2013煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势_康红普

综述
煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势
康红普1，2，冯志强
1，2
（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013； 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013）
［摘要］对煤矿巷道围岩注浆方法分类、注浆加固作用与注浆理论、注浆加固材料的类型与
物理力学特性、注浆参数的选择与工艺及注浆质量检测方法等进行了较为详细地论述与分析。

通过2个应用实例，介绍了水泥注浆与化学注浆加固的应用条件、注浆加固设计及注浆效果评价。

最后针对注浆加固存在的问题，提出了巷道围岩地质力学测试与评估、注浆理论、材料、工艺及监测方面的发展方向。

［关键词］
破碎围岩；注浆加固；发展趋势
［中图分类号］TD353
［文献标识码］A
［文章编号］1006-6225（2013）03-0001-07Status and Development Tendency of Roadway Grunting
Reinforcement Technology in Coal Mine
KANG Hong-pu 1，2，FENG Zhi-qiang 1，
2
（1.Coal Mining ＆Designing Department ，Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China ；
2.Coal Mining ＆Designing Branch ，China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China ）
Abstract ：This paper introduced and analyzed grunting methods ，grunting reinforcement action and grunting theory ，grunting material and its physical and mechanical properties ，grunting parameters selection and grunting quality test.It put forward application condition of cement grunting and chemical grunting ，grunting reinforcement design and effect evaluation by 2examples.For the problems in grunt-ing reinforcement ，it indicated development tendency in geomechanics test and evaluation ，grunting theory ，material ，technique and monitoring.
Key words ：crack surrounding rock ；grunting reinforcement ；development tendency
［收稿日期］2013－05－20［基金项目］国家国际科技合作项目（2010DFB73070）
［作者简介］康红普(1965－)，男，山西五台人，博士，研究员，博士生导师，主要从事岩石力学与巷道支护技术方面的教学与研究工作。

1前言
经过多年的研究与实践，我国煤矿已经形成以煤岩体地质力学测试为基础、以锚固与注浆加固为核心的巷道支护成套技术，成为煤矿巷道首选的、
安全高效的支护技术
［1－2］。

对于围岩相对比较完整的巷道，高强度锚杆与锚索支护得到大面积推广应
用，取得良好的技术经济效益；对于破碎围岩巷道，单独采用锚杆与锚索支护，由于锚固剂与破碎围岩的粘结力小，锚固力不能保证，锚杆与锚索的力学性能不能充分发挥。

在这种条件下，注浆加固是巷道围岩控制的有效途径。

注浆是指采用物理或者化学方法，将可以固化的液体材料通过注浆泵或其他手段注入到破碎岩体或存在缺陷的构筑物裂隙内，从而改善其物理力学性能的方法和过程。

注浆技术是在对有缺陷的构筑物基础进行修复的过程中逐渐发展起来的。

在矿山立井建设过程中，为防止地下水渗入，注浆技术得
到了广泛应用，同时促进了注浆技术的不断发展。

随着注浆技术在各类岩土工程中的应用，注浆理论、注浆材料、注浆机具与工艺及注浆质量检测技
术等也得到了快速发展
［3－4］。

注浆理论从多孔介质注浆理论、拟连续介质注浆理论、裂隙介质注浆理
论逐渐发展为孔隙和裂隙双重介质注浆理论。

近年来随着计算机技术的发展，根据裂隙网络的特征，通过计算机技术进行裂隙岩体注浆的数值模拟。

注浆材料从最早的石灰、黏土、水泥发展到水泥—水玻璃双液浆，后又研发了适合不同用途的各类化学浆材，形成了用途不同、性能各异的多种化学注浆材料。

伴随注浆材料的发展，开发了与各种注浆材料相适应的施工机具和工艺。

此外，注浆工程多为隐蔽工程，施工过程中的质量检测往往靠注浆过程中压力的升高并凭借施工人员的经验进行。

为了解决注浆质量检测难题，开发了多种注浆质量检测方法与仪器。

本文主要介绍注浆分类、注浆理论、注浆材
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第18卷第3期（总第112期）
2013年6月煤矿开采Coal mining Technology Vol.18No.3（Series No.112）
June 2013
料、注浆检测技术的现状与取得的研究成果及2个应用实例，最后分析注浆加固技术的发展趋势。

