巷道滯后注漿圍巖控制理論與實踐

1.概述1.1注漿技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀采礦工程師應(yīng)用注漿技術(shù)已有一個多世紀(jì)的歷史，1864年首創(chuàng)水泥注漿法，1885年鐵琴斯(Tietjens)成功采用地面預(yù)注漿開鑿井筒，獲得專利權(quán)；20世紀(jì)初注漿技術(shù)應(yīng)用到井下巷道，此后注漿法在礦井建設(shè)中作為防治水和改善工程地質(zhì)條件的重要方法，先后在英國、法國、南非和蘇聯(lián)得到廣泛應(yīng)用。比較有名的注漿工程如：巴黎地鐵奧柏(Auber)車站注漿、橫跨尼羅河的阿斯旺(AswanDam)水壩防滲注漿、日本青函隧道圍巖預(yù)注漿等，其目的主要是防滲和堵水，客觀上也起到穩(wěn)定工程結(jié)構(gòu)及圍巖的作用。近數(shù)十年來，注漿技術(shù)在巖土工程實踐中獲得了更廣泛的應(yīng)用，已研制開發(fā)出多種注漿方法和上百種注漿材料，滿足了很多復(fù)雜地質(zhì)條件的工程要求，并積累了豐富的經(jīng)驗，逐漸發(fā)展成為一個相對獨立的研究方向。1989年國際巖石力學(xué)學(xué)會成立注漿委員會，1991年我國在廣州舉行全國灌漿會議，并成立了中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會巖石錨固與注漿技術(shù)專業(yè)委員會，加強了理論研究和技術(shù)交流。但由于巖土介質(zhì)的極端復(fù)雜，裂隙巖體的滲流理論尚不夠成熟，注漿工程常常依賴于經(jīng)驗，大型注漿工程技術(shù)參數(shù)只能依賴于反復(fù)的現(xiàn)場調(diào)試和監(jiān)測，其中注漿固結(jié)體的力學(xué)性質(zhì)、漿液流動時的力學(xué)過程以及注漿參數(shù)設(shè)計等理論問題，尤其缺乏系統(tǒng)完整的研究與論述。這些問題影響到注漿效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高，甚至造成人力、物力的浪費，其總體研究水平與其他巖土工程技術(shù)相比尚處于初級階段。在我國煤礦的井巷施工中，注漿技術(shù)早在20世紀(jì)50年代就有較多的應(yīng)用，東北鶴崗礦區(qū)、雞西礦區(qū)和山東淄博礦區(qū)首先采用井壁注漿封堵井筒漏水，隨后山東新汶礦區(qū)張莊立井采用工作面預(yù)注漿取得良好堵水效果。20世紀(jì)60年代以后注漿法有了很大發(fā)展，在礦井中已將注漿用于堵水、滅火、密封(瓦斯)以及對軟土和構(gòu)造破碎巖層進(jìn)行加固，處理圍巖冒落坍塌事故，進(jìn)行巷道修復(fù)等方面的工作。20世紀(jì)80年代以來，由于現(xiàn)代支護(hù)理論的發(fā)展和注漿技術(shù)的進(jìn)步，以支護(hù)為目的的巷道圍巖注漿在蘇聯(lián)、德國等地開始研究和推行，我國同期也在復(fù)雜和不良巖體內(nèi)的巷道工程中采用過注漿加固技術(shù)。典型的實例有：金川竦礦用后注漿法加固巷道取得良好效果；山東龍口礦區(qū)采用注漿加固與錨噴支護(hù)或錨噴架聯(lián)合支護(hù)治理軟巖取得實效；徐州旗山礦應(yīng)用錨注支護(hù)技術(shù)維護(hù)巷道取得成功；撫順礦區(qū)采用卸壓加固注漿獲得成功；徐州礦務(wù)局權(quán)臺煤礦在v類回采巷道中采用圍巖注漿與錨架聯(lián)合支護(hù)取得成功，淮北礦務(wù)局朱仙莊煤礦、蘆嶺煤礦的新掘巖巷、修復(fù)巖巷和煤巷中應(yīng)用滯后注漿加固技術(shù)控制圍巖變形取得明顯效果。注漿材料也從水泥漿發(fā)展到多種化學(xué)漿、水泥一水玻璃漿。因此，從歷史發(fā)展看，注漿多用于巖土工程的堵水、防滲與加固，主要是一門與地下水害作斗爭的工程技術(shù)。煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)目前僅作為一項特殊的手段，主要用于如下兩種情況：為提高掘進(jìn)頭及掘進(jìn)工作面前方煤和巖體的穩(wěn)定性，短期加固煤巖體，便于安全掘進(jìn)和支護(hù)，從時間上可分為預(yù)注漿和隨開挖及時注漿，由于巷道開挖工程擾動和初期的劇烈變形，注漿加固區(qū)很快出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，對長期維護(hù)的作用不大，為提高已掘完和被支護(hù)巷道松動巖體的穩(wěn)定性，對破壞巖體進(jìn)行滯后注漿加固，注漿加固體參與圍巖穩(wěn)定過程，并成為圍巖承載結(jié)構(gòu)的一部分，達(dá)到長期穩(wěn)定巷道圍巖、限制圍巖變形的支護(hù)目的。第一種情況主要用于原始工程地質(zhì)條件惡劣時，注漿的目的是為施工創(chuàng)造條件，防止冒落和滲水；第二種情況為滯后注漿方式，目的是控制圍巖變形。從控制巷道圍巖變形的實際效果出發(fā)，在巷道掘進(jìn)后周圍形成破壞區(qū)時，應(yīng)用注漿加固作為維護(hù)巷道穩(wěn)定性的手段最有效。本項目針對滯后注漿問題開展研究，其特點主要為滯后加固注漿是在巷道開挖后的圍巖變形過程中實施的，參與巷道變形與穩(wěn)定過程，以控制圍巖變形為目的。1.2注漿理論研究近幾十年來一般巖土注漿理論發(fā)展較快，成果主要集中在巖土介質(zhì)中漿液流動規(guī)律及巖土體的可注性，裂隙充填物對流動和圍巖穩(wěn)定性的影響，平面裂隙接觸面積對裂隙滲透性的影響，仿天然巖體的裂隙滲流實驗等方面，但應(yīng)用較多的仍然是滲透注漿理論和劈裂注漿理論。滲透注漿理論近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對滲透注漿法進(jìn)行了較多的理論與實驗研究，發(fā)展了一些滲透注漿理論，包括馬格(球形擴散)理論、柱形擴散理論、卡羅爾理論、拉夫萊理論和袖套管法理論等。馬格理論假設(shè)被注體為均質(zhì)各向同性體，漿體在地層中呈球形擴散，并給出牛頓體注漿壓力、注漿時間、擴散半徑和注漿量等重要理論公式，該理論是以鉆桿端部點注漿為基礎(chǔ)建立起來的，既有普遍的適用性，又有很大的局限性。柱形擴散理論是以注漿管體的一部分為注漿過濾段，它與馬格理論有類似的假設(shè)，導(dǎo)出了注漿時間、擴散半徑和注漿量的公式。劈裂注漿理論劈裂注漿理論認(rèn)為在注漿壓力作用下，漿液可以克服地層的切應(yīng)力和抗拉強度，使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面發(fā)生劈裂，漿液便沿此劈裂面滲入和擠密地層體，并在其中產(chǎn)生化學(xué)加固作用，漿脈形成骨架。我國在這方面的研究較多，并對基巖、砂層和粘性土層劈裂注漿時的劈裂條件作了充分研究，認(rèn)為在均質(zhì)軟弱地層中首先產(chǎn)生豎向裂隙，在層狀軟巖中首先產(chǎn)生水平裂隙。這些成果具有較好的理論指導(dǎo)意義，但在定量應(yīng)用上受到較大限制。由于注漿介質(zhì)的復(fù)雜性和工程的隱蔽性，注漿理論研究難以開展，其研究水平不僅嚴(yán)重滯后于注漿工程實踐和注漿材料的發(fā)展要求，而且嚴(yán)重滯后于一般工程技術(shù)研究的發(fā)展水平。大多數(shù)注漿工程報道或論文中，只介紹注漿施工工藝過程及注漿效果，很少進(jìn)行注漿理論分析研究，已有的結(jié)論也主要是基于宏觀的和感性的認(rèn)識，缺乏具體的、定量的測試分析，在細(xì)觀、微觀層次上的研究明顯不足。1.3注漿實驗研究注漿實驗多結(jié)合室內(nèi)模擬實驗開展，主要研究注漿參數(shù)及其影響因素之間的關(guān)系，國內(nèi)外常用的有平板式、圓管式、槽式模擬實驗臺，通過調(diào)節(jié)裂隙張開度、長度、粗糙度等參數(shù)研究滲流規(guī)律，分析注漿參數(shù)等。注漿參數(shù)主要有漿液擴散半徑R、注漿壓力P、注漿量Q和凝結(jié)時間T等，影響因素主要有被注巖土的滲透率k、漿液初始粘度u、注漿時間t等。蘇聯(lián)和我國學(xué)者通過實驗研究得出有關(guān)注漿參數(shù)經(jīng)驗公式。國內(nèi)學(xué)者利用特制的實驗裝置和測試系統(tǒng)對漿液滲流壓力分布情況進(jìn)行過測試，并通過回歸分析得出滲透壓力按二次拋物線規(guī)律衰減。國內(nèi)外較著名的注漿參數(shù)模擬實驗有：蘇聯(lián)學(xué)者在實驗室進(jìn)行過砂質(zhì)巖層中漿液擴散參數(shù)模擬實驗研究，以確定注漿參數(shù)與被加固的巖體性質(zhì)、漿液特性之間的關(guān)系；奧地利學(xué)者模擬了不同開度的平面裂隙中的漿液流動規(guī)律；國內(nèi)的注漿模擬實驗裝置有水利水電科學(xué)院的平板型、煤炭科學(xué)院的圓管型和東北大學(xué)的槽型及扁圓柱型等實驗臺，利用這些裝置可以研究巖層裂隙注漿和多孔介質(zhì)注漿的模擬實驗。由于模擬條件與實際地層結(jié)構(gòu)有較大差距，裂隙、孔隙狀態(tài)參數(shù)、介質(zhì)粒度等模擬參數(shù)均與實際條件難以吻合，而且常常僅能模擬單一裂隙，因此模擬出的漿液流動特征及其規(guī)律與實際情況相差較大，今后的發(fā)展方向是進(jìn)一步仿真模擬，以縮小這種差距，指導(dǎo)具體的注漿工程實踐。1.4注漿工藝和參數(shù)研究注漿工藝是研究在不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，根據(jù)施工對象(井筒或巷道)的技術(shù)特征、工程性質(zhì)和施工要求等，所采取的不同注漿方案和施工方法，以及完成注漿工作全過程的作業(yè)程序和操作要領(lǐng)。注漿工藝復(fù)雜多變，針對性很強，而注漿參數(shù)是影響和確定注漿工藝的最重要因素之一，一直是注漿技術(shù)和注漿效果研究的一項主要內(nèi)容。其注漿參數(shù)包括如下幾項：注漿壓力注漿壓力是漿液在巖土中擴散的動力，受工程地質(zhì)條件、注漿方法和注漿材料等因素的影響和制約。國內(nèi)外對確定注漿壓力值持兩種截然相反的原則：一是盡可能提高注漿壓力；二是盡可能用低壓注漿。這兩種觀點各有利弊，對不同的工程有不同的指導(dǎo)意義。一般來說，化學(xué)注漿比水泥注漿時壓力要小得多，淺部注漿比深部注漿壓力要小，滲透系數(shù)大的地層比滲透系數(shù)小的地層注漿壓力要小。堵水與防滲工程中水壓的影響十分顯著，煤礦地面立井預(yù)注漿壓力一般為靜水壓力的2.0?2.5倍。水壩注漿壓力一般為1?3MPa，淺表地層注漿壓力一般為0.2?0.3MPa，地下隧道和巷道圍巖主漿壓力最大可達(dá)6MPa，最小值在1MPa。.