化學注漿加固技術在特殊頂板加固施工中的應用

郎軍 郭璋 韓偉

摘要：酸刺溝煤礦6上202設備撤出巷掘進揭露三條斷層和一條沖刷帶，頂板破碎情況嚴重，為了保證工作面順利貫通，對頂板進行預注漿加固。注漿施工過程中，通過對常規施工方法的改進，采用深、淺孔分步施工和間歇式注漿等方法，在保證了注漿效果的前提下，有效控制了注漿化學材料的消耗量。實際檢驗加固效果良好工作面順利貫通，為破碎頂板巷道在常規支護困難時，提供一個安全、經濟、可行的解決方案。

關鍵詞：設備撤出巷，斷層，化學注漿;頂板加固;施工工藝

中圖分類號：TQl74.6⁺22;TU472.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0043-04

內蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業有限責任公司酸刺溝煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗，于2005年4月開工，2010年4月正式投產，礦井設計原煤生產能力12mt/a。

酸刺溝煤礦6上202工作面距地表平均201m，采用綜放開采，煤層平均厚度7.62m，直接頂為平均厚度7.62m的灰白色粗粒砂巖，主要成分以石英，長石為主含少量的暗色礦物及炭屑，分選差，粘土質孔隙式膠結，不堅實半圓狀;老頂為細砂巖與粗砂巖互層，厚度平均為30.32m，淺灰色，斷續波狀，水平層理，膠結較好，質硬。該條設備撤出巷在掘進期間除揭露斷層三條外，頂板還揭露60m沖刷帶。其中一處斷層在掘進期間曾發生小型冒頂，冒頂高約3.5m，至煤層頂板砂巖，冒頂直徑3m，斷層附近淋水較大，在打探水鉆時發現該段煤層松軟，揭露煤壁及冒頂處頂板砂礫巖有氧化現象、松軟破碎、水銹嚴重。雖然采取密排錨索加強支護，但是由于頂板破碎極其嚴重支護效果差，當受回采超前壓力影響時，易出現片幫和冒頂事故，為了保證工作面貫通速度和質量，預先對設備撤出巷經過斷層和沖刷帶處的頂板進行化學注漿加固處理。

1注漿加固原理

化學注漿加固（聚氨酯類）的原理是利用樹脂和催化劑兩種組分的高分子材料經過等量混合后，發生一系列復雜的化學反應生成一種對煤巖體具有較高粘接性的發泡有機體，這種發泡有機體具有較高的黏合力以及較好的機械性能。當這種發泡有機體被高壓注入到煤巖層裂隙中后，迅速滲透到煤巖體的細小裂隙中，在化學反應作用下發泡、膨脹，并利用自身粘結性將周圍破碎的煤巖體膠結在一起形成一個整體，提高圍巖的整體性和承載能力，有效防止巷道頂板冒落。

2注漿加固方案

2.1化學注漿加固材料

選用天地科技股份有限公司生產的GRT-101注漿加固材料，該種注漿加固材料的性能參數如表1所示。

2.2布孔設計

注漿鉆孔布置于6上202工作面設備撤出巷貫通側頂、幫部，膠運順槽和輔運順槽回采側頂、幫部，均布置2排注漿孔進行注漿，注漿孔近似成三花布置，水平投影間距為2500mm。設備撤出巷膠運、輔運順槽側第二排注漿孔各加密一個孔，設備撤出巷距輔運順槽56-105m，148-210m范圍內頂部加固。

幫部注漿孔分為兩排交叉布置，第一排幫部注漿孔布置在頂板與貫通側幫部交叉部位下方1.5m，向上傾斜30°打設，第二排幫部注漿孔距回采貫通側1.0m，布置在設備撤出巷頂板處，向上傾斜45。打設。

