破碎圍巖巷道注漿加固技術研究

程兆輝,王春森(內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯017300)

1 前言

隨著井工開采的深度不斷拓展,煤炭開采面臨著高應力、軟巖等復雜地質環境,尤其是在遇到斷層等地質構造情況時,受其影響,巷道圍巖會出現松動破碎,受回采震動等的影響,原有的支護逐漸失去作用,巷道極易出現變形、破碎、垮落等問題,嚴重時會造成巷道斷面嚴重縮小,影響通風、運輸,給正常生產帶來安全隱患。因此,深入研究破碎圍巖變形原因,探索注漿加固技術的作用機理,對提高破碎巷道完整性、圍巖穩定性具有重要意義。本文通過理論分析破碎圍巖變形破壞原因,研究了注漿加固技術原理,根據現場實際提出實施方案,并通過現場變形監測檢驗效果,結果表明,注漿加固技術可以有效降低孔隙率,加固破碎圍巖,巷道變形得到有效控制,在回采過程中,巷道穩定性良好,未出現松動、破壞、支護失效等問題,破碎圍巖得到有效控制,實踐取得了良好效果,為同類型問題巷道圍巖控制提供了參考[1-3]。

2 注漿加固技術原理

2.1 圍巖破碎影響因素分析

影響巷道圍巖破碎的原因主要有三個,高應力、弱支護、構造帶[4-5]。破碎圍巖的存在,本身是地質構造條件差造成,加上開挖、采動的影響,圍巖裂隙擴展,破碎加劇。其次,巷道所處地層具有較高地應力,局部破碎圍巖受集中應力作用,發生局部的失穩破壞,最終導致巷道變形破壞。破碎圍巖巷道對于支護的要求更高,一般在錨桿、錨索支護后,需要噴層加固,若仍使用一般的錨桿支護,受采動影響,原有支護就會失去作用,導致巷道失穩變形。因此,通過注漿填充破碎圍巖的裂隙,增大圍巖強度,提升圍巖完整性,提高圍巖支撐能力。

2.2 注漿加固作用機理

(1)充填壓密作用。圍巖實施注漿后,漿液全面填充裂隙,將原有的瓦斯等有害氣體排出,全面充填原有較大裂隙,同時在壓力作用下,煤巖體內更加細微的裂隙被擠壓閉合,破碎裂隙被有效壓密,提升了巷道圍巖的整體性,強度提高。避免因裂隙持續擴展,造成的應力集中,巷道失穩。

(2)骨架網絡作用。漿液填充圍巖內裂隙并固化后,構成凝固后的框架結構,漿液凝固后變成破碎圍巖的支撐骨架,從而起到防止破碎圍巖進一步破壞的作用,圍巖支撐能力得到強化[6]。

(3)封閉作用。部分巷道圍巖的變形破壞,還有部分原因是軟弱巖體吸水膨脹造成,注漿后,原有的裂隙被填充,封閉了地下水與軟巖的接觸面,降低了軟巖膨脹變形的可能性。

3 注漿方案設計

3.1 注漿材料

注漿材料大體上可分為無機、有機兩類[7]。無機材料以普通硅酸鹽水泥為主,具有凝結快、強度大、性價比高、效果持久等特點,是目前井下注漿最常用的材料;缺點是粒度相對大,漿液配比稍微濃稠則不便于注入,且難以注入細密的裂隙,若漿液過于稀釋則難以快速凝固成型,造成材料浪費;無機材料適用于破碎程度高、裂隙明顯的大范圍圍巖注漿。有機材料以環氧類及不飽和聚酯材料為主,此類材料相對較貴,易于注漿操作,滲透能力較強,但固化后強度不高;有機材料適用于破碎程度不高、加固要求不高的局部注漿。

(1)無機材料水泥漿。水泥漿液按照水灰比0.7∶1 ～1 ∶1 的比例調配,添加劑重約是水泥重的7% ～11%,水玻璃為46 ～54 波美度、2.7 ～3.1 模數。按照40% ～60%的比例,往水泥漿里添加水玻璃。注漿封孔使用馬麗散封孔。