擴散半徑擴散半徑的影響因素甚多，它隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙開度、注漿壓力、漿液流動特征、注入時間等因素的變化而不同，它決定著注漿工程量和工程進(jìn)度，常用一些理論或經(jīng)驗公式估算，但最終往往仍需通過試驗確定。.凝膠時間凝膠時間是漿液本身的特征，不同的注漿工程可能要求漿液凝膠時間在幾秒到幾小時的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并能準(zhǔn)確控制。幾種典型漿液的凝膠時間據(jù)文獻(xiàn)［27］、［28］為：單液水泥漿從幾十分鐘到十幾小時，水泥一水玻璃雙液漿從幾秒到幾十分鐘，高水速凝材料從幾分鐘到幾十分鐘。1.3注漿材料研究。常用的水泥類材料可分為三類：①以水泥或在水泥中加人一定量的附加劑為原料，用水配制成漿液，采用單液系統(tǒng)注入。試驗表明，水泥漿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徑為0.085mm,在一般的壓力下只能注入最小寬度為0.255mm的空隙中。雖然這種漿液存在顆粒粗、可注性差、凝結(jié)時間長且不易控制、漿液易沉淀析水和結(jié)石率低等缺點，但它來源廣、價格低、結(jié)石體強度高，因而被廣泛采用。②以水泥和水玻璃為主劑，按一定比例，采用雙液方式注入，其結(jié)石率較高，可注性比水泥好，凝結(jié)時間短且易控制，但結(jié)石體強度較低，如控制不好經(jīng)過一段時間后結(jié)石體易松散，對工藝要求也較高。⑧中國礦業(yè)大學(xué)侯朝炯教授等發(fā)明的ZKD型高水速凝材料是近年來研制的一種新型水泥類注漿材料，它可以速凝成具有一定強度的固結(jié)體，水灰比調(diào)節(jié)范圍大，可以在高的水灰比條件下固結(jié)而不析水，漿液流動性好，滲透性好，材料本身固結(jié)后塑性好，具有微膨脹性，且成本較低，是一種性能優(yōu)良的新型注漿材料。第二節(jié)軟巖動壓巷道支護(hù)技術(shù)一、軟巖巷道的破壞形式及礦壓特征巷道圍巖的破壞形式主要取決于巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力分布，按其誘發(fā)原因可分為兩類：①地質(zhì)弱面或結(jié)構(gòu)面誘發(fā)的破壞，可稱為弱面型破壞。表現(xiàn)形式為局部的節(jié)理塊或楔狀塊體掉離頂板或巷幫；②地應(yīng)力誘發(fā)的破壞，可稱為應(yīng)力型破壞。表現(xiàn)為頂板下沉，兩幫移進(jìn)、底鼓或全斷面來壓。巷道支護(hù)對圍巖破壞有一定程度的影響，一般來說噴漿、金屬支架、錨桿支護(hù)能夠抑制弱面型破壞，這些支護(hù)能夠增加幫頂?shù)膹较蚣s束，以阻止圍巖的進(jìn)一步松動，因而單一類型的松散、軟弱和破碎型軟巖巷道維護(hù)難度相對較小，采用錨噴架等常規(guī)支護(hù)可以取得成功。當(dāng)這些軟巖巷道受到構(gòu)造應(yīng)力或采動影響時即成為復(fù)合型軟巖巷道，表現(xiàn)為應(yīng)力型破壞，維護(hù)十分困難。巷道地壓基本上屬于變形地壓，局部巖層存在松散地壓，膨脹性巖體內(nèi)存在膨脹地壓。變形地壓的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程，它可能包括：彈性恢復(fù)、塑性變形、粘塑性變形、破裂面的產(chǎn)生和沿結(jié)構(gòu)面的擠壓錯動、膨脹巖體的遇水膨脹、空間效應(yīng)等，由于巖性和巖體結(jié)構(gòu)不同，各種變形及其對支護(hù)的影響也不同。從軟巖巷道變形的宏觀表現(xiàn)看，有如下特點：來壓快、壓力強度大、持續(xù)時間長。壓力分布不均勻。地壓分布與巖性和巖層結(jié)構(gòu)及礦物組成、巖層產(chǎn)狀及空間幾何位置、巖石力學(xué)性質(zhì)、工程因素等有關(guān)。同一測量斷面不同位置的支架載荷值相差可達(dá)10倍以上。在層狀軟巖采準(zhǔn)巷道中這種現(xiàn)象十分突出，常見由于偏心受壓或集中載荷作用而使支架變形折損。塑性變形大，具有明顯的流變性質(zhì)，很容易產(chǎn)生松散地壓。由于圍巖應(yīng)力大，強度低，塑性變形量非?？捎^，長時間不能完成塑性變形。由于維護(hù)不當(dāng)，巷道周邊位移在無約束或低約束狀態(tài)下任意增大，變形地壓轉(zhuǎn)化為松散地壓。具有明顯的時間效應(yīng)。巷道圍巖位移隨時間變化的趨勢是初期迅速增長，隨后位移增加變緩，到一定階段趨向穩(wěn)定。巷道圍巖變形具有明顯的階段性。軟巖巷道大量的井下實測都顯現(xiàn)出變形的階段性：①掘巷之初的劇烈變形和應(yīng)力調(diào)整階段，隨巷道圍巖裂隙的發(fā)育，變形速度快速衰減，同時圍巖變形量增長很快。②二次應(yīng)力場初步形成，破裂范圍趨向穩(wěn)定的穩(wěn)定變形階段，圍巖變形速度基本保持一致，位移量表現(xiàn)為緩慢增長。③應(yīng)力擾動、圍巖長時強度降低、采動影響等導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性降低，圍巖進(jìn)一步表現(xiàn)出加速變形的特征。當(dāng)圍巖極其軟弱、高地應(yīng)力作用、支護(hù)選型不合理和初期的松動破壞范圍大時，可能導(dǎo)致第二階段不明顯，或幾乎沒有穩(wěn)定變形階段。事實上第二階段的相對穩(wěn)定在很大程度上取決于第一階段的支護(hù)及圍巖所能保持的承載性能。從巷道開挖后圍巖的破壞及應(yīng)力調(diào)整規(guī)律看，階段性特征是始終存在的。二、軟巖巷道支護(hù)原理與技術(shù).軟巖巷道支護(hù)原理目前軟巖巷道支護(hù)理論較多，一般都是從如下三方面不同程度地回答巷道與支護(hù)圍巖的關(guān)系：①圍巖的賦存特點；②圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及控制；③支護(hù)的作用。彈塑性理論按圍巖的賦存及應(yīng)力特征將圍巖進(jìn)行了合理的分區(qū)，并提出支架與圍巖相互作用關(guān)系曲線，認(rèn)為支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膹姸群鸵欢ǖ目煽s量。松動圈支護(hù)方法研究了巷道淺部破裂松動范圍及特點，認(rèn)為巷道圍巖松動圈厚度能夠綜合反映圍巖支護(hù)難易程度，并提出松動圈分類表及相應(yīng)的錨噴支護(hù)數(shù)和工藝方法。加固承載圈原理主要解釋了支護(hù)的作用，有兩種：①直接作用周邊淺部圍巖，并作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一部分，以改善圍巖力學(xué)性能，提高圍巖強度，形成主動式加固承載圈，比如錨桿支護(hù)，巷道圍巖注漿加固技術(shù)；②通過提供邊徑向約束力，改善淺部圍巖的受力狀態(tài)，并承擔(dān)松散巖體的重量，形成被動加固承載圈，比如砌圈、金屬支架等支護(hù)形式。二次支護(hù)理論認(rèn)為，由于軟巖變速度快、變形量大、變形時間長，且隨掘巷立即支護(hù)恰逢圍巖劇烈變形，一次支成巷，其永久支護(hù)不能適應(yīng)軟巖變形特征，難以實現(xiàn)圍巖長期穩(wěn)定，而根據(jù)圍變形的動態(tài)觀測，確定二次支護(hù)時間，采用二次支護(hù)，可以達(dá)到最佳支護(hù)效果。力控制理論與二次支護(hù)理論相近，強調(diào)利用圍巖的自穩(wěn)能力，充分釋放圍巖力，使圍巖二次應(yīng)力小于圍巖強度。新奧法是充分利用和調(diào)動巷道圍巖強度、自身承載能力，根據(jù)巖石力學(xué)及圍巖支護(hù)共同作用原理制定的一套完整的地下工程設(shè)計、施工、支護(hù)、監(jiān)測新方該方法主要包括以下內(nèi)容：把圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)看成統(tǒng)一的相互作用相互支護(hù)共同承載體，最大限度地保持和調(diào)動圍巖的原有強度，充分利用圍巖的自身承載能力；提出以錨噴支護(hù)為主體的兩次支護(hù)的概念；建立了地下工程施工的量測體制，對圍巖位移和支護(hù)受力狀態(tài)始終進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)行信息反饋，評價支護(hù)效果，調(diào)整支護(hù)參數(shù)。新奧法明確提出并強調(diào)保持圍巖強度，利用圍巖自承能力及兩次支護(hù)和觀測反饋的思想已作為軟巖巷道維護(hù)的基本原理成為共識，但是它更多地指出了應(yīng)當(dāng)遵循的支護(hù)理念，而對于如何從技術(shù)上實現(xiàn)并不明確。軟巖工程力學(xué)理論從軟巖強度和工程力的對立統(tǒng)一關(guān)系中分析把握軟巖的相對性實質(zhì)，提出支護(hù)過程原則、塑性圈原則，提出的圍巖分類及復(fù)合型變形力學(xué)機制向單一型變形力學(xué)機制轉(zhuǎn)化的思想及技術(shù)對軟巖維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。還有其他一一支護(hù)原理和方法，這些成果從不同的側(cè)面和不同特點所做的總結(jié)，都具有可取之處。巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力是客觀存在的，對特定的工程而言，巷道圍巖條件選擇余地很少，而支護(hù)及工程施工對巷道圍巖穩(wěn)定性的作用則具有主觀性，屬于能動的因素。巷道圍巖控制理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已表明，采用先進(jìn)、科學(xué)的維護(hù)技術(shù)能夠改善或保持圍巖的穩(wěn)定性，滿足工程要求。.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)20世紀(jì)80年代以后，巷道圍巖控制技術(shù)快速發(fā)展，對支護(hù)與圍巖的關(guān)系認(rèn)識更加深入，圍巖不僅被看作是傳遞和產(chǎn)生載荷的介質(zhì)，同時也是與各種在其內(nèi)部或外部支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)物構(gòu)成統(tǒng)一的、相互作用的共同承載體。