巷道注漿鉆孔設計關鍵參數確定方法探討

李 鵬

(晉城煤業集團 趙莊煤業， 山西 晉城 048000)

注漿加固技術作為一種有效的巷道加固手段，能夠填充裂隙，減少結構弱面，提高圍巖完整性和承載能力，應用十分普遍。注漿方案設計主要包括鉆孔布置、注漿材料、注漿設備、封孔方式、注漿時機、工藝參數等[1-2]. 一般情況下，煤礦開展注漿工程，注漿材料、注漿設備基本確定，能夠對注漿效果起到關鍵作用的因素在于鉆孔布置，很大程度上決定了漿液擴散效果。目前，工程施工或鉆孔布置多具有隨意性，注漿效果不佳或存在浪費。以晉城煤業集團趙莊煤業33072巷注漿為工程背景，對鉆孔設計關鍵參數確定方法進行探討，以期使鉆孔布置更加合理，達到更好的擴散效果。

1 工程背景及基本方案

1.1 工程背景

趙莊煤業33072巷為3307工作面回風順槽，全長約1 524 m，為3307和3308兩個工作面服務，3307工作面走向長954 m，傾向長282 m；3308工作面另一順槽33081巷剛開始掘進。33072巷與33071巷之間保護煤柱寬度為50 m，見圖1.

圖1 巷道與工作面位置關系圖

33072巷為矩形斷面，沿頂掘進，留有底煤。寬5 m，高4.5 m，采用錨索、菱形網、鋼筋托梁、錨桿聯合支護。

頂板支護：全錨索支護，錨索長度6.4 m，間排距1.1 m×1.2 m，每排5根錨索，預緊力不小于250 kN，見圖2.

圖2 頂板錨索支護布置圖

兩幫支護：幫錨桿長度2.4 m，間排距1 m×1.2 m，每排5根錨桿，預緊力不小于150 kN，幫錨索長度5.4 m，間排距2.2 m×2.4 m，每排2根錨索，預緊力不小于250 kN，見圖3.

圖3 煤幫錨桿索支護布置圖

由于巷道煤軟、幫錨索錨固力不足等原因，巷道掘進后，工作面尚未回采即出現300～1 000 mm的幫鼓，平均鼓出500 mm，幫部破碎，局部形成網兜，部分錨桿索破斷。33072巷要為兩個工作面服務，服務年限約3年，必須進行提前注漿加固，控制圍巖變形。

1.2 基本方案

晉城煤業集團從2013年起開始全面、系統地開展煤巖體注漿加固理論與技術研究，開展了大量的煤巖體注漿加固試驗，同時研發了系列注漿加固材料，主要為雙液速凝注漿材料和單液超細注漿材料，基本性能如下：

1) 雙液速凝注漿材料：雙液混合后1～2 min失去流動性，5～10 min終凝，2 h單軸抗壓強度11 MPa，可以起到快速堵漏的作用，適合0～8 m淺孔注漿。

2) 單液超細注漿材料：材料細度1 250目，漿液具備40 min左右良好流動性，120 min初凝，1 d單軸抗壓強度22 MPa以上，適合10 m以上的孔深注漿。

根據以往技術積累，形成分層注漿加固基礎方案[3-4]：圍巖不同深度的裂隙發育程度不同，漿液擴散方式也不同，可以根據裂隙發育情況將圍巖劃分為淺層、深層。淺層裂隙十分發育，數量多、開度大，是主要漏漿通道，適合采用雙液速凝注漿材料，漏漿時能夠及時堵漏；深層裂隙數量少、開度小、貫通性差，適合采用超細、流動性好的單液超細注漿材料。

深層、淺層劃分和鉆孔參數需要進一步確定。

2 深層、淺層鉆孔關鍵參數確定

2.1 深層、淺層劃分

深層、淺層并無明顯界限，建議采用鉆孔窺視法，觀察不同深度裂隙發育情況，將裂隙集中區劃分為淺層。對33072巷幫窺視結果見圖4.

圖4 巷幫鉆孔窺視圖

圍巖表面至2.8 m深度裂隙十分發育，2.8 m往里裂隙不發育，直到8.8 m仍有分布。淺層深度確定同時應考慮超出錨桿錨固深度，33072巷錨桿錨固深度2.3 m，因此將淺層深度確定為3 m，深層深度確定時同時應考慮超出錨索長度，確定為10 m.

