巷道滞后注浆围岩控制理论与实践.docx

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巷道滞后注浆围岩控制理论与实践

巷道滞后注浆围岩控制理论与实践

1.概述

1.1注浆技术应用现状

采矿工程师应用注浆技术已有一个多世纪的历史，1864年首创水泥注浆法，1885年铁琴斯（Tietjens）成功采用地面预注浆开凿井筒，获得专利权；20世纪初注浆技术应用到井下巷道，此后注浆法在矿井建设中作为防治水和改善工程地质条件的重要方法，先后在英国、法国、南非和苏联得到广泛应用。

比较有名的注浆工程如：

巴黎地铁奥柏（Auber）车站注浆、横跨尼罗河的阿斯旺（AswanDam）水坝防渗注浆、日本青函隧道围岩预注浆等，其目的主要是防渗和堵水，客观上也起到稳定工程结构及围岩的作用。

近数十年来，注浆技术在岩土工程实践中获得了更广泛的应用，已研制开发出多种注浆方法和上百种注浆材料，满足了很多复杂地质条件的工程要求，并积累了丰富的经验，逐渐发展成为一个相对独立的研究方向。

1989年国际岩石力学学会成立注浆委员会，1991年我国在广州举行全国灌浆会议，并成立了中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会，加强了理论研究和技术交流。

但由于岩土介质的极端复杂，裂隙岩体的渗流理论尚不够成熟，注浆工程常常依赖于经验，大型注浆工程技术参数只能依赖于反复的现场调试和监测，其中注浆固结体的力学性质、浆液流动时的力学过程以及注浆参数设计等理论问题，尤其缺乏系统完整的研究与论述。

这些问题影响到注浆效果和技术经济指标的提高，甚至造成人力、物力的浪费，其总体研究水平与其他岩土工程技术相比尚处于初级阶段。

在我国煤矿的井巷施工中，注浆技术早在20世纪50年代就有较多的应用，东北鹤岗矿区、鸡西矿区和山东淄博矿区首先采用井壁注浆封堵井筒漏水，随后山东新汶矿区张庄立井采用工作面预注浆取得良好堵水效果。

20世纪60年代以后注浆法有了很大发展，在矿井中已将注浆用于堵水、灭火、密封（瓦斯）以及对软土和构造破碎岩层进行加固，处理围岩冒落坍塌事故，进行巷道修复等方面的工作。

20世纪80年代以来，由于现代支护理论的发展和注浆技术的进步，以支护为目的的巷道围岩注浆在苏联、德国等地开始研究和推行，我国同期也在复杂和不良岩体内的巷道工程中采用过注浆加固技术。

典型的实例有：

金川镍矿用后注浆法加固巷道取得良好效果；山东龙口矿区采用注浆加固与锚喷支护或锚喷架联合支护治理软岩取得实效；徐州旗山矿应用锚注支护技术维护巷道取得成功；抚顺矿区采用卸压加固注浆获得成功；徐州矿务局权台煤矿在v类回采巷道中采用围岩注浆与锚架联合支护取得成功，淮北矿务局朱仙庄煤矿、芦岭煤矿的新掘岩巷、修复岩巷和煤巷中应用滞后注浆加固技术控制围岩变形取得明显效果。

注浆材料也从水泥浆发展到多种化学浆、水泥一水玻璃浆。

因此，从历史发展看，注浆多用于岩土工程的堵水、防渗与加固，主要是一门与地下水害作斗争的工程技术。

煤矿巷道围岩注浆加固技术目前仅作为一项特殊的手段，主要用于如下两种情况：

（1）为提高掘进头及掘进工作面前方煤和岩体的稳定性，短期加固煤岩体，便于安全掘进和支护，从时间上可分为预注浆和随开挖及时注浆，由于巷道开挖工程扰动和初期的剧烈变形，注浆加固区很快出现严重破坏，对长期维护的作用不大，

（2）为提高已掘完和被支护巷道松动岩体的稳定性，对破坏岩体进行滞后注浆加固，注浆加固体参与围岩稳定过程，并成为围岩承载结构的一部分，达到长期稳定巷道围岩、限制围岩变形的支护目的。

第一种情况主要用于原始工程地质条件恶劣时，注浆的目的是为施工创造条件，防止冒落和渗水；第二种情况为滞后注浆方式，目的是控制围岩变形。

从控制巷道围岩变形的实际效果出发，在巷道掘进后周围形成破坏区时，应用注浆加固作为维护巷道稳定性的手段最有效。

本项目针对滞后注浆问题开展研究，其特点主要为滞后加固注浆是在巷道开挖后的围岩变形过程中实施的，参与巷道变形与稳定过程，以控制围岩变形为目的。

1.2注浆理论研究

近几十年来一般岩土注浆理论发展较快，成果主要集中在岩土介质中浆液流动规律及岩土体的可注性，裂隙充填物对流动和围岩稳定性的影响，平面裂隙接触面积对裂隙渗透性的影响，仿天然岩体的裂隙渗流实验等方面，但应用较多的仍然是渗透注浆理论和劈裂注浆理论。