軟巖巷道維護(hù)是支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用的過程，其變形與破壞不僅表現(xiàn)為巖石材料的變形破壞，更主要的表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的變形與失穩(wěn)，軟巖結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)在工程中占主導(dǎo)地位，控制并允許有限制的圍巖變形以滿足工程需要是支護(hù)的惟一目的。因此加固圍巖以改善和提高圍巖本身的力學(xué)性能已成為支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主流，因而巷道圍巖注漿加固技術(shù)的發(fā)展也就成為必然。從支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系和實質(zhì)來看，巷道支護(hù)技術(shù)可分為三個層次：(1)通過提供外力的方式直接作用于巷道圍巖的表面，如支架、碹體。(!)碹體支護(hù)。利用水泥砂漿粘結(jié)料石組成拱形或封閉形狀的承載體，被動承受因圍巖變形而產(chǎn)生的壓力，大量的實踐表明，碹體只是在一定的圍巖載荷方式下才能表現(xiàn)出較高的強度和承載力，而隨著開采深度的增加，暴露的問題日益突出，部分軟巖礦井采用雙層乃至三層碹體加固仍不能滿足要求，短時間維護(hù)即遭破壞。因而不適應(yīng)軟巖高地應(yīng)力或復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)要求。②金屬支架。常用的有工字鋼梯形支架和。形鋼拱形可縮支架。普通支架為剛性支護(hù)，支撐力小，不適應(yīng)軟巖變形，改進(jìn)的雙向(或單向)可縮的工字鋼梯形支架可縮性能大大提高，但整體的支撐性能仍較差；。形鋼拱形可縮支架具有較強的可縮性能和一定的支撐能力，但其力學(xué)性能受連接件性能和壁后充填程度等因素影響很大，在高應(yīng)力、側(cè)向大變形和嚴(yán)重底鼓的巷道中適應(yīng)性較差，封閉形u形鋼支架(圓形、方環(huán)形和長環(huán)形)強化了支架對兩側(cè)及底板的約束能力，但施工復(fù)雜，成本高。剛性支架通過產(chǎn)生被動的徑向約束力來平衡圍巖的變形壓力，減少圍巖變形；可縮支架則有利于實現(xiàn)支讓平衡，對軟巖的適應(yīng)性大大提高，但隨著采深的加大，需加大架形，支護(hù)費用增加很多，支護(hù)效果卻得不到明顯改善。實踐已經(jīng)證明，單純依靠加大型鋼重量已不適應(yīng)煤礦深井支護(hù)的要求。不僅能提供施加于巷道表面的力，而且能與巷道圍巖內(nèi)部建立某種相互作用關(guān)系，如錨桿、錨索等。常用的是錨噴支護(hù)，它是由金屬材料等加工而成的桿狀物體，用水泥藥卷、樹脂藥卷或水泥砂漿等粘結(jié)材料，以端錨、部分長度錨固和全長錨固的形式直接作用于巷道周邊一定范圍內(nèi)的巖體，約束桿體周圍巖體的相對變形，常和圍巖表面噴射混凝土結(jié)合，具有及時性、密貼性、封閉性和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，被廣泛采用。其中應(yīng)用較多的是水泥端錨錨桿，因施工質(zhì)量受人為因素影響較多，安裝質(zhì)量難以保證，在軟巖巷道中應(yīng)用，其可靠性、安全性及支護(hù)效果都不理想，實用性較差；近期發(fā)展起來的高強樹脂錨固螺紋鋼錨桿克服了以上缺點，在深井軟巖中應(yīng)用取得了較好的效果，發(fā)展?jié)摿Υ?。直接作用于巷道圍巖結(jié)構(gòu)本身，可根本改善圍巖性狀，提高圍巖力學(xué)性質(zhì)，比如圍巖注漿加固。以上所述實際上是逐漸提高的三個層次，按照現(xiàn)代軟巖控制思想，采用的層次越高，維護(hù)巷道的效果越好，越能充分發(fā)揮和調(diào)動圍巖自身的承載能力。目前錨桿支護(hù)系列受到廣泛的重視，并在深井、軟巖等復(fù)雜條件的巷道中開始應(yīng)用，巷道圍巖注漿加固技術(shù)則剛剛開始，但已顯示出了較大的優(yōu)越性，發(fā)展前景廣闊。還應(yīng)當(dāng)提及的是聯(lián)合支護(hù)，它是由兩種以上單一支護(hù)形式的結(jié)合，一般多采用不同性能的單一支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)，以便發(fā)揮各自的性能，彌補不足，共同作用，促使圍巖穩(wěn)定。目前聯(lián)合支護(hù)已成為軟巖支護(hù)的一個基本原則，常用的有錨噴支護(hù)、錨噴與金屬支架聯(lián)合支護(hù)和。形鋼支架與噴層聯(lián)合支護(hù)，并已有很多成功的實踐。第三節(jié)巷道圍巖注漿控制技術(shù)的特殊性一、巷道注漿圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)的現(xiàn)狀由于巷道圍巖和變形破壞是持續(xù)發(fā)展的，因而注漿固結(jié)作用必定參與巷道圍巖的穩(wěn)定過程，利用注漿材料充填和固結(jié)原有的或新產(chǎn)生的裂隙面，為巷道圍巖的進(jìn)一步穩(wěn)定提供更好的圍巖條件，符合現(xiàn)代軟巖巷道圍巖控制理論。但有針對性的具體深入的研究仍很少，多數(shù)停留在對巷道圍巖注漿加固機理的宏觀總結(jié)上，有的也涉及到考慮圍巖動態(tài)變形的注漿時機和注漿參數(shù)，現(xiàn)分別介紹如下。1.對巷道圍巖注漿加固機理的認(rèn)識提高巖體強度改善弱面的力學(xué)性能，即提高裂隙的粘聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。很多文獻(xiàn)通過現(xiàn)場直接測試和實驗室實驗，分析比較了注漿前后的巖體力學(xué)性能，不同巖體力學(xué)指標(biāo)的改善程度及影響因素。其中文獻(xiàn)［38］對二灘拱壩壩基弱風(fēng)化巖體灌漿加固效果進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究：目測裂隙被水泥漿充填數(shù)的比例為5.1%?34.8；聲波測試表明灌漿前聲波傳播速度分散，灌漿后有明顯提高且分布均勻，巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)減弱；巖體強度改善與灌漿前巖體質(zhì)量有關(guān)；鉆孔變形和承壓板中心法試驗表明，風(fēng)化正長巖變形模量提高55?60%，甚至一到兩倍；彈性模量提高28.1%；結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能和抗剪強度實驗表明粘聚力和內(nèi)摩擦角都有不同程度的提高，剛度和抗剪強度都得到改善，其中剛度更為明顯。蘇聯(lián)學(xué)者對后注漿加固圍巖的力學(xué)過程進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場測試，結(jié)果表明注漿后巖石的粘聚力增加了40%?70%，平均增加50%，從而提高了巷道的穩(wěn)定性。據(jù)蘇聯(lián)、法國、西班牙和意大利等國有關(guān)資料報道，注漿加固使砂巖強度增加50%?70%，粉砂巖和泥質(zhì)巖強度增加3倍，粘聚力提高40%?70%，巖體靜彈模提高22%?37.5%，動彈模提高4.5%?17.5%，地震波速提高14%?53%。(2)形成承載結(jié)構(gòu)破碎松散巖體中巷道實施注漿加固，可以使破碎巖塊重新膠結(jié)成整體，形成承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，并與巷道支架共同作用，從而減輕支架承受的載荷。相關(guān)研究表明，圍巖注漿加固使巷道支架載荷降低2/3?4/5,圍巖與支架一起變形時支架載荷可降低3/4?5/6。根據(jù)撫順龍鳳礦深井軟巖巷道卸壓加固效果的有限元分析，注漿加固可明顯改善圍巖應(yīng)力分布，大大減少圍巖變形。改善賦存環(huán)境軟巖巷道圍巖注漿后，漿液固結(jié)體封閉裂隙，阻止水氣浸入內(nèi)部巖體，防止水害和風(fēng)化，對保持圍巖力學(xué)性質(zhì)、實現(xiàn)長期穩(wěn)定意義重大。2.對巷道圍巖注漿參數(shù)的認(rèn)識巷道圍巖注漿參數(shù)除了上述幾個參數(shù)外，還有注漿時機、注漿加固深度等需要特殊考慮的參數(shù)，它們與巷道圍巖變形和穩(wěn)定性相關(guān)，目前研究較少。文獻(xiàn)針對巷道圍巖注漿加固的特殊規(guī)律，明確提出滯后注漿時間是一項主要技術(shù)參數(shù)，并詳細(xì)分析了滯后時間的確定方法及影響因素，初步建立了滯后注漿穩(wěn)定圍巖的基本框架。此外還分析了注漿加固深度、注漿壓力等巷道圍巖注漿加固參數(shù)的確定原則。二、巷道圍巖注漿控制技術(shù)的特點作為注漿加固的對象，巷道圍巖在不同的工程地質(zhì)條件下的破裂變形特征及演變規(guī)律是研究巷道圍巖滯后注漿穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，因而應(yīng)首先把握軟巖巷道圍巖的賦存狀態(tài)。.注漿的對象是巷道淺部的破裂巖體軟巖巷道周邊圍巖產(chǎn)生大變形、大位移和嚴(yán)重底鼓等現(xiàn)象表明，巷道周邊較大范圍內(nèi)的巖體在地應(yīng)力作用下進(jìn)入破裂狀態(tài)，巖體峰后力學(xué)性能表現(xiàn)突出。地下工程的特殊性也使人們認(rèn)識到軟巖巷道圍巖破裂圈是客觀存在的，巷道的礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為破裂后巖體的力學(xué)行為。因而只有對軟巖巷道圍巖的破裂發(fā)展過程和破裂后的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行深入研究，才可能揭示軟巖巷道的變形機理，并指導(dǎo)軟巖巷道圍巖控制技術(shù)。自1938年O?G.Kien和J.A.Maldari利用普通實驗機附加剛性組件首次獲得巖石單軸全應(yīng)力應(yīng)變曲線以來，特別是電液伺服(控制)試驗機(servo—Controltestingsystem)的出現(xiàn)，使人們對巖石的本質(zhì)特征有了更接近真實的認(rèn)識。一些專家學(xué)者對巖石破裂后的強度特征進(jìn)行了許多有益的探討，這些認(rèn)識主要是基于巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線。20世紀(jì)60年代以來，剛性試驗機和伺服試驗機的應(yīng)用日漸增多，已對巖塊單軸壓縮全過程進(jìn)行過眾多實驗，在巖性實驗研究的指導(dǎo)思想上更注意仿真地下工程巖體的實際受力狀態(tài)，特別注重研究破裂巖體或巖石破壞后的力學(xué)性能［41,42,43］。