深部大變形巷道注漿加固技術研究

王東陽

(潞安化工集團 潞寧煤業有限責任公司,山西 忻州 036700)

資源賦存條件的多樣性和過高的井工開采比重是導致我國煤礦災害多發的先天因素。隨著煤礦開采深度和強度的增加,除了面臨的五大自然災害之外,又出現了沖擊地壓、深井軟巖、高溫熱害、高承壓、瓦斯突出等其他災害耦合疊加的問題,災害逐步升級,防治難度進一步加大[1-3]。千米煤炭深井面臨的高技術風險,使很多國家望而生畏,大都放棄了相關研究和開采,而已探明的煤炭資源在千米以下占到五成比重的特殊國情,使得我國不得不獨自探索相關領域[4-6]。開采深度的增加,直接引發了地質條件更加復雜、地應力增大、巷道變形難以控制等問題,對于煤礦生產安全和效益都產生了巨大的負面影響。

在巷道整修方面,采取注漿加固的方案已經基本達成共識,但是原有注漿參數多憑借經驗獲取,缺乏理論依據,因此亟需一種適合本礦深部圍巖注漿的參數計算體系來規范注漿參數設計，以保證注漿功效,切實有效地降低巷道整修次數和頻率[7-9]。因此,本文以潞寧礦軌道巷注漿加固為背景,通過開展現場應用研究,分析注漿加固原理,提出錨網支護+注漿加固的組合支護技術。

1 工程概況

潞寧煤業公司礦井現有2個采區,分別為22采區和31采區。22采區采用兩翼布置,煤層埋深超過600 m,采用走向長壁后退式采煤法、綜合機械化一次采全高采煤工藝,采用強制放頂全部垮落法管理頂板。綜采裝備采用MG500/1140-WD型采煤機、ZZ9000/2300/4800型液壓支架、SGZ960/800型刮板輸送機等成套綜采設備,綜合機械化程度達100%。掘進工作面采用EBZ-160、EBZ-200型懸臂式掘進機,配套SJ-80/150/2×75型膠帶輸送機。巷道采用穿層掘進,屬于水平巷道。大煤頂板往下6 m為巷道頂板,其主要巖性為粉砂巖、中粒砂巖、粉砂質泥巖。

潞寧礦軌道巷采用半圓拱錨網索噴的支護形式。巷道凈寬×凈高為4.6 m×3.5 m,半圓拱斷面,腰線至底板1.1 m,至頂板2.4 m,墻高1.2 m,拱高2.3 m,嚴格按中、腰線施工。巷道噴C20砼,初噴厚度不小于50 mm,復噴蓋住鋼筋網及錨桿托盤即可。巷道基礎深度100 mm。巷道頂底板和兩幫出現整體性收斂,底臌量大于頂板下沉量,兩幫變形大體對稱。頂板巖層離層現象普遍,下沉顯著,頂部肩部砼體脫落,個別噴漿漿皮直徑達300～400 mm,造成鋼筋網外露銹蝕,個別錨索、錨桿出現拉斷及鎖具脫落失效現象,離層掉渣威脅著經過人員的安全。底臌一般為0.3～0.8 m,平均0.6 m,局部甚至達到1.1 m,巷中高兩幫低,呈三角形底板,導致巷道落道運輸事故層出不窮,既不安全又直接影響各單位原料的運輸和生產組織。

2 注漿加固原理

注漿技術很好地適應了當代軟巖巷道圍巖控制理論中對施工技術與施工成本上的需求,可以顯著控制圍巖變形,大幅改善支護效果。其基本原理是將流動的漿液壓入到破碎的圍巖中,凝結成石,產生強度大、穩定性優異的密實結構體,與傳統的錨網(索)支護膠結成一個有機整體,共同保持圍巖穩定。通過對巖體物理力學性質的改善,把松散、強度低的巖體改造成強度大、穩定性優異且有足夠承載力的結構體。注漿技術在實際工程中主要起到以下作用:

1)構成網絡骨架。漿液進入到破碎巖體的裂隙經反應凝結后,將以固體的形式填充在管縫中,會形成一種新的交錯縱橫的網架骨骼體系。當載荷大于圍巖承受力而造成圍巖變形劇烈發展時,固結體的網架骨骼便以其卓越的結合能力和韌性起到支撐作用,調動圍巖體的剩余強度,抑制破壞的發育,從而有利于巷道維護。

2)提高巖體強度和穩定性。注漿具有壓實作用,可以提高巖體各項力學參數,改善承載強度。注漿后,破碎面實現良好固結,弱面的靜摩擦與滑動摩擦阻力增加,凝固區內纖維孔隙的伸張受到限制,從而達到改善弱面抗變形能力,提高圍巖整體抗變形剛度的目的,實現補強作用。

3)注漿充填壓密。注漿材料可以充填密實度較大的裂縫空隙,削減巖面不平造成的應力集中,起到緊密封閉的效果。同時,當裂隙內充滿漿液后,圍巖中位于裂隙面附近的單元應力會由初始的雙向應力狀態,調整為三向受力狀態。