2.2 淺層鉆孔間排距

鉆孔間排距直接決定注漿效果，間排距過大，漿液擴散不充分，部分裂隙未被填充，深層注漿時容易發生漏漿；間排距過小，則會造成鉆孔施工浪費，影響施工進度。鉆孔間排距確定應根據漿液擴散半徑確定，漿液擴散半徑采用現場實測法。

擴散半徑影響因素有3個：裂隙發育程度、注漿材料流動性、注漿壓力[5]. 其中，裂隙發育程度是決定性因素，注漿材料流動性為關鍵因素，在裂隙發育程度確定的情況下，漿液流動性越好擴散半徑越大；注漿壓力為影響因素，裂隙發育程度和注漿材料均已確定情況下，注漿壓力越大，漿液擴散半徑相對越大。

根據33072巷實際情況，裂隙發育程度和注漿材料均已確定，對擴散半徑唯一影響因素為注漿壓力，即試驗不同注漿壓力下漿液擴散半徑。3 m孔不同注漿壓力下漿液擴散半徑試驗方案如下：

1) 試驗鉆孔布置：在3#—2#橫川未注漿區域布置，開孔高度距離底板2 m，間距6 m，依次布置3個，編號為1#—3#.

2) 試驗壓力控制方式：0～8 MPa，按照“漏漿對應壓力”的記錄方式，即每出現一次漏漿，記錄漏漿卸壓前一刻壓力表壓力，對應漏點位置與孔口距離，該距離即為該壓力下擴散半徑之一，最后對數據進行匯總。

3) 注漿泵：采用2ZBQ50/19氣動泵，孔口安裝壓力表，管路長度固定20 m.

4) 注漿材料：采用雙液注漿材料，水灰比0.8∶1.

5) 封孔長度：均為1 m.

6) 試驗終止條件：煤體表面出現松動、漏漿難以封堵(注滿)、達到設計最高壓力。

試驗結果：3個孔共出現10處漏漿，第10處時重復堵漏，注漿終止，平均單孔注漿量0.25 t，漏漿位置分布見圖5，漏漿位置參數見表1.

圖5 3 m孔漏漿位置分布圖

表1 3 m孔漏漿位置參數表

由3 m孔注漿情況可知，受雙液速凝注漿材料快速凝固影響，擴散范圍有限。注漿壓力在4 MPa以內，正常擴散半徑水平方向及下部在1.1 m左右；注漿壓力在6 MPa左右，漏漿點在0～1.8 m內均有分布，最大可達3.5 m，正常擴散半徑水平方向及下部在1.3～1.8 m，上部1 m左右。注漿泵正常淺層注漿壓力超過6 MPa，擴散半徑兩側及下方可以達到1.5 m，上方1 m.

考慮到應使鉆孔之間擴散半徑相互覆蓋，以提高注漿效果。最終確定：注漿壓力不低于6 MPa，3 m孔排距不超過3 m，間距不超過2.5 m，最上排鉆孔距離頂板不超過1 m.

2.3 深層鉆孔間排距

深層鉆孔漿液擴散半徑試驗應建立在淺層注漿基礎上。先實施約50 m長度的淺層注漿，然后在淺層已注漿區域布置3個深層試驗鉆孔，孔深10 m，間距10 m，按照3 m孔類似試驗方法進行試驗。

最終確定：注漿壓力不低于8 MPa，10 m孔排距不超過6 m，間距不超過4 m，最上排鉆孔距離頂板不超過2 m.

3 最終鉆孔布置方案

采用3 m、10 m兩個孔深布置方案。

3 m孔布置：淺孔每排4個鉆孔，4個鉆孔在一條直線上。第1鉆孔距離頂板0.8 m，仰角10°；第2個鉆孔距離第1個鉆孔1.1 m，仰角0°；第3個鉆孔距離第2個鉆孔1.1 m，仰角0°；第4個鉆孔距離第3個鉆孔1.1 m，仰角0°；中部鉆孔距離底板2.5 m，仰角0°，孔徑均為42 mm，鉆孔排距2 m，注漿壓力不小于6 MPa.

10 m孔布置：10 m孔每排2個鉆孔，矩形布置，上排孔開孔高度距頂板1.5 m，仰角5°；下排孔開孔高度距頂板3.0 m，仰角0°；孔徑均為42 mm. 鉆孔排距4 m，注漿壓力不小于8 MPa.

最終鉆孔布置見圖6.

圖6 鉆孔布置平面圖

4 效果考察

注漿后，采用鉆孔窺視方法，進行效果考察，窺視結果見圖7. 由圖7可以發現大量的漿液痕跡，漿液對裂隙填充效果良好，未發現未被充填的裂隙。

圖7 注漿后窺視圖

5 結 論

巷道注漿時，采用分層注漿加固方式可以有效封閉淺層巷幫，提高深孔注漿量，控制圍巖變形。依據不同深度裂隙發育程度，采用鉆孔窺視方法將圍巖劃分為淺層和深層。趙莊煤業33072巷淺層深度確定為3 m，深層深度確定為10 m，分別采用雙液速凝注漿材料和單液超細注漿材料。采用不同注漿壓力下漿液擴散半徑測試方法，確定了淺層鉆孔排距2 m，間距1.1 m，注漿壓力不低于6 MPa；深層鉆孔排距4 m，間距1.5 m，注漿壓力不低于8 MPa. 注漿后鉆孔窺視結果說明，未發現未被填充的裂隙，漿液擴散效果良好，鉆孔間排距布置合理。