CN109488329A - 一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，包括以下步骤：S1：对现场顶板进行支护，防止顶板发生冒顶；S2：围岩进行预注浆，对浅部破碎围岩进行初步固定；S3：进行第一次围岩注浆；S4：在工作面回采动压影响过后进行第二次围岩注浆；S5：注浆后，补打注浆锚索；其中，在进行浅孔注浆时，水泥浆的水灰比为0.68‑0.72:1，注浆压力为4‑5MPa。

Description

一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法

技术领域

本公开一般涉及地下工程技术领域，尤其涉及一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法。

背景技术

安全、可靠的巷道支护技术是确保矿井正常生产的基础。近年来我国大型、特大型矿井逐年增加，厚煤层、特厚煤层放顶煤开采技术和厚煤层大采高技术的推广应用，在回采技术方面为建设高产高效矿井奠定了基础。但伴随开采技术发展和高瓦斯煤层开采，能够满足生产、运输及通风要求的巷道布置方式复杂化；设备规模不断扩大，导致巷道断面随之增加；一次采全厚的大采高工作面和综采放顶煤工作面，矿山压力显现剧烈，工作面回采过程中，对外围巷道造成频繁的动压冲击，随着采深的增加，巷道围岩的软岩特性也越来越明显，采接衔接越来越紧张，巷道和工作面回采的动压冲击叠加影响，对巷道稳定造成严重影响。特别是围岩软岩发育、淋水量大，更增加了巷道维护的难度。

煤矿巷道变形后，一般采用锚杆锚索补强、架设工字钢棚、混凝土浇筑等进行巷道维护，往往造成重复打设锚杆锚索、多次套棚和进行混凝土浇筑支护；特别是针对软岩破碎淋水巷道围岩，对于一般巷道的淋水情况，现场往往通过淋水自疏干的方式进行巷道水的排干，对于淋水量大的巷道围岩，巷道长期的淋水往往对支护构件造成长期的侵蚀，对支护造成严重影响。一般通过化学注浆的方式进行堵水，但化学注浆在使用过程中不仅成本高，而且存在的安全隐患多。工作面回采造成的动压冲击对巷道影响，现场往往通过补强的方式进行巷道维护，但巷道围岩破碎，造成锚杆锚索支护效果大大减弱。以上方式不仅不能从根本上解决巷道围岩的变形破坏问题，往往造成巷道的多次修复，效果不理想，施工成本过高等问题，当巷道围岩软岩特性发育，围岩破碎，频繁受动压冲击、淋水等因素叠加影响时，以往的方式往往不能解决巷道围岩的修复，而且在施工中存在较大的安全隐患，因此针对深部软岩动压冲击特大变形破碎淋水围岩巷道的综合治理技术，将是针对目前煤矿生产面临日益复杂的围岩条件，保证正常的生产，面临的首要问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，包括以下步骤：

S1：对现场顶板进行支护，防止顶板发生冒顶；

S2：围岩进行预注浆，对浅部破碎围岩进行初步固定；

S3：进行第一次围岩注浆；

S4：在工作面回采动压影响过后进行第二次围岩注浆；

S5：注浆后，补打注浆锚索；

其中，在进行浅孔注浆时，水泥浆的水灰比为0.68-0.72:1，注浆压力为4-5MPa。

所述S2前，先对围岩进行封闭，降低水对顶板的影响；

所述S2的预注浆中，预注浆孔的孔深为1800-2200mm，排距1.48-1.52m。

所述S3中，第一次围岩注浆的注浆孔的孔深为7000-9000mm。

其中，围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度7900-8100mm，帮部最上方一排8900-9100mm，底脚两帮6900-7100mm，孔间距1200-1300mm，排距1490-1510mm。

所述S3后，采用化学浆，对局部围岩堵水进行封堵，减小对围岩支护构件等的影响。

所述S4中，第二次围岩注浆的注浆孔深度为7000-9000mm。

其中，围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度7900-8100mm，帮部最上方一排8900-9100mm，底脚两帮6900-7100mm。孔间距1200mm-1300mm，排距3900-4100mm。