（1）渗透注浆理论

近几十年来，国内外学者对渗透注浆法进行了较多的理论与实验研究，发展了一些渗透注浆理论，包括马格（球形扩散）理论、柱形扩散理论、卡罗尔理论、拉夫莱理论和袖套管法理论等。

马格理论假设被注体为均质各向同性体，浆体在地层中呈球形扩散，并给出牛顿体注浆压力、注浆时间、扩散半径和注浆量等重要理论公式，该理论是以钻杆端部点注浆为基础建立起来的，既有普遍的适用性，又有很大的局限性。

柱形扩散理论是以注浆管体的一部分为注浆过滤段，它与马格理论有类似的假设，导出了注浆时间、扩散半径和注浆量的公式。

（2）劈裂注浆理论

劈裂注浆理论认为在注浆压力作用下，浆液可以克服地层的切应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应力的平面发生劈裂，浆液便沿此劈裂面渗入和挤密地层体，并在其中产生化学加固作用，浆脉形成骨架。

我国在这方面的研究较多，并对基岩、砂层和粘性土层劈裂注浆时的劈裂条件作了充分研究，认为在均质软弱地层中首先产生竖向裂隙，在层状软岩中首先产生水平裂隙。

这些成果具有较好的理论指导意义，但在定量应用上受到较大限制。

由于注浆介质的复杂性和工程的隐蔽性，注浆理论研究难以开展，其研究水平不仅严重滞后于注浆工程实践和注浆材料的发展要求，而且严重滞后于一般工程技术研究的发展水平。

大多数注浆工程报道或论文中，只介绍注浆施工工艺过程及注浆效果，很少进行注浆理论分析研究，已有的结论也主要是基于宏观的和感性的认识，缺乏具体的、定量的测试分析，在细观、微观层次上的研究明显不足。

1.3注浆实验研究

注浆实验多结合室内模拟实验开展，主要研究注浆参数及其影响因素之间的关系，国内外常用的有平板式、圆管式、槽式模拟实验台，通过调节裂隙张开度、长度、粗糙度等参数研究渗流规律，分析注浆参数等。

注浆参数主要有浆液扩散半径R、注浆压力P、注浆量Q和凝结时间T等，影响因素主要有被注岩土的渗透率k、浆液初始粘度u、注浆时间t等。

苏联和我国学者通过实验研究得出有关注浆参数经验公式。

国内学者利用特制的实验装置和测试系统对浆液渗流压力分布情况进行过测试，并通过回归分析得出渗透压力按二次抛物线规律衰减。

国内外较著名的注浆参数模拟实验有：

苏联学者在实验室进行过砂质岩层中浆液扩散参数模拟实验研究，以确定注浆参数与被加固的岩体性质、浆液特性之间的关系；奥地利学者模拟了不同开度的平面裂隙中的浆液流动规律；国内的注浆模拟实验装置有水利水电科学院的平板型、煤炭科学院的圆管型和东北大学的槽型及扁圆柱型等实验台，利用这些装置可以研究岩层裂隙注浆和多孔介质注浆的模拟实验。

由于模拟条件与实际地层结构有较大差距，裂隙、孔隙状态参数、介质粒度等模拟参数均与实际条件难以吻合，而且常常仅能模拟单一裂隙，因此模拟出的浆液流动特征及其规律与实际情况相差较大，今后的发展方向是进一步仿真模拟，以缩小这种差距，指导具体的注浆工程实践。

1.4注浆工艺和参数研究

注浆工艺是研究在不同的工程地质和水文地质条件下，根据施工对象（井筒或巷道）的技术特征、工程性质和施工要求等，所采取的不同注浆方案和施工方法，以及完成注浆工作全过程的作业程序和操作要领。

注浆工艺复杂多变，针对性很强，而注浆参数是影响和确定注浆工艺的最重要因素之一，一直是注浆技术和注浆效果研究的一项主要内容。

其注浆参数包括如下几项：

（1）注浆压力

注浆压力是浆液在岩土中扩散的动力，受工程地质条件、注浆方法和注浆材料等因素的影响和制约。

国内外对确定注浆压力值持两种截然相反的原则：

一是尽可能提高注浆压力；二是尽可能用低压注浆。

这两种观点各有利弊，对不同的工程有不同的指导意义。

一般来说，化学注浆比水泥注浆时压力要小得多，浅部注浆比深部注浆压力要小，渗透系数大的地层比渗透系数小的地层注浆压力要小。

堵水与防渗工程中水压的影响十分显著，煤矿地面立井预注浆压力一般为静水压力的2．0～2．5倍。

水坝注浆压力一般为1～3MPa，浅表地层注浆压力一般为0.2～0.3MPa，地下隧道和巷道围岩注浆压力最大可达6MPa，最小值在1MPa。

2．扩散半径

扩散半径的影响因素甚多，它随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、浆液流动特征、注入时间等因素的变化而不同，它决定着注浆工程量和工程进度，常用一些理论或经验公式估算，但最终往往仍需通过试验确定。