(2)有機高分子注漿材料。按照1∶1比例添加雙組份材料,初凝大約100 ～120 s,注漿封孔使用馬麗散封孔。

3.2 主要參數

(1)注漿壓力。要綜合考慮注漿深度、圍巖破碎程度、裂隙發育程度等條件,合理設定注漿壓力,壓力大小將直接影響漿液滲透能力,對注漿加固效果起到決定性作用。單孔注漿壓力可采用式(1)計算

式中:P——注漿最大壓力,MPa;

H——注液點到靜水位的水柱高,m;

r——水的密度,取1 g/cm3。

(2)注漿量。因圍巖情況千差萬別,注漿量受圍巖破碎程度及裂隙發育程度影響,不同條件下注漿量差別較大。具體可參考式(2)完成初步測算。

式中:Q單——單孔注漿量,kg;

A——漿液損失率;

R——擴散半徑;

H——注漿深度;

N——圍巖孔隙率;

B——漿液充填系數;

M——漿液密度。

(3)注漿工藝。注漿工藝過程大概分4 個主要步驟[8]:鉆孔設計、打鉆施工、注漿封孔、評估驗收。注漿孔施工完畢,將注漿管推入孔底,封孔后注漿,見回流即可停止注漿,帶壓保持一段時間后停止作業,此時漿液填充裂隙并滲透進入更廣范圍裂隙。待漿液固化,單孔施工結束,隨后檢查施工質量。

3.3 注漿設備

結合礦井生產實際和注漿參數需求,鉆孔使用液壓鉆機進行,配備麻花鉆桿[9]。注漿、封孔采用型號為ZBQ 系列多功能氣動注漿泵,配合混合槍、高壓膠管、封孔器使用。

4 工程應用

4.1 工程概況

某礦103 工作面軌道巷,受一較大斷層影響,巷道圍巖較為破碎,巷道施工時采用錨網索支護,在工作面回采過程中發生變形,且有加重趨勢。為防止出現嚴重變形,影響工作面通風及正常生產,決定采用注漿加固技術進行加固。

4.2 鉆孔設計

根據斷層位置,在103 工作面軌道巷距開切眼310 m 位置布置注漿站。為有效減少工程量,避免重復施工,決定使用現場現有的瓦斯抽采鉆孔進行注漿施工,通過瓦斯抽采孔分次分段注漿,達到加固目的。注漿站內布置上下2 排共計5 個鉆孔,鉆孔傾角8° ～15°,鉆孔相互間隔3 m,鉆孔長度10 ～20 m,排間豎直間距1.5 m。注漿鉆孔布置如圖1所示。

圖1 103 軌道巷注漿鉆孔布置圖

4.3 注漿參數

根據現場條件,注漿材料采用水泥漿+水玻璃無機材料,根據式(1)(2),計算得出注液壓力為4 MPa,單孔注液量約186.1 kg,選用紗布+馬麗散封孔,注漿結束后帶壓保持1 h,以確保漿液充分滲入裂隙。

4.4 效果分析

1)現場觀察

現場觀察可見,巷道整體變形量較小,工作面推過時,巷道處所見掉落煤巖體裂隙填充漿液到位,應用實現了預期效果。

2)現場監測

注漿前后,分別對軌道巷兩幫移近量進行了近一個月的現場監測,對比發現,注漿后兩幫移近量大大減小,且逐步趨于穩定,破碎圍巖得到控制。注漿前后巷道兩幫移近變形對比如圖2所示。

圖2 注漿前后巷道兩幫移近變形對比

5 結論

(1)經過理論分析,針對性地提出了破碎圍巖巷道注漿加固的技術方案,結合現場條件遠程了注漿加固技術應用。

(2)采用水泥漿+水玻璃注漿加固破碎圍巖的辦法,有效填充了裂隙、封堵了水源,提高了圍巖完整性及承載力,巷道圍巖得到有效控制。

(3)注漿壓力及注漿量可以通過式(1)(2)初步測算得出,合理的注漿壓力及注漿量,對注漿效果影響比重較大。

(4)經過對注漿前后軌道巷兩幫移近量近一個月的現場監測,結果表明,注漿后兩幫移近量大大減小,且逐步趨于穩定,破碎圍巖得到控制。

(5)應用表明,通過注漿加固技術來控制破碎圍巖是可行的,應用取得良好效果,對同類型巷道破碎圍巖控制具有一定借鑒意義。