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煤矿巷道注浆加固方法分类
煤矿巷道注浆加固的目的是提高破碎围岩的强度与整体性，改善其力学性能，提高破碎煤岩体在采掘过程中的稳定性，控制围岩变形与破坏，避免和减少破碎围岩造成的冒顶、片帮事故。

注浆加固方法分类如图1所示。

预注浆在工作面掘进前实施，适用于围岩极破碎，工作面一掘进就会引起冒顶、片帮的条件；后注浆分为掘后注浆与滞后注浆。

掘后注浆是巷道一掘出就进行注浆；滞后注浆指巷道掘出一定时间后再注浆。

图1注浆加固法分类
根据破碎巷道围岩加固工程性质可分为：永久工程加固和短期或临时加固工程。

对于永久性工程，主要有井筒、大巷、专用硐室加固；短期或临时性加固工程主要有掘进工作面过构造区、高应力区加固，回采工作面两端头三角煤加固，回采巷道、工作面开切眼及回撤通道加固等。

根据巷道围岩裂隙类型分为：裂隙型破碎围岩加固和疏松型软弱破碎围岩加固。

根据围岩裂隙成因分为：原生裂隙破碎型和采掘动压应力变化破坏型围岩加固。

通常所说的巷道维修加固，就是巷道服务一段时间后，由于围岩流变、受到采动影响，围岩出现较大变形与破坏，巷道断面与安全性不能满足生产要求后实施的注浆加固。

此外，注浆加固可单独实施，也可与锚固技术
联合使用，为此，开发了多种形式的注浆锚杆［5］。

锚注加固技术是利用锚杆兼作注浆管，对巷道围岩进行注浆。

一方面可加固巷道周边的破裂煤岩体，
提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂煤岩体的结构及力学性能，为锚杆提供可锚的基础，提高锚固力，最大限度地发挥锚杆的支护作用。

3巷道注浆加固作用与注浆理论3.1
注浆加固作用
已有的研究成果表明，巷道围岩注浆加固主要有以下三方面作用：
（1）注浆提高巷道围岩结构面的强度和刚度。

结构面发育的煤岩体，其强度和变形主要由结构面控制。

一般情况下，结构面的强度与刚度比较低，容易出现离层、滑动和张开，导致煤岩体强度降低，体积增大，引起巷道围岩变形。

注浆加固材料可显著提高结构面的强度和刚度，从而提高煤岩体的整体强度，增加围岩的自身承载能力。

（2）充填压密裂隙。

浆液在泵压的作用下，渗透充填一些裂隙，另外经挤压可使一些充填不到的裂隙闭合，从而降低煤岩体的孔隙率，改善裂隙、孔隙周围的应力分布状态，提高围岩强度。

（3）注浆封闭水源、隔绝空气。

围岩注浆可有效地封堵流水通道，防止或减轻水对围岩的软化，避免围岩强度因水的影响而大幅降低。

同时，围岩注浆后封堵了裂隙，可有效地防止围岩风化。

3.2注浆加固理论
注浆理论研究相对于注浆材料与注浆工艺的发展有些滞后，其多是从岩体裂隙渗流理论上发展变
化而来的。

归结起来有如下几个方面
［6－12］
：(1)多孔介质注浆理论多孔介质注浆理论
的主要代表有马格（Magg ）球形扩散理论，以及后来在此基础上发展起来的卡罗尔（Karol ）及拉芙莱（Raffle ）浆液渗透理论。

