一种断层破碎区巷道三维立体注浆支护方法与流程

本发明涉及一种煤矿巷道注浆联合支护方法，具体涉及一种适用于断层破碎区巷道三维立体注浆支护方法，属于巷道支护领域。

背景技术：

在矿井的建设工程中，断层破碎区这种不良地质现象作为巷道围岩不稳定区段在开挖过程中是比较常见的。由于断层破碎区巷道围岩强度低，随掘随冒并且容易发生大变形，所以当巷道掘至断层破碎区时，经常会发生如冒顶、突水等地质灾害，这使得处于断层破碎区内的巷道支护难度极大，且在巷道的使用过程中很有可能会发生大变形从而引起支护结构的失稳破坏。因此，一直以来断层破碎区巷道围岩稳定性控制与支护都是其重点以及难点。

现有断层破碎区巷道支护技术中存在着以下几点问题：

1、对于断层破碎区巷道而言，由于断层破碎区巷道围岩胶结程度低，在巷道开挖后自稳能力差，导致空顶自稳时间短且随掘随冒，极易发生安全事故。而现有的支护方法中，如中国专利cn104533453a公开的用于巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，通过“锚网带索注”支护方式对断层破碎区巷道进行动态支护和分布加固，从而达到更好的支护效果。这种支护方法仅适用于顶板有一定自稳能力的巷道，而对于顶板随掘随冒的断层破碎区巷道并不适用。

2、对于断层破碎区巷道围岩的控制，由于断层破碎区巷道围岩极其破碎，围岩裂隙发育，常规的锚杆锚索支护在破碎围岩中易发生脱锚，导致支护失效。而现有的支护方法中，如中国专利cn103850688a公开的一种复杂断层破碎带大断面巷道动态迭加耦合支护方法，通过超前小导管注浆加锚网索喷加注浆锚杆联合支护方法对断层破碎带巷道围岩进行有效控制。但这种支护方法由于注浆导管短、注浆压力小，使得浆液扩散范围有限，仅对巷道围岩浅部有一定的支护效果，缺乏对深部裂隙围岩的有效控制，对于断层破碎区巷道而言，不能保证巷道的长期稳定。且由于超前小导管注浆距离短，超前支护范围有限，浆液凝结提高围岩强度需要一定的时间，这就使得巷道掘进速度受到严重影响。

因此，针对断层破碎区巷道，需要一种能够有效防止破碎顶板随掘随冒且能够有效控制松散破碎围岩变形的支护方法，实现煤矿断层破碎区巷道的快速安全施工。

技术实现要素：

为了解决存在的问题，本发明提出一种断层破碎区巷道三维注浆支护方法，以解决断层破碎区巷道围岩松软破碎、支护困难的问题。

技术方案是，本发明提供一种断层破碎区巷道三维注浆支护方法，具体步骤如下：

步骤一:当巷道掘进至断层破碎带前，对掘进头进行喷浆封闭迎头围岩，喷浆后通过注浆锚杆进行浅部注浆，注浆加固形成止浆墙后再进行超前注浆，防止漏浆；

步骤二：止浆墙形成后，通过地质钻机沿止浆墙轮廓线在距离拱顶300mm的位置均匀布置多个超前注浆注浆孔，成孔后在注浆孔内布置超前注浆花管，在注浆花管和孔口套管之间采用水泥封孔后进行超前注浆；

步骤三：超前注浆支护结束，待浆液固结后可继续开挖巷道，巷道开挖后立即采用u型钢支架对巷道进行架棚支护，限制围岩变形以及防止巷道垮塌；

步骤四：u型钢支架架设后，利用锚杆钻机先打顶板和两帮注浆锚杆钻孔，成孔后进行顶板和两帮注浆锚杆的安装。顶板和两帮注浆锚杆安装完成后，利用锚杆钻机打底板注浆锚杆钻孔，成孔后安装底板注浆锚杆，完成巷道围岩浅部全断面注浆锚杆的安装；