S5中，所述注浆后，进行扩巷，恢复巷道原有断面，之后补打所述注浆锚索，二次注浆；

S5后，对外露的锚杆和/或锚索支护构件进行防腐处理。

对于软岩动压冲击巷道进行二次加固和维修时单独采用锚杆支护或者棚子支护很难取得很好的支护效果。本申请实施例提供的深部巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，将锚固与注浆技术有机地结合在一起，是解决破碎围岩巷道支护的有效途径。针对永久工程加固需严格控制破碎围岩进一步变形的要求，在使用固结强度高、抗变形能力强的水泥浆液作为主要浆液进行注浆的基础上，采用水泥浆与水泥改性液相结合的注浆工艺，解决了水泥浆与围岩粘结力低、微裂隙渗透困难、重新开挖易造成围岩二次开裂的问题，获得了近似于原岩的围岩条件，充分恢复了破碎围岩结构完整性。

通过注浆后围岩结构窥视，围岩结构完整，巷道变形稳定。试验效果非常理想，提高了劳动效率，降低了工人劳动强度，大大降低了巷道的维护成本，原来重新维修一米巷道约2000元，注浆加固一米约600元，每米节约1400元，本申请实施例的巷道共计1900米，共节约266万元，提高了技术经济效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了实施例中水灰比为0.5:1时浆液在围岩中的扩散情况；

图2示出了实施例中水灰比为1:1时浆液在围岩中的扩散情况；

图3示出了实施例中巷道切向方向上注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系；

图4示出了实施例中巷道径向方向上注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系；

图5示出了实施例中水灰比为1:1时巷道径向方向上注浆压力衰减曲线；

图6示出了实施例中水灰比为1:0.5时巷道径向方向上注浆压力衰减曲线；

图7示出了实施例中水灰比为1:1时巷道切向方向上注浆压力衰减曲线；

图8示出了实施例中水灰比为1:0.5时巷道切向方向上注浆压力衰减曲线；

图9示出了实施例中不同加固方式下硐室围岩垂直应力分布图；

图10示出了实施例中原有支护下硐室围岩塑性圈

图11示出了实施例中单纯打锚索加固围岩塑性圈

图12示出了实施例中注浆后打锚索加固围岩塑性区

图13示出了实施例中注浆和未注浆的破碎围岩中锚索轴力图；

图14示出了实施例中巷道变形曲线图；

图15示出了实施例中巷道综合治理方案流程图；

图16示出了实施例中围岩综合注浆加固前塑性区域分布图；

图17示出了实施例中围岩综合注浆加固后塑性区域分布图；

图18示出了实施例中巷道表面位移曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1破碎巷道围岩加固作用机理分析

1.1注浆压力、水灰比与浆液扩散范围的关系

由于水泥浆液属于悬浮颗粒浆液，渗透性差，注浆压力和扩散范围很难掌握。并且水泥注浆是浅孔注浆，如果参数和操作不当的话，可能造成大范围劈裂注浆，使围岩破碎状况进一步恶化，甚至导致大面积冒顶、底臌事故。所以我们针对水泥浆液的浅孔注浆参数进行研究。

1.2建立数值计算模型

本申请实施例根据巷道的地质条件及位置关系，采用UDEC建立相应的数值计算模型，分析注浆过程中浆液扩散规律。根据单液水泥浆不同水灰比、不同注浆压力值，建立模型。模拟计算分为以下几个过程：1、在开挖之前，对模型四边进行固结，形成初始地应力场；2、对模型进行开挖，形成硐室，迭代至系统平衡；3、引入水力环境，进行浆液扩散规律分析；4对注浆之后锚索支护与围岩破碎后直接打锚索支护的效果分析。

图1-2为注浆压力保持在3MPa，水灰比分别为0.5：1及1：1情况下，浆液在巷道围岩中的扩散分布形态。在相同注浆压力下，当水灰比为0.5：1时，浆液扩散范围很小，浆液流量也很小，而水灰比为1：1的时候，浆液扩散范围迅速增加，浆液量也明显增多，说明水在浆液扩散过程中起到很重要的作用。

浆液在裂隙岩体中的实际扩散形态相当复杂，很难使它按照需要实行人工控制，在不发生劈裂的情况下，浆液是沿着岩体中的裂隙通道扩散，浆液基本上以注浆孔为对称中心向注浆段四周扩散，越远离注浆段浆液流量越小。在注浆压力作用下，浆液向巷道围岩表面破坏较严重段、裂隙发育较充分的地方扩散较为容易，浆液充填了围岩浅部孔隙、裂隙，达到了浅孔注浆目的。但是，为了防止注浆过程巷道围岩表面跑浆，一定要做好注浆前的围岩表面喷浆工作。

1.3 注浆压力、水灰比与浆液扩散范围之间的关系

对不同注浆压力、不同水灰比情况下的浆液扩散半径进行了计算，结果如图3-4所示。为了更好地分析浆液的扩散规律，将浆液扩散半径分为巷道切向方向和径向方向两个部分进行了分析研究。