该理论假设浆液为牛顿体，黏度一定；浆液从注浆孔的底部注入岩土体，把注浆源假定为点源；同时假定被注介质为均质、各向同性，浆液在岩土体中呈球状扩散。

尽管该理论对被注岩土体做了各项同性的假定，同时也对浆液的流变性未加考虑。

但是由于其公式简单，至今仍作为注浆工程设计的主要理论基础指导注浆设计。

(2)拟连续介质注浆理论
拟连续介质注浆
理论是通过把岩体中的裂隙进行等效处理，假定浆液充满岩体裂隙进行流动，并根据裂隙的密度与数量进行平均分配，从而分析浆液的流动规律。

(3)裂隙介质注浆理论裂隙介质注浆理论
假定浆液为牛顿流体或宾汉姆浆液，并将裂隙看成为单一裂隙，且裂隙面光滑、裂宽一定、浆液在裂隙中的流动为层流，在这些假设的基础上分析浆液的流动情况。

具有代表性的理论有贝克（Baker ）
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总第112期煤矿开采2013年第3期
公式和刘嘉材公式。

(4)裂隙岩体注浆的数值模拟随着计算机技术的发展，人们逐渐通过该技术对浆液的流动特性进行模拟［13－15］。

一般将裂隙交叉点作为节点，节点与节点间的裂隙作为线单元，节点处的流量变化为零（稳定流）或等于贮存量的变化（非稳定流），建立了浆液的裂隙岩体网络渗流控制方程。

虽然裂隙注浆的数值模拟相对于物理模型模拟要快捷、简便、成本低，而且也能很好地反映浆液在裂隙网络中的流动规律，但是在进行数值模拟的时候大多将裂隙看成是光滑的，浆液在流动过程中隙宽不变、浆液黏度不变，这将影响分析浆液在裂隙中流动规律的真实性。

4注浆加固材料
注浆加固材料一般可分为3大类：水泥基、化学及水泥与化学复合注浆材料。

影响注浆材料使用性能的指标主要包括浆液黏度、力学指标、抗渗性能，在煤矿井下还要特别强调其阻燃及抗静电性能。

对于巷道围岩注浆，注浆材料要具备初始黏度低，流动性好，可注性强，可注入细小的裂隙内；凝胶固化时间可控制在一定时间内，并可以调整；具有较高的强度，包括粘结强度与抗压强度；浆液固化后无收缩现象；较强的抗老化性和防渗透能力；对人体无害，无污染，无腐蚀；材料来源丰富，价格低；浆液配制方便，操作简单。