軟巖力學(xué)問題研究也集中于外力作用下破裂巖體的變形和持續(xù)破壞規(guī)律，這是巷道圍巖控制理論研究的基礎(chǔ)，也是注漿加固巷道圍巖的理論出發(fā)點。巷道圍巖注漿加固的實踐表明，注漿的有效作用范圍主要是巷道周邊淺部圍巖，即處于低圍壓約束下的松動破裂巖體。“宿縣礦區(qū)高應(yīng)力采準(zhǔn)巷道綜合治理研究”課題的分析結(jié)果表明，注漿加固的有效作用范圍為1.O?2.0m；旗山礦軟巖動壓巷道錨注支護(hù)效果分析表明以圍巖深度1.1m全周邊注漿效果最佳，巖體密實性好，而深部1.1m以遠(yuǎn)注漿效果不明顯，文獻(xiàn)［5］、［38］、［45］的結(jié)論都與之相近。因此可以認(rèn)為巷道圍巖注漿加固的有效作用區(qū)域主要是處于松散破壞狀態(tài)的周邊淺部圍巖。.巷道圍巖的破壞是漸進(jìn)發(fā)展的圍巖賦存狀態(tài)是一個動態(tài)變化過程，受多因素影響，圍巖自身穩(wěn)定性始終有惡化趨向。圍巖在強度弱化和破裂過程中，始終保持一定的承載能力；其殘余強度主要表現(xiàn)為裂隙面間的摩擦咬合性能，較完整巖塊承載能力大大降低。由于巖性的松散破碎，開挖后必然產(chǎn)生明顯的松動破裂范圍，這一部分巖體主要對應(yīng)于巖石的殘余破壞段，向內(nèi)巖石處于應(yīng)變軟化狀態(tài)，宏觀破裂面很少，因此巷道周圍的注漿固結(jié)區(qū)巖體主要是指處于殘余破壞段的巖體。宏觀裂隙的大量存在使巖塊間不連續(xù)性大大加強，巖塊實際上多以點線接觸，塊間傳力機制弱化或部分喪失，承載結(jié)構(gòu)處于極易失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)，其中松動巖體只提供自重載荷；受圍巖應(yīng)力場和圍巖強度控制的主破裂面很快形成，巷道礦壓表現(xiàn)為頂板下沉、兩側(cè)幫擠人、底鼓及全斷面來壓。.圍巖處于應(yīng)力調(diào)整后的降低區(qū)，徑向周邊圍巖處于低約束狀態(tài)淺部圍巖的應(yīng)力降低是伴隨塑性變形而產(chǎn)生的，是巖體強度和承載能力的下降，它不同于未遭破壞巖體的應(yīng)力解除。巷道圍巖變形破壞是在巷道開挖后應(yīng)力的調(diào)整和重新分布過程中發(fā)生的，因而圍巖破裂體的圍壓環(huán)境與重新分布應(yīng)力場密切相關(guān)。力學(xué)分析表明，巷道開挖之初的應(yīng)力集中主要表現(xiàn)為巷道壁附近環(huán)向應(yīng)力的提高，而徑向應(yīng)力則顯著降低，并在巷道周邊趨向于零。這種開巷引起的二次應(yīng)力調(diào)整不僅使三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為兩向應(yīng)力狀態(tài)，而且在巷道周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中，軟巖巷道圍巖必然會因為其強度低于圍巖應(yīng)力而破壞，采動影響等后續(xù)應(yīng)力擾動將進(jìn)一步加劇這種變形破壞。隨著巷道周邊圍巖的逐漸破壞，環(huán)向應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，徑向應(yīng)力會有所提高，但淺部圍巖應(yīng)力的變化程度尚不足以改變圍巖的低圍壓環(huán)境。巷道淺部破裂巖石的約束力是由常規(guī)支護(hù)提供的，其阻力一般小于0.3?0.5MPa，絕對值是非常小的，因此巷道周邊圍巖處于低圍壓環(huán)境，其力學(xué)性能及破壞特征是由低圍壓環(huán)境決定的。4.地下工程特殊的結(jié)構(gòu)效應(yīng)巷道圍巖由表及里破裂程度相差較大，衰減較快，而巷道圍巖的滲透性能是隨裂隙的發(fā)育而變化的，因而也受圍巖破壞和變形程度控制。只有結(jié)合這些特點開展系統(tǒng)的研究，一方面把握巷道圍巖注漿加固與一般注漿技術(shù)的共性，以充分利用現(xiàn)有的注漿理論與技術(shù)成果，另一方面結(jié)合巷道圍巖動態(tài)變形的特點研究破裂巖體的固結(jié)和裂隙滲流規(guī)律，注重其特殊性，才可能解決注漿加固穩(wěn)定巷道圍巖的技術(shù)和理論問題。三、本書研究的重點內(nèi)容現(xiàn)代支護(hù)理論很強調(diào)在巷道圍巖變形與穩(wěn)定過程中，通過支護(hù)的作用改善圍巖的力學(xué)性能，強化支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)，達(dá)到穩(wěn)定圍巖限制變形的目的，實現(xiàn)主動支護(hù)，以最經(jīng)濟(jì)的方式滿足工程要求。巷道圍巖滯后注漿技術(shù)正是在巷道圍巖破壞和變形的過程中，通過注漿加固破裂圍巖來實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定的。在巷道圍巖注漿控制系統(tǒng)中，破裂圍巖的固結(jié)規(guī)律、注漿的作用機理、裂隙巖體內(nèi)漿液流動過程及特征、注漿施工及監(jiān)控技術(shù)都有待于深入研究；注漿方式和時機的選擇、注漿參數(shù)的確定也必須與巷道圍巖的工程地質(zhì)特征相聯(lián)系，與圍巖開挖后的力學(xué)行為及支護(hù)相匹配。因此本書在大量工程實踐和實驗室實驗的基礎(chǔ)上，以巷道圍巖破裂體的注漿固結(jié)性能和漿液滲透規(guī)律為中心，和當(dāng)代軟巖巷道圍巖控制理論有機地結(jié)合起來，建立巷道滯后注漿圍巖控制理論和相關(guān)技術(shù)，解決巷道滯后注漿圍巖控制技術(shù)的關(guān)鍵問題，以揭示巷道圍巖的注漿固結(jié)規(guī)律，分析巷道滯后注漿的圍巖穩(wěn)定性，重點從以下幾個方面揭示巷道圍巖注漿穩(wěn)定性控制技術(shù)的本質(zhì)規(guī)律：.破裂巖體注漿固結(jié)規(guī)律的實驗研究由于巷道圍巖裂隙的產(chǎn)生發(fā)育與圍巖變形破壞密切相關(guān)，因而具有特殊性，有針對性的理論研究較少。同時由于注漿材料粒度、粘度、強度等參數(shù)難以用相似材料直接模擬，一般也很少采用相似材料模擬實驗直接研究巷道圍巖注漿流動規(guī)律。文獻(xiàn)［46］利用相似材料制作巷道模型，加載形成破裂圈后開展注漿，研究注漿介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、注漿壓力變化規(guī)律等，得出了一些有益的結(jié)論，但很難開展定量分析。文獻(xiàn)［47］利用高水速凝材料作膠結(jié)材料，做巖性、漿材配比、注漿壓力三因素正交實驗，研究破裂巖體固結(jié)性能，并分析其影響因素，明確提出了被注介質(zhì)的應(yīng)力水平和破壞狀態(tài)，概念明確，可以深入分析。本書對真實巖樣的破裂及注漿固結(jié)規(guī)律開展實驗室研究，比較注漿固結(jié)前后巖體的力學(xué)性能。建立巷道圍巖特定賦存狀態(tài)下的注漿固結(jié)規(guī)律，提出破裂巖石注漿固結(jié)體的破壞形式、變形及強度特征，固結(jié)性能的主要影響因素，分析注漿固結(jié)前后巖體力學(xué)性能的主要變化特點。.軟巖巷道注漿加固的工程應(yīng)用通過對井下新掘巖巷、修復(fù)巖巷、煤巷等三類采準(zhǔn)巷道注漿工程應(yīng)用實例研究，系統(tǒng)研究錨噴、金屬支架及其聯(lián)合支護(hù)等多種支護(hù)形式下的注漿技術(shù)，分析巷道圍巖注漿加固體的整體力學(xué)效應(yīng)，總結(jié)注漿加固機理。.巷道圍巖滯后注漿技術(shù)深入分析巷道滯后注漿的圍巖穩(wěn)定性，揭示滯后注漿參與巷道圍巖穩(wěn)定過程的機理；結(jié)合巷道圍巖的破裂特點及變形規(guī)律，總結(jié)滯后注漿加固技術(shù)。在圍巖的動態(tài)變形過程中，注漿時機、注漿方式、注漿過程中的施工控制都具有特殊性，因此應(yīng)研究適合于巷道維護(hù)的滯后注漿技術(shù)。包括如下幾方面：總結(jié)巷道圍巖變形及裂隙參數(shù)變化之間的關(guān)系，與裂隙巖體滲流的有關(guān)理論結(jié)合起來，研究巷道圍巖的可注性及滯后注漿方式的合理性，分析巷道圍巖變形過程中滲透系數(shù)的變化規(guī)律，研究滯后注漿時機及注漿深度等特殊參數(shù)的確定方法和原則；開展巷道滯后注漿的圍巖穩(wěn)定性分析；研究巷道圍巖的特殊注漿施工控制技術(shù)；軟巖巷道圍巖的絕對變形量較大，這就要求注漿固結(jié)區(qū)能適應(yīng)較大變形，并滿足支護(hù)強度的要求，因而應(yīng)分析適宜于巷道圍巖注漿的材料性能，并選擇適宜的注漿材料；巷道圍巖注漿一般不單獨使用，而是與其他維護(hù)手段聯(lián)合支護(hù)，因此應(yīng)研究合理的注漿方式及與其他支護(hù)技術(shù)的合理組合與匹配。以巷道圍巖滯后注漿加固技術(shù)為基礎(chǔ)，提出適合高應(yīng)力軟巖動壓巷道的分階段動態(tài)加固的實用支護(hù)技術(shù)。第三節(jié)影響注漿固結(jié)效果的幾個因素破裂巖體的固結(jié)機理主要表現(xiàn)在兩個方面:直接提高破裂面強度;改善破裂巖體的變形性能，提高變形剛度，使注漿固結(jié)體表現(xiàn)為較強的抗變形和承載性能。松散煤體的固結(jié)機理則表現(xiàn)在:通過“投錨”作用產(chǎn)生較大的物理粘結(jié)力，強化煤體分子基團(tuán)之間的分子作用力，同時也降低了內(nèi)部應(yīng)力集中程度和可能在尖端形成的拉力，減少了在外力作用下的破壞，從而提高了煤體的強度和完整性。破裂巖體和松散煤巖體注漿固結(jié)實驗都表明注漿固結(jié)效果的影響因素包括三個方面:巖石材料性能（結(jié)構(gòu)塊體的力學(xué)性能、巖性狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等）、注漿材料性能（漿液配比、凝膠體強度、滲透性能等）、注漿參數(shù)（注漿壓力等）。運用極差法對正交實驗結(jié)果進(jìn)行評定，如表2.8所列。由表2.8可見在巖性、漿液性能和注漿參數(shù)中，巖體的極差最大，因而對注漿效果影響最大，漿液性能次之，注漿參數(shù)影響最小，巖性從根本上決定固結(jié)體的力學(xué)性能，這里巖體的破裂程度和狀態(tài)又是至關(guān)重要的。當(dāng)塊體裂隙較少時，注漿固結(jié)效果很不明顯，隨破壞程度增加是值提高，但絕對強度值有降低趨勢，幾種常見煤系地層巖石的五值范圍為5%?60%。而采用同一注漿材料時，不同巖體愚值相差不大，高水速凝材料注漿時，其五值約為1.5。因此在研究破裂巖體注漿固結(jié)規(guī)律時，首先應(yīng)把握住被注介質(zhì)的特點，分析巖性條件及可注性。在選擇施工方案和施工工藝時，也應(yīng)更重視漿材配比，最后考慮注漿壓力等參數(shù)。表2.8正交實驗結(jié)果分析序號巖性漿液配比注漿壓力/MPa強度恢復(fù)系數(shù)k/%1煤1.8l10.837.982煤2.Ol11.O36.413煤2.25l11.220.674泥巖1.8l11.O15.025泥巖2。Ol11.229.246泥巖2.25I1O.818.607砂巖1.8；11.28.858砂巖2.OI1O.85.959砂巖2.25I11.O7.92序號巖性漿液配比注漿壓力/MPa強度恢復(fù)系數(shù)k/%

