道掘进和侧翼 采煤工作面动压影响，围岩变形破坏严重 ，硐室底 鼓导致设备安装基础倾斜，严重影响设备的运转与 安全。为此，开展了注浆与锚固相结合的综合加固 5 总第 1 1 2期 煤矿 开 采 2 o 1 3年 第 3期 技术试验研究。 7 ． 1 ． 1 地质与生产条件 二盘区二部胶带机 头硐 室沿 3号煤层底板布 置 ，埋深 4 4 0 m。煤层 直 接顶 为 1 ． 3 7 m厚 的细砂 岩 ，基本顶为 7 ． 3 3 m厚 的中粒砂岩 。底板为灰黑 色泥岩和泥质胶结粉砂岩。硐室各部位均为半 圆拱 形断面 ，采用锚杆 、锚索喷浆支护 。钻孔窥视结果 表明 硐室围岩破坏严重，裂隙非常发育 ，破坏深 度达到 8～1 0 m。 7 ． 1 ． 2注浆加 固设计 根据硐室围岩破坏状况及生产要求 ，确定采用 注浆与锚杆 、锚索综合加固方案 ，对硐室全断面进 行注浆加固。正常注浆采用 4 2 ． 5 普通硅酸盐水泥 配合 X P M添加剂 ，大范围漏浆时 ，压注水泥一水 玻璃双液浆 。X P M添加剂用量为水泥重量的 8 ％ 一 1 0 ％ ，水泥浆的水灰 比0 ． 8 1～1 1 。 底板注浆孔布置 根据设备和基础位置，跨胶 带成排布置底板注浆孔，注浆孔深度分别为 8 m和 4 m 。注浆孔内预埋锚索和注浆管；一些4 m注浆孔 打设 自钻锚杆。注浆 终止压力 2 ． 0 MP a 。底板注浆 完成后，利用注浆孔内的锚索、锚杆支护底板。 顶帮注浆孑 L 布置 注浆 孑 L 沿硐室断 面顶帮成 排、相邻两排三花眼布置。注浆孔排距 2 m，间距 1 ． 51 ． 8 m，钻孔直径 5 6 m m，拱顶孔深 6 m，两帮 和拱肩孑 L 深 1 0 m。采用埋孔口注浆管，孔内下射浆 管，全长一次注浆施工。注浆终止压力 4 6 M P a ， 根据现场情况进行调整。 7 ． 1 ． 3注浆加 固效 果 硐室破碎 围岩注浆后 ，刷扩巷和基坑开挖揭露 了浆液注入围岩裂隙后的不同固结形态。结果表 明浆液注入破碎 围岩裂隙，形成厚度不同、包容 岩块大小、数量不同的结石体，充填、嵌入破碎围 岩 内部裂隙，固化后整体性和抗 压强度显著提高。 同时 ，注浆后显著提高了后续施工 的锚杆、锚索锚 固力 ，充分发挥了锚杆与锚索的支护作用。 矿压监测数据表明硐室实施注浆和锚杆、锚 索支护综合加固后 ，底鼓量小于 1 0 m m，两帮收敛 在 5 mm以内，破碎硐 室围岩变形得 到有效控 制 ， 加 固效果显著。 7 ． 2 回采巷道断层破碎带化学注浆加 固 7 ． 2 ． 1 地质与生产条件 内蒙古伊泰集团酸刺沟煤矿 6 1 0 7工作面胶 带运输巷沿 6 E 煤层顶板掘进。6 E 煤层厚度 为 7 ． 5 1 2 ． 5 m，变化较 大。巷道受 断层影响段坡度 大 ，起底 11 ． 5 m左右 ，导致巷道超高 2 m，架工 6 字钢棚支护。该段巷道受断层影响，煤体破碎，如 受动压影响，机头附近易出现冒顶和片帮事故 。为 提高工作面端头煤体稳定性，提前进行了注浆加 固 。 7 ． 2 ． 2注浆加 固设 计 根据巷道围岩破碎状况及生产要求，采用高分 子化学注浆。注浆材料采用煤炭科学研究总院开采 设计研究分院开发的 G R T - 1 0 1 高分子化学浆液。 注浆孔布置在巷道回采侧帮部 ，施工 2排钻孔 ，钻 孔直径 4 2 m m，深度 8 m，仰角 l 0 。 。第 1排钻孔紧 靠顶板吊顶钢梁以下布置，第2排钻孔与第 1 排孔 排距 1 ． 5 m。两排孔呈三花眼布置 ，孔间距 5 m。注 浆压力控制在2～ 4 M P a ，根据注浆时煤壁漏浆及煤 壁的稳定性可做适当调整。 7 ． 2 ． 3注浆加 固效 果 注浆结束后 ，为分析注浆效果 ，进行 了钻孔窥 视 ，窥视图分为平面展开图与柱状图。