4.1水泥基注浆材料
水泥基注浆材料具有结石强度高、耐久性好、无污染，材料来源丰富、工艺设备简单、成本低等特点，在各类注浆工程中得到广泛应用。

缺点为：浆液容易离析和沉淀、稳定性较差；颗粒度大，浆液难以注入岩层的细小裂隙或孔隙中，扩散半径较小；凝结时间不易控制、早期强度较低。

水泥基注浆材料适用于要求强度高，松散、离层明显的破碎煤岩体，对时效性要求不强的工程，比如煤矿井下大巷、硐室及采区巷道的加固。

水泥基浆液的流动性主要由浆液的剪切屈服强度和动力黏度决定，其中影响较大的是浆液动力黏度。

黏度越小，浆液在流动过程中压力损失越小，其流速、流量和扩散半径越大。

水化时间一定时，浆液黏度大小主要决定于水灰比，水灰比越大，其黏度越小。

凝胶时间对注浆效果的影响表现为：凝胶时间长，有利于浆液的均匀扩散和渗透，注浆加固的整体性较好。

但凝胶时间过长，将导致浆液扩散范围增大，从而增大浆液的流失量。

此外，有地下水时，凝胶时间长的水泥浆液易被地下水冲蚀，从而降低注浆效果。

对于永久工程加固，水泥基浆液一般使用42.5普通硅酸盐水泥，配合水泥注浆复合添加剂配制浆液。

水泥注浆大范围漏浆时，间歇注浆或压注水泥—水玻璃双液浆堵漏。

针对普通水泥注浆材料存在的问题，国内外又开发出超细水泥基注浆材料［1］。

如MC－100型超细水泥，比表面积达到1300m2/kg，其尺寸大于7.8μm的颗粒含量小于3%。

超细水泥基注浆材料的主要特点是可注性高，浆液能够渗透到微细裂隙中，粘结强度高、孔隙率低，具有良好的耐久性和抗渗性能，是一种很有发展前景的注浆材料。

4.2化学注浆材料
化学注浆材料一般为高分子材料，这种浆材为真溶液，黏度低，可注性好，渗透能力强，能注入煤岩体中的细小裂隙或孔隙［16］。

此外，化学浆液还具有固化速度快、固化时间可调等优点，因此在工期要求紧张、临时性工程中得到快速发展。

化学注浆材料的主要缺点是其结石体强度较低，耐久性较差，对周围环境和地下水有污染，而且价格昂贵。

这种注浆材料一般用于掘进工作面破碎煤岩体超前加固，防止掘进期间围岩垮落，保证正常掘进与支护。

经过半个多世纪的发展，我国的化学注浆材料从种类到质量，都已与国外相差无几，并且实现了工业化生产。

常见的化学注浆材料有水玻璃类、环氧树脂类、甲基丙烯酸甲酯类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、聚酯类、木质素类、脲醛树脂类、酚醛树脂及聚氨酯类注浆材料［17－18］。

但就化学材料本身而言，优缺点差异很大，具体见表1所示。

近年来，随着煤矿开采强度的增加与范围的扩大，大采高综采工作面越来越多，地质构造越来越复杂，破碎煤岩体普遍出现。

在这些地质与生产条件下，不可避免地会在遇到断层及破碎带等地质构造时发生煤壁片帮甚至冒顶等情况。

由于化学注浆材料具有固化快、强度较高、渗透性好等特性，能及时对煤壁片帮、冒顶等事故进行快速、有效地加固和处理，因此化学注浆材料在煤矿井下得到大面积推广应用。

目前，主要使用的是聚氨酯类注浆材料，这种化学加固材料具有如表1所列的优点。

但是，聚氨酯类材料由于其本身具有可燃性，并且反应时发热量高，导致反应温度偏高，对煤矿井下施工造成一定的安全隐患。

现在各材料生产单位都是通过掺入阻燃剂实现井下材料阻燃性要求。

但是这
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康红普等：煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势2013年第3期
表1化学注浆材料特点
注浆材料名称优点缺点
环氧树脂抗压强度高、粘结力强、耐酸碱黏度大、不耐潮湿、固化时间长甲基丙烯酸甲酯黏度低、粘结力强固化体积收缩大、易燃丙烯酰胺适用于堵水、黏度较低毒性大、抗压强度低、易燃
不饱和聚酯黏度低、强度高固化后体积收缩大、有气味、反应温度较高、易燃
木质素成本低（取材造纸废液）强度低、有害
脲醛树脂黏度低、固化强度高固化后脆性大，浆液中含游离甲醛，有一定的毒性、存储期短酚醛树脂阻燃脆性大、易成粉，固化时需要强酸，腐蚀设备
聚氨酯黏度低、渗透性好、强度高，综合性能良好易燃、反应温度较高
些阻燃剂都是含高氯离子类化学物质，一旦材料发
生冒烟或着火，高含氯离子的化学物质燃烧后会生
成有害气体，影响井下人员的安全。

为了解决上述问题并降低聚氨酯注浆材料成
本，国内外开展了通过硅酸盐对传统聚氨酯注浆材
料进行改性的研究。

该材料既保留了聚氨酯材料本
身优异的力学性能，又避免了可燃的缺点，适合巷
道围岩注浆加固使用。

该材料固化后形成有机相
（聚氨酯网络）—无机相（无机硅酸网络）三维结
构互穿网络，得到的固结体具有优异的力学特性。

煤炭科学研究总院开采设计研究分院开发的硅酸盐
改性聚氨酯注浆材料的性能指标如表2所示。

表2硅酸盐改性聚氨酯注浆材料性能指标
项目指标
浆液性能
A组分B组分外观无色透明液体深棕色透明液体黏度/mPa·s250 350150 250
闪点/ħ无＞190
反应性能
使用比例（体积比）A组分ʒB组分=1ʒ1
可流动时间/min2 5
阻燃性不可燃最高反应温度/ħ＜90
发泡性能不发泡
固结体抗压强度/MPa，24hr≥40
固结体抗拉强度/MPa，24hr≥7.0
固结体粘结强度/MPa，24hr≥3.0
4.3选择注浆材料的原则
注浆材料的性能决定注浆效果，合理选择注浆材料是保证巷道加固工程成功的基础。

