第４５卷第２期 ２０１７年４月 矿 山 测 量 ＭＩＮＥ ＳＵＲＶＥＹＩＮＧ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．１ｓｓｎ．１００１—３５８Ｘ．２０１７．０２．０１５ 深部破碎围岩注浆加固技术及其应用术 李世栋 （山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西晋城０４８０００） 摘要：文中针对胡底矿盘区水泵房围岩控制难题，分析了水泵房硐室围岩变形破坏特征及机理，提出 了注浆和注浆锚索联合加固方案。现场应用表明：加固后的硐室围岩稳定性得到了有效控制，破碎 区被浆液密实充填，满足硐室的正常使用要求。 关键词：深部；破碎围岩；大断面硐室；注浆加固 中图分类号：ＴＤ３５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３５８Ｘ（２０１７）０２～００５６—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｂｒｏｋｅｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃ ｋ Ｌｉ Ｓｈｉｄｏｎｇ （ＳｈａｎＸｉ ＪｉｎＭｅｉ ＪｉＴｕａｎ Ｈｕｄｉ ＱｉｎＳｈｕｉ ＨｕＤｉ Ｃｏａｌ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ０４８０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｈｏｕｓｅ ｉｎ ＨｕＤｉ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｃｈａｍｂｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ ｊｏｉｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄ— ｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｆｔｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｚｏｎｅ ｗａｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｓｌｕｒｒｙ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｍｂｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ；ｂｒｏｋｅｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ；ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ；ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ １ 工程背景 的不稳定严重影响了上述设施的施工，从而推迟矿 井的正常投产。针对胡底矿盘区水泵房变形破坏严 重问题，需采用加固措施，达到保持硐室围岩稳定的 目的。 ２盘区水泵房失稳破坏特征分析 ２．１ 围岩变形破坏特征 胡底煤业位于山西省沁水县胡底乡，主采３号 煤层，为基建矿井，目前正在进行盘区大巷和盘区水 泵房的掘进施工，盘区水泵房埋深７００ ｍ左右，布置 在３号煤层上部２０ ｍ处的粉砂岩岩层中，局部夹杂 有碳质泥岩（如图１所示）。