盘江精煤股份有限公司山脚树矿 贵州六盘水 553533
本实验项目分为地面注浆材料配比实验和井下注浆实验两部分。
一、地面注浆配比实验
（一）试验目的
对超细水泥、普通水泥以及超细水泥与普通水泥按一定比例混合的浇筑试件进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验，测定各浇筑试件的物理力学参数，探索加载路径条件下浇筑试件变形、破坏以及强度特征，找出最高强度及合适凝固时间的配比，为深部巷道复合型软岩巷道注浆加固机理、设计方案提供理论支撑。
（二）试样制备
将浇筑试件加工成直径50mm、高100mm以及直径50×25mm的圆柱体。为了保证试件的均质性，需对试件进行试验前进行肉眼的筛选，对试件表面气泡性较大的试件弃用，尽可能精度满足岩石力学试验的要求。
（三）试验设备
单轴、劈裂试验拟在贵州大学资源与环境工程学院岩石力学试验机上进行，该试验系统可以测量试样的轴向应变。因试件强度小于硬质岩石强度，本试验中采用位移控制（由试验辅助软件系统程序自动控制实现）。
（四）试验数据处理结果
1、单轴试验结果数据汇总见表1、图1所示。
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图1 单轴抗压强度与水灰比关系
2、劈裂试验结果数据汇总见表2、图2所示。
表1 试件单轴试验结果汇总表
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注：Mc代表超细水泥的质量，Mp代表普通水泥的质量
表2 试件劈裂试验结果汇总表
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注：Mc代表超细水泥的质量，Mp代表普通水泥的质量
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图2 抗压强度与水灰比关系
由表1、图1分析发现：（1）普通水泥、Mc：Mp=7：3等材料随水灰比增大单轴抗压强度逐渐递减，也就是说，水泥浆液越粘稠，试件的单轴抗压强度越高；（2）超细水泥、Mc：Mp=3：7等材料单轴抗压强度与水灰比关系不明显，离散性较大；（3）水灰比 0.45：1、超细水泥与普通水泥按7：3混合浇筑的试件单轴抗压强度最大（23.39MPa），仅用普通水泥按水灰比 0.45：1进行浇筑的试件，其单轴抗压强度次之，强度为21.86MPa。
由表2、图2分析发现：（1）普通水泥、Mc：Mp=7：3等材料随水灰比增大单轴抗压强度逐渐递减，也就是说，水泥浆液越粘稠，试件的单轴抗压强度越高；（2）超细水泥、Mc：Mp=3：7等材料单轴抗压强度与水灰比关系不明显，离散性较大；（3）在不考虑水灰比 0.6：1下超细水泥抗拉强度，水灰比为0.4：1为普通水泥试件单轴抗拉强度最大（3.45MPa）（注：岩石抗拉强度为单轴强度1/10左右）。
由表1、表2、图1及图2可以看出，试件单轴抗压强度、抗拉强度离散性较大，可能原因是：（1）采用人工对试件进行磨平，精度达不到标准，试件因端部效应提前破坏，影响强度测定；（2）试件浇筑过程中，振实不够，试件成形脱膜后，存在明显的气泡和孔洞，影响试件强度；（3）因经费有限，所测试试件数目过少，按要求，每组试验为5块。
对比上述分析可以看出，从成本角度考虑，建议采用普通水泥与水玻璃等材料对进行井下注浆加固。
二、井下注浆实验
井下注浆实验主要任务是找出最适合井下同岩性最高强度的试验配比，进行扩散范围试验制定合理注浆管的深度及间排距，在围岩破碎严重地段进行注浆工艺与扩巷修复结合的试验，找出合理工艺。井下主要实验地点为行人斜井1370联巷、226轨道石门。
（一）支护方案及具体支护参数
煤系地层的赋存条件在不同的地段是不一样的，相同的支护参数支护整条巷道是不科学的。应根据不同巷道围岩赋存情况调整不同的支护参数及支护密度。
方案：锚网+中空注浆锚索方案
采用浅孔注浆+锚网喷支护+中空注浆锚索支护。采用浅孔注浆稳固破碎围岩，再扩巷修复并进行锚网支护，再喷浆，最后进行中空注浆锚索支护。
1）浅孔注浆加固
注浆材料采用硫铝酸盐水泥，主要作用是封堵大型裂隙和加固浅层破碎围岩，为后续的中空注浆锚索高压注浆准备条件。
采用风钻钻孔，每断面布置8个孔，间距1400mm、排距1400mm；钻头直径Φ=28mm，注浆管长度为2.0m，采用4分钢管制成，钢管底端砸成扁状；注浆压力一般不超过3.0MPa，注浆量以不发生大量跑浆为准。注浆顺序：从底角眼孔开始注浆，尽可能低压注浆，依次向上。
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图3 浅注浆支护断面图
图4 浅注浆效果图
2）扩刷
将原直墙半圆拱形巷道扩刷至设计尺寸：底宽×中高=5.0m×3.0m，敲帮问顶，必须将活矸处理掉。
3）锚网支护
锚杆选用采用M20－2470强度全螺纹锚杆，锚杆间、排距700×700mm，每孔采用2支MSK2360快速树脂药卷锚固，扭矩不得低于150 N·M，顶部锚杆垂直岩面，帮角锚杆带25°下扎角度施工，具体布置参数见图2所示。锚杆托盘规格方形球面140×140×10mm，金属网用Φ6mm冷拔电焊钢筋网，金属网外形尺寸为1500×960mm，网孔规格为80×80mm。