合計95.0661.85合計95.0661.8562.53總和：180.6462.8671.659.3522.7247.1958.76平均31.6920.6220.8420.9523.8719.787.5715.7319.59極差24.128.14125、巖體狀態(tài)與注漿固結(jié)效果的關(guān)系第二章破裂煤巖體的注漿固結(jié)規(guī)律巖體材料性能本身又是復(fù)雜的多因素問題，地下工程遇到的圍巖條件千變?nèi)f化，對于特定的圍巖環(huán)境來說，巖體材料是不可選擇的，但巷道開挖后，圍巖的破裂狀態(tài)和程度是處于動態(tài)發(fā)展變化中的，這就需要進(jìn)一步研究巖性狀態(tài)與注漿固結(jié)效果之間的關(guān)系。'三種巖性：煤體五值為31.69%，泥巖為20.95%，砂巖為7.57%?？梢娒簤鹤{的效果最明顯，其次是泥巖，砂巖的注漿效果最差。直觀上看，巖體強度越低，材質(zhì)越松軟，五值越大。其實每一種巖體的點值波動也較大，比如，砂巖的志值為5.35%?21.5%，泥巖的是值為13.4%?29.2%，煤的愚值為20.7%?60.1%，因此單從巖性上分析不盡合理。更進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，是值對巖體的破裂程度和狀態(tài)最敏感。表2.2中，泥巖和煤各有一塊試樣是三軸加載的，試件只有一條明顯的剪切裂隙，經(jīng)注漿固結(jié)后，固結(jié)體強度分別為0.86MPa和0.26MPa，注漿效果很不好；其他經(jīng)單軸加載的試塊裂隙較多，固結(jié)效果則很顯著。單軸加載破壞后的試塊主要有兩種裂隙：垂向張裂隙和傾斜裂隙，其中傾斜裂隙一般都可注，垂向裂隙中存在大量的微裂隙，僅有部分可注。明顯注入漿液的裂隙個數(shù)與強度恢復(fù)系數(shù)愚值對應(yīng)如表2.9所列。表2.9試塊受漿裂隙個數(shù)與強度恢復(fù)系數(shù)七的關(guān)系巖性砂巖砂巖砂巖砂巖砂巖泥巖泥巖泥巖粉砂巖泥巖砂巖泥巖受漿裂隙個數(shù)54687788111088"11i/%3.595.395.957.928.85913.415O175186215?9?注入漿液的裂隙是開度較大的宏觀裂隙，代表了巖塊的結(jié)構(gòu)特征，其個數(shù)基本反映了巖塊的破裂程度和破裂后的賦存狀態(tài)。有如下規(guī)律：一般隨裂隙個數(shù)的增加，愚值增加；泥巖較砂巖巖性軟，微小和不規(guī)則裂隙多，它們常常不進(jìn)漿，影響五值的增加幅度；固結(jié)體破壞時一般傾斜裂隙都張開，但僅有部分垂向注漿裂隙破壞，塊體主要分為三到四塊，較注漿前完整性有所改善。因此，巖塊的破壞狀態(tài)是決定注漿效果的關(guān)鍵因素，在注漿的實際應(yīng)用中，應(yīng)把握這一特點。巷道圍巖注漿加固時，掘巷初期，圍巖破裂面較少，巖體相對完整，注漿效果不會好；滯后過長時間注漿，裂隙過于發(fā)育，必然存在大量微小不規(guī)則裂隙不受漿，注漿效果也不可能好。另外，這里僅考慮五值的變化規(guī)律，而沒有分析其強度的絕對值，如前所述，注漿固結(jié)體的強度很大程度上依賴于原巖體的強度，而原巖體的強度是隨破珠的發(fā)展而降低的。由此可見巷道圍巖注漿的時機是一個十分復(fù)雜的問題，必須綜合考慮。巖體裂隙的分形規(guī)律研究表明巖體裂隙的分布具有自相似性，因而考察巖塊破裂面密度與愚值的關(guān)系可以進(jìn)一步定量研究注漿固結(jié)規(guī)律，指導(dǎo)巷道圍巖注漿時機等參數(shù)的設(shè)計。二、注漿材料對注漿效果的影響由于水泥類材料（包括高水速凝材料）與巖體的相對較低的粘結(jié)力，注漿固結(jié)體仍為含弱面的巖體，其強度仍不同程度地低于完整巖石，一般仍沿原存在的某一破裂面發(fā)生剪切破壞。當(dāng)一種注漿材料確定后，影響材料性能的主要參數(shù)是水灰比，它對注漿效果有兩方面的影響：①強度方面，隨水灰比增加，漿液固結(jié)體的力學(xué)性能降低，必然影響到固結(jié)性能；②滲透性，隨水灰比增加，漿液的滲透性能增強，顆粒效應(yīng)減弱，漿液能夠注入到更微小的裂隙中，顯然有利于對巖體的固結(jié)。它們是相互制約的，目前常用的普通水泥類材料很難全部滿足，高水灰比時結(jié)石率較低，因而一般水灰比不能超過1：1。而這種較低水灰比條件下，漿液的流動和滲透性能常常不理想，高水速凝材料則在較高水灰比條件下同時滿足強度和注漿性能要求，綜合性能較好，具體分析見第五章第二節(jié)。從實驗結(jié)果看，當(dāng)高水速凝材料漿液水灰比為2.0：1時，忌值最高，這種漿液的滲透性較好，固結(jié)體強度也較高。三、注漿壓力對注漿效果的影響注漿壓力是克服漿液流動阻力，并將之壓注入巖體裂隙中的動力。水泥類懸浮液的粘度相對于真溶液是較大的。當(dāng)裂隙開度較小時，巖體滲透性能是較低的，因而只有較高的注漿壓力才能保證一定的注漿效果。但注漿壓力過高將會導(dǎo)致巖體破裂面的進(jìn)一步發(fā)展，破壞巖體本身的強度和承載能力。因此注漿壓力也和漿液水灰比一樣，存在一個合理的值，過大過小都不合適。從實驗結(jié)果看，0.8MPa的注漿壓力就能保證注漿效果。實際上，注漿效果是受幾個因素共同制約的，不服從簡單的線性關(guān)系。不同的巖性，不同的裂隙發(fā)育狀態(tài)和破裂形式，對注漿壓力和漿液配比要求不同，應(yīng)該具體問題具體分析。由正交實驗結(jié)果多因素分析可見：泥巖在注漿壓力為1.2MPa、漿液水灰比為2.0：1時效果最好；砂巖在1.2MPa的注漿壓力、2.0：1的水灰比時效果最好。這是由于泥巖破壞時裂隙較砂巖多，但裂隙尺寸相對較小，漿液稀一點有利于滲透，使更多的裂隙得到固結(jié)，強度提高較多；砂巖破壞時，裂隙較少，但尺寸較大，漿液本身的固結(jié)強度相應(yīng)更加重要；煤破壞時，裂隙較多，煤體的強度又較低，因而較低的注漿壓力和中等的漿液配比對注漿效果較有利。實I示上，水泥類漿液用于巷道圍巖滯后注漿加固時，其注漿過程是十分復(fù)雜的，存在著顆粒效應(yīng)、流變效應(yīng)、偏流效應(yīng)和劈裂效應(yīng)，同時漿液在凝結(jié)固化過程中還可能和巖體發(fā)生復(fù)雜的相互作用。這些因素使巷道圍巖注漿技術(shù)中的很多問題難以從理論上定量分析。大量的文獻(xiàn)都指出注漿可以有效加固巖體，并能改善巖體的力學(xué)性能，但由于用于比較的巖體力學(xué)指標(biāo)概念不明確，或條件不同，常常不具有可比性，或結(jié)果相差懸殊，或工程意義不明確。本章根據(jù)巷道圍巖的實際賦存狀態(tài)設(shè)計實驗內(nèi)容，明確指出注漿主要是加固和改善破裂后（對應(yīng)于巖塊實驗的殘余段）巖體的力學(xué)性能，便于科學(xué)地分析比較注漿效果，也為巷道圍裂隙巖體注漿滲透規(guī)律雖然，目前巖體結(jié)構(gòu)理論模型較多，但大多集中于多孔介質(zhì)模型的研究，而注漿過程中漿液的滲透受漿液中水泥顆粒的限制，一般不能滲入巖塊的孔隙中，而主要通過裂隙進(jìn)行滲透，因此，巖體結(jié)構(gòu)模型中適用于裂隙巖體注漿的理論模型不多。二、注漿滲透理論概述近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對滲透注漿法進(jìn)行了廣泛而深入的研究［58,59,60,61］，發(fā)展了一系列注漿滲透理論。其中有馬格理論（球形擴散理論）、柱形擴散理論、卡羅爾理論、單平板裂隙注漿滲透模型（劉嘉材）、Baker公式和G?Lombed公式等。馬格理論是以鉆桿端部為注漿點的各向同性滲透注漿理論，并給出了注漿壓力、注漿時間、擴散半徑和注漿量之間的關(guān)系，但是馬格理論假設(shè)被注介質(zhì)體為均勻各向同性體，漿液在地層中呈均勻球形擴散，因此很難適用于復(fù)雜的巖體工程。柱形擴散理論是以注漿管體的一部分作為注漿段的各向同性滲透注漿理論，漿液呈柱形向四周擴散，從而推導(dǎo)出注漿時間、擴散半徑、注漿壓力以及注漿量之間的關(guān)系，但它與馬格理論相似，具有同樣的假設(shè)，因此也很難應(yīng)用于復(fù)雜的巖體工程。目前，國內(nèi)注漿工程中經(jīng)常用的注漿漿液主要有化學(xué)類注漿漿液、水泥類注漿漿液、粘土類注漿漿液，等等。但從流動特性上來分，大多數(shù)注漿漿液都具有非牛頓流體特性，這些理論大多是基于單裂隙模型、建立在牛頓流體穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上，不能真實地反映裂隙巖體注漿滲流過程的非穩(wěn)定特性和非牛頓體特性。注漿工程中注漿參數(shù)的選取至關(guān)重要。圍繞著注漿參數(shù)的選取，國內(nèi)外開展了一系列的注漿模擬試驗，企圖建立各注漿參數(shù)或注漿施工控制參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，并且也得到了一些注漿參數(shù)的經(jīng)驗公式。但是這些試驗基本上都是在散體或單裂隙巖體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，忽略了巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和漿液流動性能變化的影響，因而和實際工程有較大的距離。(1)蘇聯(lián)曾在實驗室中進(jìn)行了細(xì)砂層中漿液擴散參數(shù)的實驗研究。試驗過程中以定壓力為注漿條件，得出了注漿壓力、漿液流量、滲流速度、注漿時間以及漿液擴散半徑之間的關(guān)系：R一283.82p~〃。3MO.。。盧一。?83to?。。Q:1.564.5pl-OgM~-43FIL。。(3-1)V—618.6p1.OgMO-4sF-1.。。式中R——擴散半徑(cm)；t注漿時間(min)；戶——注漿壓力(MPa):戶——漿液粘度(MPa-s)；Q——漿液的注入量，(L/h)；M砂子的粒度模數(shù)，M—2.555XIOZK。