岩层强度较低，且岩层 具有明显的流变特性、膨胀性和软化特性，粉砂岩中 含有裂隙水，在裂隙水的作用下，岩层强度进一步降 盘区水泵房开挖完成后，按照图２提供的支护 设计方案进行支护，盘区水泵房开挖支护后不久，顶 板明显产生下沉，拱肩部位出现鼓包、错动，两帮内 低，使盘区水泵房变形很大，局部顶板下沉达到 １ ３００ ｍｍ，拱肩挤压达到１ ２００ ｍｍ，底板鼓起 ６００ ｍｍ以上。 移，底板整体出现鼓起的现象，对盘区水泵房变形后 的尺寸进行了实地测量，并与设计方案进行对比发 现，硐室断面成型较差，硐室高度、宽度均有不同程 度的超挖现象。 矿方针对变形区域进行了多次返修加固，但一 直不能有效控制巷道围岩的持续变形，由于盘区水 泵房需要布置水泵基础、轨道、电缆沟等设施，底板 基金项目：中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目（２０１４ＭＳ０３７） 引用格式：李世栋．深部破碎围岩注浆加固技术及其应用［Ｊ］．矿山测量，２０１７，４５（２）：５６—６Ｏ ５６ 第２期 李世栋：深部破碎围岩注浆加固技术及其应用 岩层名称 厚度／ｍ 柱状『剁 岩 性 描 述 砂质泥岩 ５．２５ 一一上部为深灰色粉砂质泥岩．Ｆ部为灰黑色泥岩夹煤线．含植物化石 ．｜＿一 粉砂 ｝ １６．２５ 深灰色粉砂岩夹透镜状中、籼粒砂岩，含植物化石。底部５ ｌＯｏｍ为炭质泥岩 细砂岩 ３．５６ 一深灰色ｉｌ 粒岩屑 英杂砂岩，含泥ｌ岩斑团，顶部为细砂岩。 ■一一 泥 ８．２９ 深灰色泥岩、粉砂顷泥岩，粉砂岩央薄层透镜状 砂岩，含植物化石 ３＃煤层 ５．６７ 煤，黑色，光亮型，斑煤为主．玻璃光泽，阶梯状断 ］，条带状结构，』 状构造。 深灰灰黑色泥岩、粉砂质泥岩灾溥 粉砂岩．含｛｛ＩＩ物化石碎片。 泥岩 砂岩 泥岩 ６．７３ ３．８ ２．４ 一■一 ， 荻色细札岩屑石英杂砂 ，碎悄以石英为 灰色泥岩局部含鲕状菱铁矿 图Ｉ 盘区水泵房囤岩柱状图 从硐室破坏特征可看出，硐室表面喷的Ｃ２０混 在盘区水泵房周围布置了 个测点进行了地应 力测试，第一测点最大水平主应力为ｌ５．０４ ＭＰａ，最 小水平主应力为７．６０ ＭＰａ，垂直应力为１６．４７ ＭＰａ； 凝土大面积开裂、脱落，尤其是顶部和拱肩部位最为 严重（如图３），混凝土喷层与煤岩体实体处呈现ｆ＿｝｛ 空腔的现象，空腔裂缝局部可到０．３５ ｍ以上。 第二测点最大水平主应力为ｌ７．６７ ＭＰａ，最小水平主 应力为９．７９ ＭＰａ，垂直应力为１６．２７ ＭＰａ；第三测点 最大水平主应力为１７．３７ ＭＰａ，最小水平主应力为 ８．８０ ＭＰａ，垂直应力为ｌ６．２４ ＭＰａ；根据相关判断标 准：０～１０ ＭＰａ为低应力区，１０～１ ８ ＭＰａ为中等应力 区，ｌ ８～３０ ＭＰａ为高应力区；大于３０ ＭＰａ为超高应 力区。由此，判断测试Ⅸ域地应力场在量值上属于 中等偏高应力 。 （２）同岩强度测试及分析 地应力测试结束后，在地应力测孔中利用 ＷＱＣＺ一５６型同岩强度测试装置对巷道的岩体进行 图２盘区水泵房原支护断面图 了原位强度测试，岩体强度分布情况如图４所示。 从图中可以看出，顶板以上０～１．０ ｍ为深灰色 粉砂质泥岩，岩层强度平均值为４９．４６ ＭＰａ。１．０～ ５．４ ｍ为灰色细粒岩屑石英砂岩，岩层强度平均值为 ８５．６８ ＭＰａ。５．４ｍ～９．２ ｍ为泥岩，岩层强度平均值 为２９．９５ ＭＰａ。９．２～１０．