3．凝胶时间

凝胶时间是浆液本身的特征，不同的注浆工程可能要求浆液凝胶时间在几秒到几小时的范围内调节，并能准确控制。

几种典型浆液的凝胶时间据文献[27]、[28]为：

单液水泥浆从几十分钟到十几小时，水泥一水玻璃双液浆从几秒到几十分钟，高水速凝材料从几分钟到几十分钟。

1.3注浆材料研究。

常用的水泥类材料可分为三类：

①以水泥或在水泥中加人一定量的附加剂为原料，用水配制成浆液，采用单液系统注入。

试验表明，水泥浆液只能注入到比它本身粒度大三倍的空隙中去，目前常用的水泥最大粒径为0．085mm，在一般的压力下只能注入最小宽度为0．255mm的空隙中。

虽然这种浆液存在颗粒粗、可注性差、凝结时间长且不易控制、浆液易沉淀析水和结石率低等缺点，但它来源广、价格低、结石体强度高，因而被广泛采用。

②以水泥和水玻璃为主剂，按一定比例，采用双液方式注入，其结石率较高，可注性比水泥好，凝结时间短且易控制，但结石体强度较低，如控制不好经过一段时间后结石体易松散，对工艺要求也较高。

⑧中国矿业大学侯朝炯教授等发明的ZKD型高水速凝材料是近年来研制的一种新型水泥类注浆材料，它可以速凝成具有一定强度的固结体，水灰比调节范围大，可以在高的水灰比条件下固结而不析水，浆液流动性好，渗透性好，材料本身固结后塑性好，具有微膨胀性，且成本较低，是一种性能优良的新型注浆材料。

第二节软岩动压巷道支护技术

一、软岩巷道的破坏形式及矿压特征

巷道围岩的破坏形式主要取决于岩体结构和地应力分布，按其诱发原因可分为两类：

①地质弱面或结构面诱发的破坏，可称为弱面型破坏。

表现形式为局部的节理块或楔状块体掉离顶板或巷帮；②地应力诱发的破坏，可称为应力型破坏。

表现为顶板下沉，两帮移进、底鼓或全断面来压。

巷道支护对围岩破坏有一定程度的影响，一般来说喷浆、金属支架、锚杆支护能够抑制弱面型破坏，这些支护能够增加帮顶的径向约束，以阻止围岩的进一步松动，因而单一类型的松散、软弱和破碎型软岩巷道维护难度相对较小，采用锚喷架等常规支护可以取得成功。

当这些软岩巷道受到构造应力或采动影响时即成为复合型软岩巷道，表现为应力型破坏，维护十分困难。

巷道地压基本上属于变形地压，局部岩层存在松散地压，膨胀性岩体内存在膨胀地压。

变形地压的产生是一个复杂的过程，它可能包括：

弹性恢复、塑性变形、粘塑性变形、破裂面的产生和沿结构面的挤压错动、膨胀岩体的遇水膨胀、空间效应等，由于岩性和岩体结构不同，各种变形及其对支护的影响也不同。

从软岩巷道变形的宏观表现看，有如下特点：

（1）来压快、压力强度大、持续时间长。

（2）压力分布不均匀。

地压分布与岩性和岩层结构及矿物组成、岩层产状及空间几何位置、岩石力学性质、工程因素等有关。

同一测量断面不同位置的支架载荷值相差可达10倍以上。

在层状软岩采准巷道中这种现象十分突出，常见由于偏心受压或集中载荷作用而使支架变形折损。

（3）塑性变形大，具有明显的流变性质，很容易产生松散地压。

由于围岩应力大，强度低，塑性变形量非常可观，长时间不能完成塑性变形。

由于维护不当，巷道周边位移在无约束或低约束状态下任意增大，变形地压转化为松散地压。

（4）具有明显的时间效应。

巷道围岩位移随时间变化的趋势是初期迅速增长，随后位移增加变缓，到一定阶段趋向稳定。

（5）巷道围岩变形具有明显的阶段性。

软岩巷道大量的井下实测都显现出变形的阶段性：

①掘巷之初的剧烈变形和应力调整阶段，随巷道围岩裂隙的发育，变形速