步骤五：在注浆锚杆安装完成后，利用锚索钻机打顶板以及帮部注浆锚索钻孔，成孔后安装顶板和帮部注浆锚索，完成巷道围岩深部注浆锚索的安装；

步骤六：当注浆锚杆以及注浆锚索安装结束后，向巷道围岩喷射混凝土形成喷浆层，避免锚注时漏浆并且可以防止巷道围岩风化潮解；

步骤七：喷浆结束后，先进行注浆锚杆注浆，依次对巷道底板、两帮及顶板注浆锚杆注浆，在巷道围岩浅部形成浅部注浆加固圈；

步骤八：注浆锚杆结束后，接着对巷道帮部注浆锚索以及顶板注浆锚索依次进行注浆，形成巷道围岩深部注浆加固圈；

步骤九：待注浆完成后，用混凝土回填底板至设计断面，形成巷道底板上的平整混凝土回填层。

所述步骤一中，止浆墙注浆选用螺纹钢中空注浆锚杆，锚杆规格为沿止浆墙的轮廓线均匀布置，且由外向内布置多圈，相邻锚杆间距约1600mm。

所述步骤二中，超前注浆管的间距根据浆液的扩散半径来确定，具体的公式如下：

其中：r1为浆液扩散半径；k为地层渗透系数；h1为注浆压力水头；t为注浆时间；n为孔隙度；β为浆液粘度与水的粘度比；r0为注浆管半径。

所述步骤二中，超前注浆注浆孔采用直径94mm的钻头施工，相邻注浆孔间距为1500mm，仰角为10°，向迎头上方施工，外插角25°，相邻注浆孔的终端间距为5700mm。

所述步骤二中，超前注浆所下注浆管规格为直径73mm的花管，花管长度为10m，每根注浆管端头车有螺纹，用于连接注浆管，沿管壁垂直钻设多排直径8mm的溢浆孔，梅花形布置，固管长度2m。

所述步骤二中，超前注浆采用bw系列井下高压卧式注浆泵，具有压力高，流量大等优点，最高注浆压力可达到10mpa。超前注浆注浆压力取为5.0～7.0mpa。

所述步骤三中，u型钢采用u36型钢支架，棚距中对中600mm，搭接长度500mm，钢背板规格800×1200×80mm。

所述步骤四中，顶帮注浆锚杆选用螺纹钢中空注浆锚杆，规格为破断力≥15t，杆体上顺序钻有注浆孔，杆尾砸扁，封孔采用快硬水泥药卷。

所述步骤四中，帮部底端的注浆管向下倾斜布置，与水平方向呈30°夹角。

所述步骤四中，底板注浆锚杆选用螺纹钢中空注浆锚杆，规格为每排3根，两边注浆锚杆斜打，与竖直方向成15°角。

所述步骤五中，高强注浆锚索由8根预应力钢丝组成，中间最小直径为31.5mm，骨架处直径为35mm。锚索全长布置5个骨架，中空钢管直径为13mm，强度级别为1570mpa，伸长率≥3.5％。

所述步骤五中，顶板注浆锚索规格帮部注浆锚索规格由螺旋肋钢绞线组成，锚索体中心有注浆孔，锚索尾部设类似鸟巢的锚固段。

所述步骤六中，喷浆所用混凝土原料配比为：水泥:黄沙:石子＝1:2:2，喷射砼强度等级为c20，混凝土喷浆层厚度为120～150mm。

所述步骤七中，利用注浆泵对注浆锚杆进行注浆，注浆锚杆的注浆压力取为2.0～3.0mpa，注浆锚杆单孔注浆时间为250～400s，注浆结束标准通过控制泵压和跑浆量来决定，当达到设计注浆压力时或出现大量漏浆时，即可停止注浆。

所述步骤八中，利用注浆泵对注浆锚索进行注浆，注浆锚索的注浆压力取为4.0～6.0mpa，注浆锚索单孔注浆时间为600～800s，注浆结束标准通过控制泵压和跑浆量来决定，当达到设计注浆压力时或出现大量漏浆时，即可停止注浆。

所述浆液采用普通硅酸盐水泥加添加剂，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，添加剂采用acz-1型水泥添加剂，用量为水泥重量的4％～6％。浆液水灰比为0.7:1～1:1，注浆时先注浓浆后注稀浆。

本发明有益效果：

1、本发明基于空间效应，通过超前预注浆以及深浅耦合全断面锚注支护的有机结合，将处于断层破碎区内的巷道破碎围岩胶结形成完整岩体，实现了断层破碎区内巷道围岩的三维立体注浆，增强了岩体自身的承载能力，通过主动支护和被动支护的协同作用，提高整个支护体系的支护能力。

2、通过超前注浆对工作面前方断层破碎区内巷道破碎顶板进行预注浆加固，以防止巷道顶帮在开挖后发生坍塌。预先向待开挖巷道拱顶前方打超前钻孔并进行高压注浆，注浆范围广，浆液扩散半径大，使得处于断层破碎区内的破碎围岩体通过浆液的胶结作用形成一个整体，从而增强岩体自承能力，避免了巷道顶板在开挖后随掘随冒，提高了巷道的掘进速度。

3、通过注浆锚杆在围岩浅部形成浅部注浆加固圈，使得巷道浅部卸压区的破碎围岩能胶结成整体，提高岩体的粘聚力和内摩擦角等力学性能。同时在浅部区域内形成具有一定厚度的注浆加固拱，以增大围岩的整体承载力，从而控制巷道浅部围岩的变形。通过采用注浆锚索对深部围岩进行加固，以使深部一定范围内岩体的胶结程度增大，提高岩体的承载能力，从而起到对浅部注浆加固拱的悬吊作用。以此通过深部注浆加固与浅部注浆加固的耦合作用来控制巷道围岩变形破坏。