奧地利(1995)進(jìn)行了單裂隙中漿液流動過程的模擬試驗。試驗中采用三號誓不粵的模型，第一種模型是將澆筑后的2mX1mX1m的混凝土妄鬲藉彗筆杰萱夢其劈裂，然后利用劈裂后的裂縫進(jìn)行注漿模擬試驗，建立了注漿茹量、注漿壓力及滲透距離之間的關(guān)系；第二種模型是利用兩塊直徑為1.4m、厚望.！。？m的混凝土塊構(gòu)成模擬裂隙，并在模型的中間鉆孔進(jìn)行注漿，使?jié){液在霉譬!昱軸對稱流動，并測得了不同間距下裂隙流量、注漿壓力及漿液粘度乏蒿竺關(guān)系：第三種模型是用兩塊0.3m厚的鋼板拼成裂隙，并在給定的粗糙度下：建立J祖糙度對注漿流量及漿液擴散距離的影響。國內(nèi)在研究注漿參數(shù)方面也開展了一系列的注漿參數(shù)模擬試驗。.。.中國水利水電科學(xué)院研制開發(fā)了平板型注漿試驗臺，建立了牛頓流體在水三譽望裂隙面內(nèi)的擴散方程，得出了擴散半徑和注漿壓力、漿液粘度以及釜策爵。R一J.0.093(pv—"po)—t3Zr—~o~zl+ro(3.2)式中R——擴散半徑(cm)；加——注漿孔壓力(kPa):Po—裂隙內(nèi)地下水壓力(kPa):t——注漿時間(s)；d——裂隙張開度(cm)；ro注漿孔半徑(cm)；/1——漿液粘度(MPa-s)。.?奎北大學(xué)開發(fā)和研制了槽型反扁圓柱狀試驗臺，并用它研究了多孔介質(zhì)體中注漿時漿液滲流過程的壓力分布及其隨擴散距離衰減的規(guī)律，得出了”尺一8?7〃'‘9KO.。?！?10~-‘‘‘?！ā?TO_324OhO.27。。(3.3)式中R——漿液的實際擴散距離(。m)；戶——注漿壓力(MPa)；K——被注介質(zhì)的滲透系數(shù)(m/d)；/Zo——漿液的初始粘度(MPa.s)；‘t注漿時間(s)；T——注漿墀膠時I司(s)；h——注漿段高(m)。綜觀國內(nèi)外專家的試驗裝置及其試驗結(jié)果，大多是基于單裂隙或多孔介質(zhì)體中的注漿滲流規(guī)律試驗。作為注漿基礎(chǔ)理論的研究是非常必要的,但距離復(fù)雜的現(xiàn)場地質(zhì)條件較遠(yuǎn)。此外，還需要進(jìn)一步摸索復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)中的注漿滲流規(guī)律的模擬試驗。第四節(jié)注漿參數(shù)選取的影響因素分析由于注漿過程中影響注漿漿液分布規(guī)律的主要因素是裂隙的賦存規(guī)律、注漿壓力和注漿材料，這里以注漿滲透半徑作為注漿參數(shù)，分別從以下幾個方面進(jìn)行分析：一、裂隙參數(shù)對注漿參數(shù)選取的影響［6?！严秴?shù)包括裂隙密度、裂隙張開度、裂隙方位和裂隙跡長。隨著裂隙密度的增加，各位置點的最大可能滲透范圍也在增加，而且大滲透范圍出現(xiàn)的概率增大，小滲透范圍出現(xiàn)的概率減小，并且各位置點的各個滲透范圍出現(xiàn)的概率趨于相同，漸漸呈現(xiàn)各向同性的性質(zhì)。當(dāng)裂隙密度較大時，其變化對滲透范圍的分布影響趨于減小，同時隨著裂隙密度的增加，注漿滲透半徑的選取的可靠度增大，并且在同一分布密度下，注漿滲透半徑選取的越大，其可靠度越低。裂隙張開度是控制單個裂隙滲流過程的主要因素，因而對整個裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲流過程也起著重要的影響。注漿滲透范圍和裂隙張開度的均值有密切關(guān)系，張開度的均值越大，注漿滲透范圍越大，并且注漿半徑選取的越大，注漿滲透半徑的可靠度越低。由于裂隙滲流的單向性，裂隙方位對裂隙巖體的滲流過程也起著重要影響。裂隙方位的方差越小，各位置點的可能滲透半徑的差別越大，各注漿參數(shù)的可靠度也越低。當(dāng)方位角等于60。時，各位置點上的可能滲透半徑的分布較接近，并且此時注漿參數(shù)的可靠度較大。裂隙跡長影響著裂隙網(wǎng)絡(luò)的模式，并最終影響著注漿滲流過程中漿液的分布，裂隙跡長的均值越長，各位置點最大可能滲透范圍越大，巖體各位置點的滲透范圍趨于均勻，各向同性增強。裂隙跡長的方差越大，各位置點的大滲透范圍的概率增加，小滲透范圍的概率減小，各向異性減弱。隨著裂隙跡長均值的增大，所選注漿半徑的可靠度也隨之增大，而且相比于裂隙密度和張開度，其增幅較二、漿液的流變特性對注漿參數(shù)選取的影響漿液的流變性對注漿滲流過程有著重要的影響，并制約著注漿參數(shù)的選取，包括初始剪切屈服強度、初始粘度以及流變參數(shù)口的影響。隨著流體初始剪切屈服強度的增加，各位置點最大可能滲透范圍有所減小，但減小幅度很小，另外所選注漿半徑的可靠度也逐漸降低。但隨著漿液流動指數(shù)的增加，各位置點的最大可能滲透范圍迅速減小，所選注漿半徑的可靠度也很快下降。隨著初始粘度的增加，各位置點的最大可能滲透范圍減小，所選注漿半徑的可靠度也逐漸下降。三、注漿壓力的影響注漿參數(shù)不僅受巖體裂隙參數(shù)控制，同時也受注漿施工等外部因素的限制，其中注漿壓力就是一個很重要的因素。注漿壓力對注漿參數(shù)的選取有影響，但影響不如其他因素，并隨著注漿壓力的增大，注漿參數(shù)的可靠度增大。漿液的人滲過程是和巖體應(yīng)力場密切相關(guān)的，一方面漿液的入滲勢必擾動巖體的原有應(yīng)力場，另一方面，變化的應(yīng)力場會引起裂隙的張開、閉合甚至擴展，改變漿液的入滲路徑和入滲量，因此漿液在滲流過程中是和應(yīng)力耦合的。最為重要的是，當(dāng)注漿壓力過大時，有可能引起裂隙的擴展和注漿墊層的破壞，導(dǎo)致注漿過程的失敗，因此確定應(yīng)力耦合條件下漿液的滲流過程及注漿極限壓力是十分有價值的。根據(jù)單裂隙滲流與應(yīng)力耦合模型［67,683，可建立裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流與應(yīng)力耦合模章巷道滯后注漿圍巖穩(wěn)定性分析本章圍繞巷道圍巖的滲透性能分析滯后注漿的科學(xué)性，對注漿加固巖體參數(shù)與巷道圍巖變形與穩(wěn)定的力學(xué)過程進(jìn)行分析，并應(yīng)用FLAC數(shù)值計算程序模擬巷道淺部圍巖注漿對圍巖變形和位移的影響，以進(jìn)一步揭示注漿機理。第一節(jié)軟巖巷道圍巖的滯后注漿方式一、注漿方式的確定1.巷道圍巖的滲徑結(jié)構(gòu)巷道圍巖的裂隙主要有兩種來源：開挖前巖體中已存在的弱面，包括巖體形成過程中產(chǎn)生的層理面、節(jié)理面、不整合面和軟弱夾層，以及巖體形成后在地殼運動過程中產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙，這種裂隙在沉積巖中以緩傾斜分布為主，從宏觀上控制著巷道圍巖的穩(wěn)定性；巷道開挖及工程擾動產(chǎn)生的新裂隙，由于應(yīng)力狀態(tài)的變化和集中應(yīng)力的產(chǎn)生，必然導(dǎo)致巷道周圍巖體破裂，這些破裂面與原來的裂隙一起構(gòu)成滲流通道，直接影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。軟巖巷道原生書理裂隙發(fā)育，巖塊強度較低，巷道周邊淺部圍巖產(chǎn)生大量的新的破裂面，形成交錯的裂隙網(wǎng)絡(luò)，這部分巖體的滲透性能比完整巖體大3?4個數(shù)量級，是巷道圍巖注漿的主要區(qū)域。從井下試驗看，宿縣礦區(qū)巷道圍巖主要有兩種類型：碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地存在兩類滲徑結(jié)構(gòu)：一類是由各種破裂面組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)及其包圍著的各種不規(guī)則巖塊構(gòu)成；另一類是由經(jīng)過一定程度變形的含大量細(xì)小裂隙的松散煤體構(gòu)成。統(tǒng)計原生巖體表面裂縫寬度通常在10?200pm之間變化，最常見范圍是10?40pm，張開度通常小于100呻，即O.1mm；巖石內(nèi)孔隙、裂隙尺度約在10-4?1mm之間，按量級分為大中小及微孔，可見孔大于1mm，煤層原生裂隙寬度約在10-4mm左右。而巷道圍巖破裂面開度隨圍巖變形而發(fā)育，其尺度可達(dá)到數(shù)個毫米，這就是水泥類漿液能夠注入巷道圍巖的一個重要原因。從水泥類漿液在巷道圍巖中的滲流情況分析，漿液或是沿各種宏觀張開裂隙流動，或是劈開松散中的細(xì)小裂隙形成滲流通道。2.巷道圍巖的滲透系數(shù)立方定理近似地描述了兩側(cè)壁光滑平直、法向應(yīng)力較低、張開度較大且無充填物的裂隙滲流規(guī)律。巷道圍壓經(jīng)過一定程度的變形后，其淺部圍巖裂隙表現(xiàn)為低圍壓約束的宏觀張開裂隙，顯然不存在充填物，因而適用于立方定理，裂隙面的粗糙和起伏程度可以采用系數(shù)修正，由此可建立單個裂隙的滲透系數(shù)(Louis):Kf=島一flpgb2/12Zc(4.1)式中盧——裂隙內(nèi)連通面積與總面積之比；P——漿液密度；〃——粘滯系數(shù)；g重力加速度；b——裂隙開度；c——裂隙內(nèi)粗糙度修正系數(shù)。一組平行裂隙的滲透系數(shù)：Ki=flpgb3/12,ucd(4.2)式中d——裂隙間距。由于巖體應(yīng)力分析是基于連續(xù)介質(zhì)假定，裂隙的滲透性能也必須采用流量相等的原則均化到巖體中去，才能進(jìn)行滲流與應(yīng)力耦合分析，因而一般采用等效連續(xù)介質(zhì)模型口引。以立方定理為基礎(chǔ)，忽略巖塊的孔隙系統(tǒng)，把巖體單純看作按幾何規(guī)律分布的裂隙介質(zhì)，考慮裂隙的大小、形狀和位置等，用裂隙水力參數(shù)或幾何參數(shù)來表征裂隙巖體內(nèi)的滲流，并進(jìn)一步將隨機分布的裂隙用S組優(yōu)勢裂隙面代替，當(dāng)各組裂隙面均為無限延伸時，Snow及Pomm求出等效連續(xù)介質(zhì)的滲透張量：如一蚤勝12/ab~c(如一咒j卅)(4.3)式中掰“——第匚組裂隙的法向方向余弦，br——第匚組裂隙間距。對上式進(jìn)行坐標(biāo)變換可以求出主滲透系數(shù)及滲透主方向。巷道圍巖的裂隙有一個隨圍巖變形而發(fā)育的過程，裂隙在空間的展布情況可通過測線測量法來確定，其基本思路是在巷道圍巖暴露面上布置一定方向的測線，測量與測線相交的裂隙開度、產(chǎn)狀及裂隙在測線的位置，可以進(jìn)行裂隙面產(chǎn)狀、裂隙開度、裂隙間距的測量和統(tǒng)計。權(quán)臺礦3116上分層回風(fēng)平巷掘進(jìn)迎頭后方巷道圍巖裂隙參數(shù)分布統(tǒng)計情況如圖4.1所示。