图中注浆压力为1MPa情况下，水灰比为0.7时，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为0.9m、0.4m；当注浆压力升高到2MPa，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为1.4m、1.2m；注浆压力为3MPa时，巷道切向、径向方向上的浆液扩散半径分别为1.7m、1.6m。即注浆压力从1MPa升高到2MPa，巷道径向、切向浆液扩散半径增长幅度分别为55.6%、200%，注浆压力从2MPa升高到3MPa，巷道径向、切向浆液扩散半径增长幅度分别为21.4%、33.3%。注浆压力1MPa不变时，当水灰比从0.7增大到0.8时，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为1.2m、1m，巷道径向、切向浆液扩散半径增长幅度分别为33.3%、150%。注浆压力对浆液扩散半径的影响程度明显大于水灰比对浆液扩散半径的影响程度。

表1 浆液扩散半径随压力和水灰比增长的幅度

表1是浆液扩散半径随注浆压力和水灰比的增长而增长的幅度。可以看出注浆压力在4～5 MPa的时候，注浆压力对浆液扩散半径的影响程度已经明显下降，水灰比对浆液扩散半径的影响与注浆压力已经基本相当。

1.4 注浆压力在围岩中的衰减规律

在不同注浆压力、水灰比的情况下，注浆压力在围岩中的衰减曲线形状基本相似。随着浆液水灰比减小，注浆压力并不呈线性函数关系递减，注浆压力衰减的速度在增加；注浆压力和浆液扩散距离之间的关系，与二次抛物线函数基本相似。

如图5-6所示，在巷道围岩径向方向上，注浆压力在向巷道围岩表面方向衰减很快，而向围岩深部衰减则相对较慢。如图7-8所示，在巷道切向方向上，以注浆段为起点，注浆压力在注浆段两边围岩中的衰减规律基本一致，衰减曲线以注浆段为中心，两边基本对称。

1.5 注浆对围岩应力的影响

如图9所示，通过注浆后打锚索支护，浅部围岩应力得到了明显提高，表明注浆后打锚索使浅部围岩的承载能力显著加强。围岩高应力分布范围明显缩小，但围岩应力分布特征并没有形成明显的区别，从更大范围来看，注浆后打锚索将深部围岩应力转移至注浆后承载能力增强的浅部围岩，防止了深部围岩体的进一步破碎恶化。注浆后改善浅部破碎围岩体的结构，使深部围岩应力向围岩表面转移，这是注浆加固的一个很重要的作用。

1.6注浆对围岩塑性区的影响

不同加固方式下硐室围岩塑性区分布情况，如图10-12所示。

1.7 注浆后锚索加强支护作用分析

图13为注浆和未注浆的破碎围岩中锚索轴力图。由图13可以看出，左帮锚索受力相对于右帮较好，这是因为左帮破碎围岩进行了注浆，但是相对于原岩锚索受力不均匀，这是因为注浆浆液扩散不均匀，有些地方破碎围岩体胶结的好，有些地方差一些，但整体情况相对于右帮没有注浆处锚索的轴力有大幅度的提高。

由前面的表述已知，硐室的左帮是在注浆基础之上打锚索加固的，右帮和顶底板是在破碎围岩上直接打锚索加固的。左帮锚索受力明显好于其它位置的锚索，说明在破碎围岩体上注浆能够有效的提高锚索的作用。

2井下试验研究

2.1 巷道变形情况

通过现场查看S3-9 2#回风顺槽400m处位置发生了漏顶，冒顶范围约4m,高度达到2.5m。锚杆锚索发生破断，巷道直接顶岩石为泥岩，全部成块状破碎。现场调查过程中，工作面侧煤柱普遍变形严重，沿巷道挤出，部分位置存在较大坠包，钢丝网发生断裂。巷道顶板靠近巷帮侧锚杆挤入煤帮，巷道部分位置密闭墙因矿压影响，发生破裂。巷道冒顶位置两帮变形量都很小。

S3-9 2# 回风顺槽与S3-9工作面煤柱尺寸为30m,巷道沿顶板掘进。巷道直接顶为泥岩，平均厚度2.2m。巷道支护采用锚杆锚索联合支护，锚杆为500#让压锚杆，直径22mm，长度2400mm，锚索为1x7股，直径17.8mm。巷道漏顶区域，两帮变形量很小。锚杆锚索没有挤入现象，煤柱变形量也很小。巷道变形曲线图如图14所示。