4、本发明较好的解决了断层破碎区巷道围岩十分破碎，顶板随掘随冒，变形严重，难以支护的问题，为断层破碎区巷道的稳定性控制提供了依据，有效的避免了巷道的返修工作，保证断层破碎区巷道的快速掘进以及长期稳定。

附图说明

图1是超前注浆钻孔布置示意图

图2是超前注浆支护展开示意图

图3是超前注浆支护剖面图

图4是注浆锚杆和注浆锚索支护断面示意图

图5是注浆锚杆和注浆锚索支护顶拱俯视图

图中，1.超前注浆钻孔；2.注浆锚杆；3.u型钢支架；4.顶板注浆锚索；5.帮部注浆锚索；6.混凝土喷浆层；7.混凝土回填层。

具体实施方式

结合附图，对本发明支护方法进行进一步的描述：

本发明提出的断层破碎区巷道三维注浆支护方法，具体步骤如下：

步骤一、当巷道掘进后，对掘进头进行喷浆封闭迎头围岩，喷浆后采用规格为的注浆锚杆2进行浅部注浆，间距约1600mm，注浆加固形成止浆墙后，再进行超前注浆，防止漏浆；

步骤二、止浆墙形成后，通过地质钻机采用直径94mm的钻头在距离拱顶300mm的位置均匀布置5个超前注浆注浆孔1，相邻钻孔间距为1500mm，外插角25°，孔终端间距为5700mm，超前注浆注浆压力取为5.0～7.0mpa；成孔后下直径73mm的超前注浆花管，花管长度为10m，每根注浆管端头车有螺纹，用于连接注浆管，沿管壁垂直钻设多排直径8mm的溢浆孔，梅花形布置，固管长度2m；在注浆花管和孔口套管之间采用水泥封孔后进行超前注浆(如图1-图3所示)；

步骤三、超前注浆支护结束，待浆液固结后可继续开挖巷道，开挖后采用u36型钢支架3进行架棚支护，棚距中对中600mm，搭接长度500mm，钢背板规格800×1200×80mm(如图4示)；

步骤四、u型钢支架3架设后，利用锚杆钻机打顶板和两帮注浆锚杆钻孔，安装顶帮注浆锚杆2，顶帮注浆锚杆选用螺纹钢中空注浆锚杆，规格为破断力≥15t，杆体上顺序钻有注浆孔，杆尾砸扁，封孔采用快硬水泥药卷；打底板注浆锚杆钻孔，安装底板注浆锚杆，底板注浆锚杆选用螺纹钢中空注浆锚杆，规格为每排3根，两边注浆锚杆斜打，与竖直方向成15°角，间排距为700×700；完成浅部全断面注浆锚杆的安装(如图4所示)；

步骤五、在注浆锚杆2安装完成后，利用锚索钻机打顶板以及帮部注浆锚索钻孔，安装顶板注浆锚索4以及帮部注浆锚索5；注浆锚索由8根预应力钢丝组成，中间最小直径为31.5mm，骨架处直径为35mm；锚索全长布置5个骨架，中空钢管直径为13mm。顶板注浆锚索4规格为强度级别为1570mpa，伸长率≥3.5％；帮部注浆锚索5规格为强度级别为1570mpa，伸长率≥3.5％，完成深部注浆锚索的安装；上述一至五步骤中所述的注浆锚杆2、u型钢支架3以及注浆锚索依次间隔设置(如图5所示)；

步骤六、当注浆锚杆以及注浆锚索安装结束后，向巷道围岩喷射混凝土原料配比为：水泥:黄沙:石子＝1:2:2的混凝土，喷射砼强度等级为c20，混凝土喷浆层6厚度为120～150mm，形成喷浆层6；

步骤七：喷浆结束后，对注浆锚杆2进行注浆，按巷道底板、两帮及顶板注浆锚杆依次注浆，注浆锚杆2的注浆压力取为2.0～3.0mpa，注浆锚杆单孔注浆时间为250～400s，注浆浆液为425#普通硅酸盐水泥加acz-1型水泥添加剂，添加剂用量为水泥重量的4％～6％。浆液水灰比为0.7:1～1:1，在巷道围岩浅部形成浅部注浆加固圈；

步骤八：接着对巷道帮部注浆锚索5以及顶板注浆锚索4依次进行注浆，注浆锚索的注浆压力取为4.0～6.0mpa，注浆锚索单孔注浆时间为600～800s，注浆浆液为425#普通硅酸盐水泥加acz-1型水泥添加剂，添加剂用量为水泥重量的4％～6％。浆液水灰比为0.7:1～1:1，形成深部注浆加固圈；

步骤九：待全部注浆工作完成后，用强度等级为c20的混凝土回填底板至设计断面，形成巷道底板上的平整混凝土回填层7。