巷道開挖后圍巖裂隙參數(shù)和圍巖變形密切相關(guān)，并隨時間空間不同而不第五章巷道滯后注漿技術(shù)第一節(jié)巷道圍巖滯后注漿加固參數(shù)設(shè)計國內(nèi)外注漿工程設(shè)計和施工主要依據(jù)經(jīng)驗類比法，大型注漿工程一般都開展盡可能模擬現(xiàn)場實際條件的注漿試驗或原位試注漿以確定注漿參數(shù)并進(jìn)行施工設(shè)計，這種方法是行之有效的。但也反應(yīng)出注漿理論尚處于發(fā)展的初級階段，技術(shù)、工藝等方面都存在不能確定的因素。理論成果還不能滿足現(xiàn)階段注漿工程的實際需要，究其原因主要有以下幾點：裂隙巖體的滲流問題在理論和實踐上都比多孔介質(zhì)滲流復(fù)雜得多，目前的主要研究方法為室內(nèi)平面裂隙或裂隙組的模擬實驗，已有的理論成果也主要是引用裂隙水滲流動力學(xué)，許多理論問題尚未得到解決。注漿工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，裂隙的性質(zhì)、分布特征和規(guī)律難以準(zhǔn)確定量把握，注漿介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，客觀上很難定量分析各因素之間關(guān)系。由于注漿前的準(zhǔn)備工作(工程地質(zhì)勘查、實驗室實驗等)及施工過程中的監(jiān)測工作得不到應(yīng)有的重視和實施，在開展設(shè)計和施工控制時缺乏所需的足夠的信息量。施工操作尚無統(tǒng)一明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，帶有隨意性，注漿效果難以保證。不同注漿工程有不同的特點，進(jìn)一步增加了研究的難度。煤礦地下巷道一般為維護(hù)期有限，相對于地面大型的巖土工程服務(wù)時間較短的工程，特別是采準(zhǔn)巷道是維持正常生產(chǎn)的常規(guī)巷道，一般僅有數(shù)年維護(hù)時間，客觀上要求維護(hù)技術(shù)簡單實用，支護(hù)費用少，施工操作方便。因此需針對巷道圍巖注漿的特點，研究巷道圍巖滯后注漿技術(shù)，一方面彌補理論研究的不足，另一方面掌握該技術(shù)以便于推廣應(yīng)用。巷道圍巖注漿是一種在巷道開掘后作業(yè)的滯后注漿技術(shù)，是在巷道圍巖變形過程中但尚未穩(wěn)定時進(jìn)行的，是為巷道維護(hù)提供更好的圍巖條件?？紤]圍巖變形的動態(tài)影響是這一技術(shù)區(qū)別于一般注漿技術(shù)的主要特征。因而注漿參數(shù)包括加固時機，即滯后注漿加固時間；與圍巖破壞及變形對應(yīng)的注漿深度和注漿加固體強度；以及注漿孔間排距、注漿壓力等與巷道圍巖裂隙滲透性能相關(guān)的注漿參數(shù)。一、注漿壓力的確定巷道圍巖滯后注漿加固應(yīng)符合注漿壓力有限的原則，采用控壓注漿的方式進(jìn)行。關(guān)鍵是合理注漿壓力的確定、正確的注漿施工工藝及注漿泵的工作性能。巷道圍巖滯后注漿時，注漿壓力主要受開挖后的二次應(yīng)力場影響，與巷道埋深并不直接相關(guān)，因而不能采用基于埋深的壓力公式；由于巷道圍巖的裂隙是相對干燥的，顯然注漿壓力與靜水壓力關(guān)系不大。因此巷道圍巖注漿加固時，注漿壓力具有特殊的規(guī)律性，不同于一般的巖土注漿工程。巷道圍巖注漿壓力主要取決于圍巖的滲透性能和漿液性能，設(shè)計的滲透范圍等。注漿壓力高有利于漿液滲透，減少注漿孔等工程量，但有可能破壞圍巖的整體結(jié)構(gòu)，造成漏漿。采用滯后注漿方式時，要求注漿深度有限，巖體有明顯的裂隙，注漿壓力一般不超過2MPa，圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重破碎時一般不超過1MPa，裂隙開度較小時可采用l?2MPa。如果巖性軟弱，應(yīng)控制注漿壓力不超過抗壓強度的1/10，以防產(chǎn)生劈裂面，對于滲透性能較差的巖體，應(yīng)采用加密注漿孔的辦法解決，不能僅靠提高注漿壓力來解決問題。這里對巷道圍巖注漿時的劈裂效應(yīng)作一簡單解釋。當(dāng)鉆孔內(nèi)施加注漿壓力后，由于巖石的初始應(yīng)力和抗拉強度被注漿壓力克服，從而發(fā)生有利于可注性的水力劈裂，它首先發(fā)生在垂直于小主應(yīng)力的平面上。巷道周圍破裂巖石內(nèi)存在大量的破裂面，裂隙尖端極易在注漿壓力作用下進(jìn)一步破裂，產(chǎn)生劈裂效應(yīng)。實際情況可能是張開度比較大的宏觀裂隙容易受漿，其尖端進(jìn)一步破裂；而相對張開度較小的裂隙由于粒度效應(yīng)等原因不能進(jìn)漿，同時裂隙兩側(cè)結(jié)構(gòu)體受到擠壓而進(jìn)一步閉合。因此從巷道圍巖加固來說，采用相對較低的支護(hù)壓力，使?jié){液在裂隙中流動，盡量不破壞裂隙巖體的原有結(jié)構(gòu)，以避免大范圍的劈裂現(xiàn)象，但同時允許一定程度的劈裂效應(yīng)，以提高巖體的可注性和注入漿液的總量，并改善細(xì)小裂隙（未注入漿液的）的受力狀態(tài)，使其趨向閉合，而從提高圍巖強度。另外松散煤體的裂隙多為細(xì)微裂隙，水泥類漿液在低水灰比下很難滲入，只有通過劈裂效應(yīng)產(chǎn)生相互貫通的滲徑結(jié)構(gòu)，才可能通過注漿固結(jié)松散煤體。井下實驗表明這種劈裂效應(yīng)在低壓下即可以實現(xiàn)，一方面形成滲流通道，另一方面將通道周圍煤體內(nèi)的裂隙壓密，從而達(dá)到提高圍巖強度的目的。統(tǒng)計工程實例，巷道圍巖注漿壓力差異較大，本書提供的注漿壓力一般低于同類注漿工程，原因有兩個：①明確提出滯后注漿方式，并選擇合理的注漿時機，在圍巖滲透系數(shù)最高時實施注漿；②選用高水速凝材料作注漿液，與普通水泥材料相比，低粘度和良好的流動性可以大大降低注漿壓力。這對于注漿加固巷道圍巖是十分有利的。二、注漿加固深度和注漿孔深1.支護(hù)強度支護(hù)強度主要取決于穩(wěn)定巷道圍巖所要求的固結(jié)圈厚度。滯后注漿穩(wěn)定巷道圍巖主要是通過對淺部破裂區(qū)巖體的注漿固結(jié)，促使其形成承載結(jié)構(gòu)，從這個意義上說，固結(jié)圈厚度越大越好，其承載能力與半徑的平方成正比，可以較大幅度地提高支護(hù)強度。但固結(jié)厚度過大，圍巖的徑向變形剛度則很大，載荷快速增加，適應(yīng)圍巖變形的能力減小，經(jīng)濟(jì)上也不合理；同時較深部圍巖的滲透性能很低，破壞較小，難以實現(xiàn)有效注漿固結(jié)。軟巖巷道維護(hù)一般強調(diào)在支讓平衡中實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定，同時礦井巷道特別是其中的采準(zhǔn)巷道維護(hù)周期相對較短，不需要完全控制圍巖變形，允許有一定的變形量，因而固結(jié)圈厚度可以適當(dāng)減小。2.破裂巖體的固結(jié)效果根據(jù)巷道圍巖的破壞特點及應(yīng)力狀態(tài)依次可分為三個區(qū)：破碎區(qū)，包括周邊松散及殘余階段巖體，此區(qū)可見宏觀裂隙；峰后強度區(qū)巖體，圍巖處于極限平衡狀態(tài)，已發(fā)生不同程度的塑性變形，裂隙張開度較小，不甚發(fā)育；彈性區(qū)。破裂巖體注漿固結(jié)實驗表明，注漿固結(jié)體的強度主要取決于被注介質(zhì)性質(zhì)、漿液性能和注漿壓力，其中被注介質(zhì)的塊體強度和破壞程度是最大的影響因素。而具體到一個注漿工程，巖性是確定的，注漿固結(jié)體強度主要取決于圍巖的破裂程度，隨破裂程度的增加，固結(jié)效果越趨明顯，殘余破壞段巖體的固結(jié)系數(shù)可達(dá)1.5。而破裂面較少的巖體注漿固結(jié)作用甚微。由此可見破碎區(qū)注漿固結(jié)效果顯著，容易實現(xiàn)注漿，峰后強度區(qū)裂隙小，應(yīng)力水平較高，滲透性能差，且注漿效果不明顯。因而，僅就注漿效果而言，注漿深度應(yīng)深入破碎區(qū)達(dá)到峰后強度區(qū)邊緣較合適，這樣可以保證破碎區(qū)圍巖的充分固結(jié)。.漿液在徑向擴散的性能由于裂隙張開度在徑向由表及里是逐漸減小，而圍巖應(yīng)力是由表及里是快速增加的，因而巷道圍巖在徑向的滲透性能呈負(fù)指數(shù)規(guī)律快速衰減，即漿液向圍巖內(nèi)部滲透性能很弱。因而為保證注漿效果，注漿孔深設(shè)計應(yīng)基本與加固深度相同，可不考慮向內(nèi)的滲透距離，實際注漿巷道的翻修證實漿液主要沿注漿孔向兩側(cè)及圍巖表面滲透。綜上，注漿加固深度的確定歸結(jié)為巷道圍巖的破碎區(qū)范圍的確定。一般可用聲波測試圍巖的破碎區(qū)范圍或用多點位移計觀測分析圍巖的破碎區(qū)范圍，也可以用經(jīng)驗公式估算裂隙發(fā)育區(qū)半徑。根據(jù)資料，30d裂隙發(fā)育區(qū)半徑的相對比值有如下關(guān)系：頂板（與巷道半寬比）：n30=0.94+1.55YH/bC兩幫（與巷道半高比）：Lb=0.87+1.27YH/arC式中?！敢灰豁敯寮皟蓭蛶r石的單軸抗壓強度。C經(jīng)驗表明，一般效果明顯的注漿深度不超過1.0?1.5m,這個加固深度即可以實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定。為保證該范圍內(nèi)的圍巖得到有效加固，一般注漿深度設(shè)計為2.0?2.5m,進(jìn)一步加大注漿孔深作用甚微。煤礦的實際情況表明，注漿孔設(shè)計超過2.5m，常規(guī)的施工機具也難以完成。三、注漿孔間排距巷道圍巖裂隙滲流存在各向異性、不均勻性和方向性，用滲透半徑或擴散半徑來描述漿液的擴散范圍已不能反映實際情況，也不能說明問題的本質(zhì)，用不同方向的擴散距離更適合。層狀裂隙巖體中節(jié)理和原生裂隙的方向性是十分明顯的，其主導(dǎo)裂隙常被一些次要裂隙切割，巷道開挖后產(chǎn)生新的破裂面，進(jìn)一步形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，弱化了裂隙的方向性，但其滲透能力仍是各向異性的，因此注漿孔的間排距設(shè)計必須考慮不同方向的擴散距離及漿液的偏流效應(yīng)。裂隙水交叉流具有三個水力特性：偏向、裂隙3和6兩方向上水流阻力效應(yīng)不等、偏流，因此不能將裂隙巖體視為單個裂隙的組合，而應(yīng)看成是單個交叉裂隙的組合。不考慮偏流效應(yīng)所進(jìn)行的分析和預(yù)測與實際情況相差較大。在隙寬不等的交叉裂隙中，裂隙水過交叉時因為偏向而在a和6兩方向上出現(xiàn)不等的局部阻力效應(yīng)，是偏流形成的機制。實驗表明寬縫及窄縫的進(jìn)水量分別與各自的泄水量不等，在某種條件下偏流現(xiàn)象十分劇烈，以致窄縫進(jìn)水量過交叉后，幾乎全部偏向?qū)捒p流走。