选择注浆材料应考虑以下因素：
（1）巷道围岩结构面分布状况及围岩变形破坏情况，包括围岩裂隙发育程度、裂隙开度，维修加固巷道围岩破坏范围与深度等。

（2）对注浆施工后固结体抗变形能力、整体性的要求。

对井筒、开拓、准备巷道等永久性工程，注浆后应具有足够的抗变形能力；采区巷道和回采工作面，相对服务期短，应主要以维护围岩完整性为目的。

（3）在保证工程效果的前提下，尽可能使用来源广、成本低的注浆材料。

性能类似的材料选择工艺适应性强的材料。

对于裂隙型破碎巷道围岩，注浆加固应首选水泥基浆液，尤其是维修或翻修的永久工程，直接使用水泥基浆液或者水泥浆与水玻璃配合，不仅加固效果显著，而且可大幅降低工程成本。

对于浅部围岩裂隙密度与开度大、深部围岩裂隙细小的巷道维修加固工程，可采用水泥注浆后再进行化学注浆的复合注浆技术，在确保加固效果的同时降低加固成本。

对于掘进工作面破碎煤岩体超前加固，可采用化学加固材料，实现快速固化，保证掘进与支护的正常进行。

对于有发泡性能的化学浆液，固化过程产生膨胀压力，向周边微裂隙内二次渗透。

固结体在具有较高强度的同时具有较强的粘结力和良好韧性，在围岩开挖和产生变形时不发生开裂和破坏，围岩加固后具有较好的整体性。

5注浆参数与工艺
注浆加固工程施工前，应充分了解巷道围岩地质与生产条件，包括工程性质、煤岩体类型和围岩结构，在此基础上确定合理的注浆材料、工艺与参数［19］。

注浆加固参数主要有：注浆时间、注浆压力、注浆量、浆液扩散半径以及注浆孔的布置参数等，这些参数都不同程度地影响注浆加固效果。

5.1注浆时间
注浆时间有两层含义：一层是注浆过程所需要的时间，另一层是注浆与掘进的间隔时间。

关于注浆过程所需要的时间，对于裂隙、孔隙发育的围岩，为防止浆液在巷道内泄漏，注浆时在控制注浆压力和注浆量的同时，还要控制注浆时间，注浆时间不宜过长；对于裂隙不发育的围岩，吸浆速度较慢，浆液扩散较困难，为提高注浆效果，应在提高注浆压力的同时适当延长注浆时间。

注浆滞后于掘进工作面的间隔时间长短不同，围岩变形、破坏的程度不同，注浆加固的条件和要
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总第112期煤矿开采2013年第3期
求也不一样，最终的加固效果也会有差异。

滞后时间是注浆加固的一个重要参数，要保证浆液能充分注入到围岩中将破碎煤岩体粘结，固结体应有足够的强度与变形能力，以适应巷道围岩后续的变形。

滞后时间过短，围岩中的节理、层理、裂隙等结构面还没有充分张开与扩展，新裂纹还没有产生，注浆困难；相反，注浆过迟，围岩已发生严重变形与破坏，整体强度降低过多，注浆也难以发挥作用。