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图5 锚网支护断面图
图6注浆实际效果图
4）复喷混凝土
二次补强支护安装结束后，及时喷射混凝土封闭围岩，喷层厚度50mm；混凝土配比，水泥：黄沙：石子=1：2：2，防止锚网暴露空气中锈蚀。
5）中空注浆锚索
施工中空注浆锚索，与补强锚杆间隔布置，中空注浆锚索直径21.6mm，长8000mm，配用400×400×15mm高强度拱形托盘，预紧力不得低于150KN。每个断面布置5套中空注浆锚索，排距1600mm，每根锚索采用2支MSK2360快速树脂药卷加长锚固，使锚索能立即承载。中空注浆锚索注浆时机根据矿压观测确定，开始阶段按滞后迎头30m实施，水灰比为1：1，注浆压力为5MPa。
图7中空锚索注浆实际效果图
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图8 巷道锚杆、锚索布置平面图
（二）支护参数密度
经计算，该设计支护材料消耗为：Φ20-2470锚杆16.25根/m、Φ20-3000锚杆8.13根/m、Φ21.6-8000中空注浆锚索3.13根/m、4分注浆管5根/m、Φ6.0-100×100钢筋网4.16张/m、混凝土1.22m3/m。
（三）注浆支护成本
井下注浆实验分别采用了普通水泥和超细水泥进行了注浆实验，单孔注浆量在0.5-2包水泥，浅孔注浆平均单孔消耗1包水泥；深孔注浆单孔注浆量在1-6包，平均单孔消耗3包水泥。通过表4、表5计算得普通水泥注浆每米单价是1564.105元，超细水泥注浆每米单价是2554.185元。超细水泥注浆每米单价比普通水泥高990元，成本太高。实验过程中超细水泥只实验了5m距离，其效果跟普通水泥差不多，因此选用普通水泥进行注浆。
表4 普通水泥喷注浆单价
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表5 超细水泥喷注浆单价
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（四）注浆配比实验总结
在226轨道石门进行注浆实验30m，全部采用表6第3项配比；在行人斜井1370联巷进行注浆实验50m，采用表66第3项配比实验35m，采用表6第1项配比实验5m，采用表6第2项配比实验5m，采用表6第4项配比实验5m。速凝剂及水玻璃都是调节水泥凝固时间的作用，在浅孔注浆中为加快凝固时间都加大速凝剂比例或再添加水玻璃。超细水泥颗粒细流动性好、强度也高，但成本过高，在支护效果都差不多的情况下，优先选择表6第3项配比，即水：灰：速凝剂比例为1：1：0.08。
表6 井下注浆实验配比表
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（五）扩散范围试验总结
实验过程中发现，注浆扩展范围主要与裂隙、注浆压力有关，注浆压力越大扩展范围越远，压力在2MPa时，扩展范围在0.7-2.4m，压力达到3MPa时，扩展范围在达到3m，压力达到5MPa时，扩展范围达到4-4.9m。浅孔注浆压力要求要达到3MPa，深孔注浆压力要求要达到5MPa。在实验中浅孔和深孔的间排距都选1.4×1.4m，通过实验得出注浆孔间排距过小，浅孔的间排距合理的应布置成2×2m，深孔的间排距合理的应布置成3×3m。
（六）注浆工艺总结
注浆工艺对顶板支护效果影响非常大。以226轨道石门和行人斜井1370联巷作为对比，两者都计划采用先注浅孔后注深孔的方式进行注浆。由于施工组织存在问题，由两个不同队组施工导致施工注浆进度跟不上修复进度，注浆落后了修复进度1个月时间，注浆时为赶进度浅孔和深孔注浆先后错开时间在1-2天，而该处又受到221212采面末采动压影响，顶板注浆后顶板下沉0.8m。而行人斜井1370联巷严格按照先浅孔注浆再修复最后深孔注浆的施工工艺施工，该处又无动压影响，顶板下沉量在10-50mm左右。
（七）注浆支护效果总结
通过对226轨道石门和行人斜井1370联巷注浆后结果分析，注浆后能明显加固围岩帮顶、减少顶板下沉量。但在岩层中注浆后，由于在岩层封闭空间中水泥化学反应不充分，其抗压强度达不到地面试验样块的2/3。226轨道石门受动压剪切效应的影响，已注浆的顶板会产生会产生剪切断裂，导致顶板下沉。在受动压影响地段采用可塑性的注浆材料，应会比水泥注浆效果会好一些。行人斜井1370联巷注浆已结束7个月，目前顶板下沉量在10-50mm，支护效果非常好，虽然使用了4种不同的配比，但支护效果差异性非常小，因此应优先成本低的配比，即水：灰：速凝剂比例为1：1：0.08。再将注浆孔间排距进行优化调整为浅孔2×2m、深孔3×3m的话，支护成本就能再下降一些。
三、注浆实验总结
根据实验结果得出山脚树矿采二区采用普通水泥+速凝剂进行注浆能满足加固顶板围需要，注浆经济配比为水：灰：速凝剂比例为1：1：0.08。注浆孔间排距浅孔2×2m、深孔3×3m较为合理。注浆工艺很重要，应先注浅孔让顶板凝固后再注深孔，喷注浆工作不能落后修复工作面超过10m。水泥注浆对顶板可塑性小，只适用于没有动压影响的巷道。