2.2 巷道综合治理方案

因巷道受S3-9工作面回采动压影响，巷道变形仍将持续。且该巷道将作为下一采区的永久巷道使用。巷道综合治理方案如图15所示：

2.3 综合注锚加固数值模拟分析

对以上综合因素影响下软岩发育巷道的综合处理，首先是在是要在对巷道进行注浆加固的同时对巷道淋水进行封堵，才能形成较好的围岩注浆效果。水泥浆水灰比0.7:1，注浆压力4~5Mpa。

通过数值模拟可以看出：浆液有效的对巷道围岩中的裂隙进行了封堵，恢复了围岩的完整性，采用水泥化学双液浆，加速水泥浆液凝固，有效封闭了围岩淋水的通道。工作面回采后，通过水泥化学双液浆注浆，浆液扩散半径约12m，浆液的扩散在巷道两侧基本对称。围岩注浆加固前后塑性区域分布如图16-17所示。

注浆前工作面回采，造成巷道围岩塑性变形范围较大，巷道顶板和两帮主要为拉破坏，巷道煤柱侧破坏范围约15m ，煤柱侧变形大。注浆后，基本上没有发生拉破坏，只是煤柱侧巷道表面0.2m范围屈服，围岩破碎范围减小幅度为98.6%，说明通过注锚施工，围岩强度大大提高。

2.4.1水泥预注浆

巷道喷浆之前，先预留预注浆水泥孔，并留设注浆管，待喷浆后，对巷道进行预注浆，孔深2000mm，排距1.5m。

2.4.2 水泥注浆

第一次注浆孔布置: 围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度8000mm，帮部最上方一排9000mm，底脚两帮7000mm。孔间距1200mm-1300mm，排距1500mm。

第二次注浆布置：围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度8000mm，帮部最上方一排9000mm，底脚两帮7000mm。孔间距1200mm-1300mm，排距4000mm。

成孔：顶板及两帮上部排使用锚杆（锚索）钻机打孔，底角两排使用地质钻机打孔。

注浆方式：埋孔口注浆管，孔内下射浆管，射浆管长度7.5m、8.5m、6.5m，全长一次注浆。

注浆材料：单液水泥浆。

注浆压力：注浆终止压力3～5MPa。

2.5 综合治理评价

在巷道变形最严重（巷道最低点处）安装表面位移测站，对综合注锚加固效果进行监测，方案开始实施时，每两天测量1次，共测量9次，后期每7天测量一次，巷道表面位移曲线如图18所示。

窥视结果表明，工作面开挖造成的围岩裂隙发育，淋水严重。通过注浆锚固综合加固后，围岩恢复完整，强度显著提高。通过注浆并打设注浆锚索后，巷道塑性区大大减少，顶底板最大移近量20mm，两帮最大移近量30mm。通过围岩结构检测，围岩完整，巷道变形稳定，保证了巷道安全。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对现场顶板进行支护，防止顶板发生冒顶；

S2：围岩进行预注浆，对浅部破碎围岩进行初步固定；

S3：进行第一次围岩注浆；

S4：在工作面回采动压影响过后进行第二次围岩注浆；

S5：注浆后，补打注浆锚索；

其中，在进行浅孔注浆时，水泥浆的水灰比为0.68-0.72:1，注浆压力为4-5MPa。

2.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，所述S2前，先对围岩进行封闭，降低水对顶板的影响；

根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，所述S2的预注浆中，预注浆孔的孔深为1800-2200mm，排距1.48-1.52m。

3.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，所述S3中，第一次围岩注浆的注浆孔的孔深为7000-9000mm。

4.根据权利要求4所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，其中，围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度7900-8100mm，帮部最上方一排8900-9100mm，底脚两帮6900-7100mm，孔间距1200-1300mm，排距1490-1510mm。

5.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，所述S3后，采用化学浆，对局部围岩堵水进行封堵，减小对围岩支护构件等的影响。

6.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，所述S4中，第二次围岩注浆的注浆孔深度为7000-9000mm。

7.根据权利要求7所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，其中，围岩注浆帮部及顶板注浆孔深度7900-8100mm，帮部最上方一排8900-9100mm，底脚两帮6900-7100mm。

8.孔间距1200mm-1300mm，排距3900-4100mm。

9.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，S5中，所述注浆后，进行扩巷，恢复巷道原有断面，之后补打所述注浆锚索，二次注浆。

10.根据权利要求1所述的一种深部软岩巷道大变形破碎淋水围岩治理方法，其特征在于，S5后，对外露的锚杆和/或锚索支护构件进行防腐处理。