第 2窥视孔 6 ～ 8 m的观察结果如图2 。钻孔窥视结果表明胶 带运输巷断层破碎带煤壁破碎 ，横 向、纵向裂隙发 育，裂隙整体呈网络状，沟通较好。注浆区间内裂 隙充填饱满 ，粘接力强。浆液扩散能力强 ，扩散半 径大 ，钻孔间能形成完整的交圈范 围，提高 了煤壁 的整体性。在回采工作面推过该段巷道时 ，围岩稳 定 ，没有出现冒顶 、片帮现象，达到了预期 目标。 图2 回采巷道化学注浆加固钻孔窥视结果 8 存在的问题与发展趋势 尽管我国煤矿巷道注浆加固理论与技术已取得 大量研究成果 ，解决 了很多巷道加固难题 ，但 由于 煤岩体地质条件的复杂性、注浆加固工程的隐蔽 性 ，还有很多问题需要不断深入地研究。 1 进一步加强注浆方案设计前的煤岩体地 质力学测试与评估，特别是应对围岩中的节理、层 理、裂隙等结构面分布，围岩破坏原因、范围、程 康红普等煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势 2 0 1 3年第3期 度及发展过程进行重点调查 、测试与分析 ，尽可能 详细地了解被注对象 ，为注浆加固设计提供可靠 的 基础资料 。 2 裂隙岩体注浆理论研究相对于注浆材料 与工艺的发展有些滞后 ，需要 在 以下方 面加强研 究 浆液在粗糙节理和弯曲节理中的流动规律 ；浆 液在交叉裂隙网络中的扩散流动规律及注浆的固液 耦合分析； 具有时变性浆液在裂隙网络中的流动规 律 ；浆液在各向异性煤岩体 中的渗透流动规律等。 3 开发更适合煤矿井下 巷道 围岩特点 的新 型注浆材料 ，在满足煤矿生产要求、保证注浆加固 效果的同时，降低注浆成本，有利于井下环境的改 善 。 4 加强注浆过程 中注浆参数 的监测与控制 ， 研发适合煤矿井下使用的注浆记录仪，实时监测注 浆压力 、流量、浆液黏度变化 ，以及时发现注浆过 程中存在的问题 ，提高注浆质量。 5 开发有效、快速、可靠的注浆效果检测 方法与仪器，实现注浆效果的快速、准确评价，保 证注浆加 固工程的安全。 [ 参考文献] [ 1 ]侯朝炯团队 ． 巷道围岩控制 [ M]． 徐州 中国矿业大学出版 社 ，2 0 1 3 ． [ 2 ]康红普，等 ． 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应 用 [ M]．北京 科学 出版社 ，2 0 1 3 ． [ 3 ]张农 ． 巷道滞后注浆围岩控制理论与实践 [ M]．徐州中 国矿业 大学出版社 ，2 0 0 4 ． [ 4 ]张永成，等 ．注浆技术 [ M]．北京煤炭工 业出版社， 2 0 1 2 ． [ 5 ]王连国，李明远，王学知 ． 深部高应力极软岩巷道锚注支护 技术研究 [ J ]．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 8 9 2 8 9 3． [ 6 ]罗平平 ， 何山，张玮 ，等 ．岩体注浆理论研究现状及展 望 [ J ]． 山东科技大学学报 自然科学版 ，2 0 0 5 ， 2 4 1 4 6 -4 8 ． [ 7 ]冯志强，康红普，杨景贺． 裂隙岩体注浆技术探讨 [ J ]． 煤 炭科学技术 ，2 0 0 5 ，3 3 4 6 3 6 6 ． [ 8 ]阮文军 ．基于浆 液粘度 时变性 的岩体裂 隙注浆扩 散模 型 [ J ]．岩石 力学与 工程学 报，2 0 0 5 ，2 4 1 5 2 7 0 9 2 7 1 4． [ 9 ]杨秀竹 ．静动力 作用 下浆液 扩散 理论 与实验 研究 [ D]．长 沙 中南 大学，2 0 0 5 ． [ 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