０ ｍ为深灰色粉砂岩，岩层 强度平均值为５４．９３ ＭＰａ。巷帮强度平均值为 ５４．７４ ＭＰａ。从测试结果来看，细粒砂岩和粉砂岩强 度较高，完整性好，而泥岩、砂质泥岩强度较低，尤其 遇到淋水，强度进一步降低。 图３硐室顶板破碎下沉 （３）围岩变形破坏情况窥视及分析 ２．２ 围岩地质力学测试及分析 （１）地应力测试及分析 硐室围岩稳定性的关键因素在于保持同岩的完 整性和硐室群间煤柱的承载能力，使煤柱和围岩在 ５７ 第２期 矿 山 测 量 岩性 孔深 探针触点强度／ＭＰａ 岩层抗压强度／ＭＰａ 粉眇岩：ｊ： １０ ９ ８ 一— ／ ５４ ９３ 、 泥蚕 岩蚕 ７ ２９９５ ．＜ ６ ： ● Ｌ —’＼ 、＼ ●、 、～ ５ 细 ： ４ 粒・・ 砂 ： ３ 岩 ．广 一 ．＜＝ ／ ，８５ ６８ ＋：・ 】 砂质虽１ ： ： ２ ： 、～ ．厂 ４９４６ ．泥岩量 Ｏ １Ｏ ２０ ３Ｏ ４０ ５Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ∞９Ｏ ｌ∞ １１Ｏ ｌ２０ 图４顶板岩体强度测试结果 高应力作用下能不因长期流变而失稳，避免硐室因 围岩持续变形而出现垮冒事故。因此，弄清硐室围 岩变形破坏范围，对选择合适的硐室加固措施显得 若仅考虑水泵房，则当其他硐室失稳破坏时，则会影 响水泵房的围岩稳定，所以，加固时要把周围的硐室 群作为一个整体进行围岩控制，避免发生“牵一发而 动全身”式的骨牌破坏效应。 （３）恢复围岩完整性、强度 。硐室周围破坏 非常重要。 采用电子钻孑Ｌ窥视仪对硐室周围围岩内部的裂 隙分布和发育特征进行观测，通过观测判断围岩破 坏的深度。 范围已达５ ｍ以上，内部节理、裂隙发育，局部淋水。 若不进行注浆加固恢复其完整性、强度，仅进行补打 硐室顶板围岩破碎严重，顶板以上０～１．４ ｍ为 锚索，锚索无法施加高预应力，也无法有效传递其预 应力，且锚固段锚固力低，锚索容易产生滑脱、失效 连续破坏区，岩层内生裂隙发育，岩层完整性差，１．４ ～２．５ ｍ之间岩层完整性好，２．５～５．７ ｒｎ岩层又出 等现象，所以围岩控制前，必须进行注浆加固，浆液 使破碎岩体的内聚力、内摩擦角及抗拉强度显著提 高，还有效充填了岩体的节理、裂隙，封堵了导水通 道，抑制淋水、空气的侵蚀。 （４）全断面支护原则。大断面硐室基本均为永 久硐室，若硐室一个区域发生破坏，则会逐步引起其 他区域产生连锁破坏效应。要控制硐室的整体稳 现破碎区，局部产生较大离层，５．７～７．６ ｍ虽然局部 存在裂隙，但围岩整体完整性好；帮部围岩破坏深度 明显大于顶板破坏深度，且煤柱侧围岩破坏更加严 重，基本已全部破碎。 ３ 深部破碎围岩大断面硐室控制对策 ３．１ 深部破碎围岩控制原则 定，必须进行全断面支护，不仅要控制硐室的顶部、 两帮，还要控制其底板的变形破坏。 针对胡底煤矿盘区水泵房地质力学环境、变形 破坏范围、应力分布状态等因素，结合已有研究成 果，提出以下硐室围岩控制原则。 （５）高预应力、全长锚固支护原则 …。与新 掘硐室相比，失修破坏硐室围岩变形均为不连续有 （１）硐室围岩控制的主要目的是保持围岩稳定， 把支护结构与围岩视为统一承载体，使两者能够协 调变形、统一承载，即要保证支护结构的刚度大于其 临界刚度，还要保证支护结构与围岩整体协调变 形 圳。 害变形，若采用传统的“先柔后刚”支护理念，不但无 法控制围岩稳定，还会导致支护结构大量失效，围岩 内部节理、裂隙无法抑制。