5.2注浆压力
注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力，其直接影响注浆加固质量和效果。

注浆压力受地层条件、注浆方式和注浆材料等因素的影响。

注浆压力的选择应注意压力过高会引起劈裂注浆，很可能在注浆过程中导致围岩片帮、冒顶。

如压力过小浆液难以向四周围岩中扩散。

注浆压力主要取决于煤岩体的渗透性、要求的渗透范围及浆液性质等。

对于水泥浆液加固，当围岩破碎严重时可选0.5MPa左右的注浆压力，比较破碎时取1MPa左右，裂隙较小时可采用1 2MPa。

如果围岩强度低，应控制注浆压力不超过其抗压强度的1/3。

5.3注浆量
由于围岩岩性、裂隙发育程度、松动范围不同，围岩吸浆量差别很大，同时受注浆压力、注浆时间等因素影响。

为了保证注浆能将裂隙充填密实，原则上应注到不吃浆为止。

5.4浆液扩散半径
浆液扩散半径是确定注浆钻孔布置参数（钻孔密度、深度等）的重要依据。

浆液在煤岩体裂隙中的扩散是不规则的，它随着煤岩层渗透系数、裂隙宽度、注浆压力、注入时间的增加而增大；随着浆液浓度和黏度的增加而减小。

通常以调节注浆压力、浆液注入量和浓度等参数来控制浆液扩散范围的大小。

5.5注浆孔的布置参数
注浆孔的布置参数主要指钻孔的间排距与深度。

注浆孔间排距的选择与扩散半径密切相关。

注浆孔的孔距应使2个注浆孔的扩散范围有一定交叉，应比二倍扩散半径小，取大约0.65 0.75的系数。

注浆深度应达到围岩裂隙发育、破碎区的边缘。

深部围岩裂隙不发育，浆液不易渗透，因此过深的钻孔作用不大。

6注浆质量检测
注浆质量直接影响工程质量和使用寿命，对被注煤岩体进行注浆效果检测非常重要［20］。

目前，国内外主要检测方法有：钻芯取样、超声波法、钻孔壁观察法及地质雷达法等。

钻芯法是注浆质量检测常用的方法，通过在煤岩体中钻取芯样检测注浆效果，具有直观、可靠、准确的特点。

这种方法的局限性表现为：钻取岩芯和芯样加工比较繁琐，成本较高；取芯只能反映钻孔范围内的小部分被注煤岩体的质量，对整体注浆工程来说，以点代面容易造成误判或漏判；钻孔取芯后，对被注煤岩体又是一次破坏，尤其对于堵水工程，会造成新的渗流或涌水通道。

超声波检测法是目前最常用的缺陷无损检测法。

该法利用超声脉冲波在煤岩体中传播的声时（或声速）、波幅和频率等声学参数的相对变化分析判断缺陷的分布。

测试距离一定时，若超声波通过的速度快，信号波幅和频率大，则受注体密实。

当受注体存在蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时，超声波在缺陷界面发生反射、散射和绕射等现象，导致声学参数产生明显变化。

根据这一原理，可在被注煤岩体内或附近布置测点，分别测试其在相应条件下的声学参数值，进行比较和分析后确定注浆的饱满程度。

钻孔壁观察法是通过在被注煤岩体中钻孔，采用钻孔窥视仪观察钻孔壁上结构面分布、浆液充填、渗透情况。

该法直观、方便，目前在煤矿井下得到广泛应用。

但该方法与钻孔取芯一样，存在观察范围小，容易以点带面的缺点。

根据工程特点，增加钻孔数量可在一定程度上解决这些问题。

地质雷达探测是基于被测介质的电性差异，向介质发射高频电磁波，并接收介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。

对于煤岩体注浆加固工程，可采用地质雷达在注浆加固前探测围岩裂隙分布与破坏状况，记录电磁波传播和反射的特征，确定煤岩体破碎范围；在注浆加固后再对该区域进行探测，记录电磁波传播和反射的特征。

经过两者对比，就可确定注浆加固范围，分析加固效果。

7应用实例
7.1破碎围岩硐室水泥注浆加固
晋城成庄矿二盘区二部胶带机头硐室，由于周围巷道布置密度高，先后受到相邻巷道掘进和侧翼采煤工作面动压影响，围岩变形破坏严重，硐室底鼓导致设备安装基础倾斜，严重影响设备的运转与安全。

为此，开展了注浆与锚固相结合的综合加固
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康红普等：煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势2013年第3期。