由于存在變形的臨空面，巷道圍巖裂隙中垂直于軸向的開度往往較大，并向圍巖內(nèi)部衰減，使圍巖裂隙網(wǎng)絡(luò)中的交叉裂隙具有明顯的傾向。這種分布特征，將導(dǎo)致絕大部分漿液沿寬裂隙在軸向上流動，其他方向滲流較少。實踐中常常能觀察到漿液沿某一條或數(shù)條大裂隙沿巷道軸向流動很遠(yuǎn)，而鉆孔附近及大裂隙附近未進(jìn)漿或僅有少量進(jìn)漿的現(xiàn)象。因此必須考慮交叉流效應(yīng)導(dǎo)致的注漿滲透范圍的極度不均勻現(xiàn)象，以便調(diào)整鉆孔布置和注漿施工順序，以保證注漿效果。綜上所述，漿液流動有如下特征：漿液沿進(jìn)漿裂隙擴散，受裂隙的方向性限制而不能超越于裂隙之外；隨裂隙開度不同有不同的擴散距離；存在偏流效應(yīng)，漿液在非主要裂隙方向的滲透能力較低，即漿液在兩個方向上滲透距離相差較大。隨著應(yīng)力增加及巖體的破裂程度減弱，圍巖在徑向的滲透性能衰減很快，因而漿液的滲流主要表現(xiàn)為沿注漿孔底向周邊圍巖扇形滲透，向更深的圍巖內(nèi)部滲透很弱，設(shè)計時可以不考慮這個因素。采準(zhǔn)巷道一般是順層布置的，根據(jù)沉積巖的裂隙分布規(guī)律，在一般情況下必有一組主導(dǎo)裂隙的延伸方向與巷道軸線成銳角，因而巷道軸向的滲透性能常常是比較強的，注漿孔排距可以適當(dāng)加大。實測表明，巷道表層軸向滲透距離可以達(dá)到2.0?3.0m，設(shè)計注漿孔距應(yīng)使兩個注漿孔的滲透距離有一個交叉，可以取0.65?O.75的系數(shù)，即注漿孔排距一般為1.2?2.2m。為施工和操作方便，注漿孔排距常常設(shè)計為錨噴支護(hù)錨桿排距或金屬支架中棚距的整數(shù)倍，一般處理為2?3倍。注漿孔間距除考慮裂隙的滲透性能外，還受巷道形狀，圍巖不同部位的破裂程度等因素影響，10m2。左右的巷道全斷面注漿加固時一般需6?8個注漿孔。可按如下原則根據(jù)實際情況調(diào)整：主要裂隙間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度，發(fā)育良好的可以采用較大的間排距，反之則要加密孔間距；注漿孔與主要裂隙間的交叉關(guān)系，對主要裂隙面的控制程度高，可以減少注漿孔，反之需要加密；適當(dāng)增大注漿壓力，延長注漿時間，可以增加注漿量，減少注漿孔。四、注漿加固部位的設(shè)計注漿加固部位可分為全斷面加固和局部注漿加固，根據(jù)需要和可能選取。全斷面注漿加固對控制圍巖穩(wěn)定性最有利，但施工復(fù)雜；有些圍巖條件下巷道幫角以上部位注漿幾乎不可能，比如，松散煤體注漿由于煤體過于松碎，且無法通過噴漿形成注漿墊層，只能采取特殊手段加固兩幫底角及底板。侯朝炯教授根據(jù)煤層巷道層狀巖層的賦存狀態(tài)和礦壓顯現(xiàn)特點，提出加固幫角控制底鼓，進(jìn)而控制圍巖穩(wěn)定性的理論，已為廣泛的實踐所證實，也為我們局部加固巷道圍巖提供了理論依據(jù)。該理論認(rèn)為：巷道兩幫煤體強度一般都遠(yuǎn)低于頂?shù)装鍘r層，因而其破裂范圍遠(yuǎn)大于頂?shù)装鍘r石，在圍巖承載結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為最弱的部位。而上覆巖層的重力是通過兩幫傳遞到底板的，這樣兩幫的大范圍破壞必將導(dǎo)致底板壓曲變形的顯著增加，可以認(rèn)為兩幫的穩(wěn)定性對圍巖的整體穩(wěn)定性影響最大，對支護(hù)作用也最敏感。事實上，煤巷多為矩形，幫角在開掘卸載后是應(yīng)力集中點，圍巖塑性區(qū)從兩幫開始發(fā)展，當(dāng)?shù)装鍘r層強度也很低時，塑性區(qū)從兩幫和底角開始，最終也以兩幫最大。加固幫角可直接提高其強度，同時可有效地使該處圍巖的應(yīng)力集中程度降低，避免幫角過早破壞而引起巷幫及底板的較大變形。另外加固幫角在工藝及施工技術(shù)上比直接處理底板更易于實現(xiàn)。因此加固兩幫及底角等關(guān)鍵部位是控制圍巖穩(wěn)定的合理支護(hù)技術(shù)，它反映了層狀巖層中軟弱煤體巷道維護(hù)的一般規(guī)律。三.巷道圍巖滯后注漿施工控制技術(shù)在注漿工程中，只有采取正確的施工控制技術(shù)，才可能對注漿的過程作用進(jìn)行有效的控制，取得預(yù)期的效果。由于注漿過程中漿液運動狀態(tài)存在著復(fù)雜的展開方式，其影響因素和條件錯綜復(fù)雜，因此研究與巷道圍巖滯后注漿相適宜的施工技術(shù)是很重要的。對注漿材料、注漿方法、注漿參數(shù)設(shè)計和施工工藝等因素進(jìn)行選擇并優(yōu)化組合，以保證注漿加固質(zhì)量，使注漿工程效果和經(jīng)濟(jì)效益整體最優(yōu)。巷道一般是臨時性或半永久性工程，注漿的目的是控制圍巖有限的變形，在服務(wù)期間內(nèi)能滿足要求即可，與大型巖土注漿加固工程相比，控制變形的要求大大降低，相應(yīng)的施7-I藝應(yīng)簡單實用，費用低廉，才可能作為巷道維護(hù)的一個常規(guī)手段推廣應(yīng)用。一、施工控制的基本原則.限制壓力的原則注漿壓力是克服漿液自身的流動阻力，并提供漿液在裂隙中擴散、充填和壓實的動力。注漿壓力對漿液擴散的影響最顯著，理論研究表明提高注漿壓力可以較大幅度地擴大注漿范圍，顯著減少工程量。但巷道圍巖特定的結(jié)構(gòu)，使得不可能完全按照漿液的滲透距離來設(shè)計注漿孔間排距，圍巖的滲透性能常常是富余的，利用提高注漿壓力來擴大注漿范圍實際意義不大，當(dāng)然在允許的范圍內(nèi)提高注漿壓力是可供選擇的最經(jīng)濟(jì)的措施。從巷道圍巖系統(tǒng)看，限制注漿壓力的原則可用如下公式表達(dá)：P=p0+min(p1,p2,p3)式中Po——漿液克服管路中的流動阻力所必須的壓力，MPa；Pl——漿液擴散要求的注漿壓力，克服裂隙中的滲透阻力，并保證一個合理的滲透距離，MPa；P2——注漿墊層限制的壓力，MPa；P3——控制漏漿要求的注漿壓力，MPa。常規(guī)支護(hù)中砌碹能形成較好的止?jié){層，但該種支護(hù)已較少采用；巷道圍巖一般不可能形成完整的注漿墊層，難以避免漏漿，注漿孔封孔深度是有限的，在破裂巖體內(nèi)封孔其強度也是有限的，而巷道圍巖向巷內(nèi)表層其滲透性能提高很快，因而注漿壓力不宜過大，以免破壞巷道表面的墊層，導(dǎo)致大量的漏漿。通常在注漿前，巷道表面噴混凝土層封閉巖面，既作為注漿墊層，又防止漏漿，但實際上很難保證噴層完整，因而漏漿是必然的。除了改善漿液的性能，提高凝結(jié)時間，調(diào)低注漿壓力對防止漏漿才有明顯作用。注漿壓力還受到注漿系統(tǒng)的壓力一流量特性曲線和工程條件限制。.漿液擴散的有效性原則‘巷道圍巖注漿過程主要是裂隙網(wǎng)絡(luò)中漿液的滲透過程，而裂隙是有方向性的，因而圍巖滲透的各向異性十分明顯，很可能在某個方向上漿液流動很遠(yuǎn)，而在另一方向上滲流很不充分。用擴散半徑來描述常常不能說明漿液流動的實質(zhì)，因而應(yīng)區(qū)分不同方向的擴散距離，并指導(dǎo)注漿孔的布置，以便均勻注漿。即使在滲流較充分的方向上，仍要分析偏流效應(yīng)的影響，僅沿某個或某些貫通的主導(dǎo)大裂隙流動，仍不能達(dá)到注漿固結(jié)的效果。只有查明裂隙分布特點，突出滲流主向和滲透性能對注漿效果的影響，把握有效注漿的范圍，才能實現(xiàn)加固的目的。二、施工控制技術(shù)1.調(diào)壓注漿控制注漿過程首先必須保證一定的注漿壓力，這是實現(xiàn)注漿的基礎(chǔ)，但應(yīng)采取有利于減少注漿壓力的技術(shù)和措施，以盡量降低注漿壓力，適應(yīng)巷道圍巖注漿的特點。對于松散圍巖，可選擇調(diào)壓注漿技術(shù)，即低壓淺孔初注，首先固結(jié)巷道周邊破裂巖體，待漿液固結(jié)后，在該區(qū)鉆深孔調(diào)高壓力復(fù)注，充分利用已固結(jié)區(qū)形成的注漿墊層。.優(yōu)化注漿孔布置根據(jù)裂隙的分布特征，沿巷道內(nèi)主導(dǎo)裂隙面的延展方向漿液滲透距離遠(yuǎn)，注漿孔排距可適當(dāng)加大，與主導(dǎo)裂隙面垂直的方向漿液滲透距離小，宜適當(dāng)加密注漿孔。.選擇合理的注漿順序漿液沿某方向滲透較遠(yuǎn)，并不一定能形成有效的注漿范圍，由偏流效應(yīng)知，只有大裂隙注入漿液后，小的裂隙才可能得到較好的注入。沿主導(dǎo)裂隙間隔注漿，交替進(jìn)行，可以保證漿液在整個圍巖的充分加固。.采用復(fù)注漿技術(shù)由于某種原因一序列孔常常難以保證有效的全面加固，采用復(fù)注漿可以在主要裂隙加固后，注漿固結(jié)一些死角。.選擇合理的注漿系統(tǒng)和注漿設(shè)備巷道圍巖注漿過程產(chǎn)生的漿液阻力是一個逐漸增加的過程，初期注漿量大，阻力小，后期注漿量小，阻力大，要求注漿泵的工作特性與之匹配，以保證漿液的順利注入。逐漸衰減的注漿壓力不利于漿液的滲透，不斷提高的注漿壓力不利于注漿過程的控制，對安全也有影響。具有定壓調(diào)量工作特性曲線的注漿泵能夠滿足巷道圍巖注漿的需求。注漿系統(tǒng)一般應(yīng)選擇便于控制的雙液注漿系統(tǒng)。.開展注漿監(jiān)測監(jiān)控巷道圍巖注漿是一項隱蔽工程，必須進(jìn)行必要的監(jiān)測監(jiān)控。常規(guī)的檢查手段是鉆孔注漿檢查注漿量，或聲波檢測注漿體工程質(zhì)量。文獻(xiàn)提出定常能量法，認(rèn)為注漿量與注漿壓力的乘積是一個相對穩(wěn)定的值，可作為注漿的施工和檢測標(biāo)準(zhǔn)。實際上定壓調(diào)量的注漿泵已滿足這一點，但使用該種注漿泵并不總能保證注漿效果。實踐中發(fā)現(xiàn)巷道不同的區(qū)段，同一斷面的不同注漿孔位對注漿量和注漿壓力的要求都是不同的。由于注漿過程的復(fù)雜性，還很難形成統(tǒng)一的注漿監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，隨機鉆孔注漿檢查，當(dāng)注漿量降低到正常注漿時的10%?20%以下時，就可以認(rèn)為注漿質(zhì)量合格，根據(jù)工程特點和重要性確定具體的標(biāo)準(zhǔn)。第七章軟巖巷道錨注分階段加固技術(shù)巷道圍巖滯后注漿與堵水、加固工程不同，它是滯后參與巷道穩(wěn)定過程的一種支護(hù)方法。注漿前一階段的圍巖穩(wěn)定性完全取決于其他支護(hù)手段，因而必須與其他常規(guī)支護(hù)相結(jié)合，研究他們之間的合理匹配。本章將滯后注漿加固技術(shù)進(jìn)一步與高應(yīng)力動壓巷道的維護(hù)特點相結(jié)合，提出噴錨注分階段支護(hù)技術(shù)，探