因此，对于返修硐室必须 及时采用高预应力、全长锚固支护方式，高预应力可 以有效控制围岩内部节理、裂隙的张开，全长锚固可 抑制岩层问的错动、滑动，在锚固区内形成刚度较大 （２）硐室加固要统筹全局、整体考虑。水泵房周 围布置有多个硐室，硐室之问相互扰动，围岩控制时 ５８ 的预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同 第２期 李世栋：深部破碎围岩注浆加固技术及其应用 时改善围岩深部的应力分布状态。 （６）硐室围岩加固后，要进行矿压观测，通过分 析矿压观测结果，进行支护效果评价，进而反馈围岩 口采用埋８００ ｍ／ｉ／长钢质注浆管，孔内采用长５ ０００ ｍｍ的白塑料射浆管，全长一次注浆施工，注浆终止 压力２～３ ＭＰａ；帮顶注浆钻孔直径 ３６ ｍｍ，孔深 ５ ０００ ｍｍ，注浆孔排距１ ８００ ｍｍ，间距１ ８００ ｍｍ。 控制方案的合理性，并对加固方案进行修改、完善， 从而保证硐室围岩的长期稳定。 ３．２ 围岩注浆加固和注浆锚索联合支护技术 钻孔孔口采用埋８００ ｍｍ长钢质注浆管，孑Ｌ内采用长 ４ ０００ ｍｍ的白塑料射浆管，全长一次注浆施工，注浆 （１）硐室返修成型，喷浆封闭。由于盘区水泵房 终止压力４—６ＭＰａ。 变形严重，再加上掘进时成型差，为了恢复硐室至设 （３）注浆结束后，全断面施工注浆锚索。底板注 计断面，首先进行返修成型，返修后挂‘ｐ６．５ ｍｍ焊 浆锚索钻孔直径ｑｂ５６ ｍｍ，锚索直径ｑ５２１．６ ｍｒｎ，长 接的钢筋网，并整体喷射厚度１００ ｍｍ的Ｃ２０混凝土 度７ ３００ ｍｍ，排距１ ８００ ｍｍ，间距１ ６００ ｍｍ，采用分 封闭层，喷层不但可以封闭泥岩，防止泥岩进一步风 次全长锚固。首先采用水泥端部锚固，端部采用水 化，还可以防止注浆时浆液跑漏。 泥灌浆锚固，灌浆锚固长度２ ０００～３ ０００ ｍｍ，灌浆７ （２）围岩水泥浆液～水玻璃浆液注浆加固。水 天后安设ｑｏ２０ ｍｍ钢筋梯梁，张拉至２５０ ｋＮ，并进行 泥浆液的水灰比为１：１，并添加ＸＰＭ添加剂（添加剂 注浆，形成锚索全长预应力锚固。 能有效提高水泥浆的流动性和降低其离析、沉淀 帮部和顶部注浆锚索钻孔直径（Ｐ３０ ｍｍ，锚索直径 等），添加剂用量为水泥重量的１０％。水玻璃浓度 ２１．６ ｍｍ，长度７ ０００ ｍｍ，排距１ ８００ ｍｍ，问距１ ８００ ３８～４２。Ｂｅ ，模数Ｍ＝２．８～３．２，水泥浆和水玻璃的 ｍｍ，采用树脂端部锚固，三支低粘度锚固剂，一支规格 体积比１：０．４。 为Ｋ２３３５，另两支规格为Ｚ２３６０，树脂锚固长度为１ ９７０ 水泵房底板注浆钻孔直径 ５６ ｍｍ，孔深６ ０００ ｍｍ，锚固完成后张拉至２５０ ｋＮ，然后进行水泥浆注浆， ｍｍ，注浆孑Ｌ排距１ ８００ ｍｍ，间距２ ０００ ｍｍ。钻孔孔 从而形成全长预应力锚固，如图５所示。 （ａ）围岩水泥浆液一水玻璃浆液注浆加固 （ｂ）围岩注浆锚索布置图 图５盘区水泵房注浆和注浆锚索联合加固方案 ３．３ 水泵房围岩稳定性监测及分析 混凝土喷层完好，未发现开裂现象。从图６可以看 水泵房及其周围硐室群采用了注浆加固和注浆 出，硐室围岩加固后４０天内，围岩顶板下沉量、底鼓 锚索联合支护技术，硐室群加固后９０天，硐室围岩 量及两帮移近量基本呈线性增长，４Ｏ～６０天范围内， ５９ 第２期 矿 山 测 量 围岩变形逐渐趋于平缓、稳定，硐室顶板下沉量最终 为１５ ｍｍ，底鼓量２３ ｍｍ，两帮移近量３２ ｍｍ。为了 勘查围岩内部裂隙被注浆浆液充填情况，采用钻孔 窥视仪对注浆加固区域围岩进行了观测，观测发现 硐室７ ｍ范围内的破碎围岩完整性好，节理、裂隙基 本全部被水泥浆液充填、密实，恢复了硐室围岩的整 体性，如图６所示。 ４０ ３５ ３０ ２５ 塑 １Ｏ Ｏ ｏ １Ｏ ２ｏ ３０加５０ ６０ ７（】８０ ９０ １００ 时间，ｄ 图６ 硐室群注浆加固后围岩位移曲线 图７硐室群注浆加固后全貌 ４ 结 论 （１）通过对硐室周围进行地质力学测试，得出硐 室群区域地应力场在量值上属于中等偏高应力区， 最大水平主应力方向为ＮＥＥ向，最大水平主应力方 向和盘区水泵房硐室轴向斜交，导致围岩应力分布 不对称，从而引发破坏的不对称性；围岩强度较低， 尤其是泥岩，完整性差；硐室围岩整体松软、破碎严 重，破坏范围达到６ ｍ左右，大范围围岩的破坏影响 了硐室群的整体稳定。 （２）根据硐室围岩失稳破坏机理、破坏范围、应 力分布状态，提出了注浆加固和注浆锚索联合控制 方案，该方案通过保持围岩稳定，把支护结构与围岩 视为统一承载体，使两者能够协调变形、统一承载。 在恢复围岩完整性、强度的基础上，再施加高预应力 全长锚固锚索，全长锚固锚索有效控制锚固区围岩 不连续变形，保持煤岩体的完整性、连续性，从而控 制围岩的稳定。 （３）现场进行了工业性试验，试验结果表明：该 联合加固方案可有效控制深部破碎围岩大断面硐室 的失稳破坏，加固后的硐室顶板下沉量最终为ｌ５ ｍｍ，底鼓量２３ ｍｍ，两帮移近量３２ ｍｍ，有效解决了 深部破碎大断面硐室群的围岩控制难题。 参考文献： ［１］ 肖同强，李化敏，杨建立，等．超大断面硐室围岩变形破 坏机理及控制［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（４）：６３ｌ一６３６． ［２］ 杨仁树，薛华俊，郭东明，等．复杂岩层大断面硐室群围 岩破坏机理及控制［Ｊ］．煤炭学报，２０１５，４０（１０）：２２３４ —２２４２． ［３］ 杨树新，李宏，白明洲，等．高地应力环境下硐室开挖围 岩应力释放规律［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（１）．２６—３０． ［４］ 康红普，王金华，林健．煤矿巷道支护技术的研究与应 用［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（１１）：１８０９—１８１４． ［５］ 何满潮，李国峰，任爱武，等．深部软岩巷道立体交叉硐 室群稳定性分析［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００８，３７（２）： １６７—１７０． ［６］ 程燕学．大断面硐室锚喷注联合支护技术［Ｊ］．煤炭科 学技术，２０１６，４４（２）：１２８—１３２． ［７］ 韦四江，勾攀峰，于春生，等．大断面破碎硐室围岩蠕变 模拟及控制技术［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１３，３０ （４）：４８９—４９４． ［８］ 康红普，姜铁明，高富强．预应力在锚杆支护中的作用 ［Ｊ］．煤炭学报，２００７，３２（７）：６７３—６７８． ［９］ 康红普，王金华，林健．高预应力强力支护系统及其在 深部巷道中的应用［Ｊ］．煤炭学报，２００７，３２（１２）：１２３３ —１２３８． ［１Ｏ］ 康红普，林健，吴拥政．全断面高预应力强力锚索支护 技术及其在动压巷道中的应用［Ｊ］．煤炭学报，２００９， ３４（９）：１１５３—１１５９． 作者简介：李世栋（１９８２一），男，山西屯留人，本科，助理工程 师，主要从事煤矿生产技术和安全管理方面的工作。 （收稿日期：２０１７—０１—０９）