頂部注漿孔分兩排交叉布置，第一排孔距離貫通側幫部2.5m，垂直于頂板打設，第二排孔距離第一排孔2.5m，垂直于頂板打設。

注漿孔在巷道中布置如圖1所示。

2.3施工工藝

化學注漿加固施工主要包含以下幾個步驟：打鉆注漿孔一將導流管、封孔器、注漿管連接后插入注漿孔一用高壓膠管連接注漿管和注漿泵一將吸漿管分別插入A、B料桶一打開注漿泵開始注漿一達到設計注漿壓力后關閉注漿泵一拆卸注漿軟管一沖洗機具。其主要的工藝系統組成如圖2所示。

在常規的施工方案中，打孔、封孔注漿等步驟都是一次完成的，但是針對本條巷道特殊的地質條件，不能再按照常規步驟進行施工。在進行注漿之前，巷道頂板已經嚴重破碎形成網兜且局部已經出現離層，若按照常規工藝進行施工，勢必會嚴重漏漿導致材料浪費，施工成本高且效果差。另外，本條設備撤出巷直接頂為灰白色粗粒砂巖，粘土質孔隙式膠結，有較強的吸附性，當砂巖頂板吸附了較多注漿材料后，注漿材料的發泡、膨脹作用將進一步加劇頂板的破碎和離層，最終導致巷道冒頂。所以在對本條設備撤出巷進行頂板注漿加固施工時，從材料配方、注漿孔鉆孑L工藝、注漿方案等方面都作了針對性調整：

2.3.1材料預處理

提前聯系注漿加固材料廠家對配方進行調整，縮短材料的凝固時間降低凝固時的靜態膨脹壓力。材料運抵井下施工現場，在使用前8h開始用熱風對其進行預加熱，用提高溫度的方法，加大注漿材料在經過混合注人到頂板時的化學反應活性。經過在井下實測的注漿材料從A、B料開始混合到達到傾點開始凝膠時間約為45s，90s后就可以終凝達到設定的抗壓強度。

2.3.2打淺孔預注漿

在對巷道頂板進行注漿加固施工時，分為淺孔注漿和深孔補漿兩次進行。先在設計鉆孔位置打淺孔，孔深3m封孔深度1m。在淺孔內注漿時，采用低壓力低流速分多次間歇注漿等方法，單孔注漿量控制在200～300kg，對頂板淺部裂隙進行多層次封堵，防止后續注漿時的大范圍、大量漏漿情況的發生。同時可以迅速的將頂板淺部極其破碎的煤巖體重新粘接，形成一個臨時假頂結構，配合錨索支護初步抑制頂板繼續下沉趨勢，最大限度保持巷道高度降低搬家倒面時的起底工作量。

2.3.3打深孔二次補漿

在打淺孔注漿施工向前推進的同時，在其后20-30m的位置，同時進行打深部注漿孔二次補漿的施工。深部注漿孔就近在淺孔附近，打孔深度略高于頂板煤層與直接頂砂巖接合處，封孔深度3m略高于第一次淺孔深度。為盡量減小頂板中破碎煤塊對鉆孔時卡鉆、塌孔的影響，以及減輕打鉆對碎裂頂板的擾動作用，每個深部注漿孔又分成兩次成孔，首先采用中35mm鉆頭開孔，開孔深度為鉆孔深度全長，隨后用Ф48mm鉆頭括孔，鉆頭直徑預留了一定的塌孔余量，擴孔深度達到設計封孔深度即可。由于第一步淺孔注漿對頂板淺部裂隙的封堵作用，二次對頂板深部進行注漿時，漏漿的情況得到了很好的抑制，所以在進行深孔注漿時，適當的加大了注漿壓力和注漿流量，注漿終壓約2.0MPa，單孔注漿量控制在900-1000kg。高壓高流速使漿液自由在深部裂隙中擴散，擴散半徑得到加強，前后相鄰注漿孔的加固圈相互重疊、交叉的面積更大，在頂板中形成一個大面積的、系統的支護結構體，較好實現了加固頂板的目的。