4)共同承載。巷道圍巖的破碎松散巖體經加固后,松散巖體得以重新膠結,更好地發揮巖塊間的聯鎖嚙合作用,內部滑移受限,圍巖加固圈厚度增加,塑造出一個新的承載結構。在這個結構中,巷道圍巖體整體性和自穩能力加強。由于注漿體與錨桿(索)間的間隙空隙被填充,二者實現了全面接觸,錨桿(索)獲得了穩定的著力基礎,錨固長度也有所增長,保證了受力傳遞的連續性與可靠度,使作用在錨桿(索)上的載荷減少,圍巖應力分布得以改善,巖體可以始終保持有一定的支護反力,抑制圍巖產生大幅變形,使巷道的移近量顯著降低,實現圍巖的相對穩定。

5)封閉水源。水的介入會導致巷道圍巖強度迅速降低,特別是遇水膨脹的泥巖。巖石的性質會因水的溶蝕軟化發生逆轉,顯著表現在強度與變形特征上。注漿固化可及時封閉管縫,使圍巖斷絕過水渠道,降低水對圍巖的影響,延緩推遲流變的發生。注漿可中斷空氣、水與內部巖體間的聯系,降低風化和水害,阻止錨桿(索)發生銹蝕,對維系圍巖力學指標與支護體系恒定十分關鍵。

3 注漿參數與注漿工藝

3.1 材料的選定

注漿材料選用標號42.5的普通硅酸鹽水泥,選用壁厚3 mm,直徑12.7 mm的注漿管,注漿管每根長1 000 mm,使用專用連接環進行連接,制備與設計孔深長度相匹配的注漿管,其中最里側一根注漿管管壁開花眼。

3.2 注漿加固工藝

注漿施工布置圖如圖1所示。注漿分為淺孔注漿和深孔注漿2種。

1)淺孔注漿。首先按照由下向上、隔排隔孔的原則,按排距2 m打設孔徑28 mm，深度3 500 mm的單數注漿孔(注漿孔深度應根據現場頂板離層位置或空硐位置及時調整),然后下入直徑×長度×壁厚為Φ12.7 mm×3 000 mm×3.0 mm的注漿管。在注漿管朝外一側盤幾層麻線,使用銅錘敲打插管入孔,完成孔口封堵。其后進行注漿。

2)深孔注漿。單數注漿孔注漿完畢后,再注雙數注漿孔。雙數注漿孔按間距1.5 m,排距2.0 m,孔徑28 mm，深度5 500 mm的規格打孔,然后將直徑×長度×壁厚為Φ12.7 mm×5 000 mm×3.0 mm的注漿管插入孔中。在注漿管朝外一側盤幾層麻線,使用銅錘敲打插管入孔,完成孔口封堵。其后進行注漿。每排打設注漿孔5個,見圖1。

圖1 注漿施工布置圖Fig.1 Layout of grouting construction

本次注漿施工所用主要設備為3NBB2.6-9.0/10-2.5-11型煤礦用泥漿泵(BW160/10型),如圖2所示。該設備缸徑70 mm,行程70 mm,工作壓強有4個擋位,最小值為2.5 MPa,最大值為10.0 MPa。

圖2 煤礦用泥漿泵(BW160/10型)Fig.2 Mud pump for mine (BW160/10)

3.3 注漿加固參數

1)注漿漿液的水灰質量比見表1。施工過程中,先注入質量比1∶1的稀漿,然后注入水灰質量比為(0.7～0.8)∶1的漿液,漿液的平均水灰質量比為0.8∶1。

表1 注漿漿液配制表Table 1 Grout preparation table

2)注漿壓力。注漿壓力為漿液在破碎圍巖體中的擴散運動提供能量與動力,注漿壓力的大小直接影響注漿效果與質量。同時,注漿方式、漿材性能和圍巖特性都會影響注漿效果。注漿壓力太大,容易出現噴漿層劈裂破壞,漿液沖出,發生跑漏漿,也易導致本身就脆弱的圍巖體表層發生變形破壞,甚至出現片幫、冒頂事故;壓力不足,漿液擴散能量不足,無法克服運動阻力,充分滲透到巖體破碎處,無法滿足注漿要求。軌道地區巷道長期反復整修,圍巖體裂隙發育較充分,可適當減小注漿壓力,在淋水較大或圍巖應力較為集中的部位可增大壓力。結合現有理論、經驗與現場實際,綜合多種因素后確定,一般情況下注漿孔施工中壓力設定為3～4 MPa。注漿前,首先對注漿管進行注水沖孔,沖孔時間不少于3 min,采用間歇注漿方式,間隔時間為30 s左右。初始注漿壓力為0.8～1.0 MPa,當壓力達到3～4 MPa時,可關閉閥門,結束注漿并及時封孔防止漿液泄露。每班要留有注漿記錄。

3)當圍巖存在較多裂隙交叉或有高度松散區時,為避免漿液滲透過遠或漿液流失,應適當限制注漿時間;在裂隙發育不充分處,漿液流動能力弱,充填過程長,則應果斷采取增大注漿壓力、延長注漿時間等措施。日常單孔注漿值應設置在3 min,注漿大小應綜合施工現場條件靈活調整。

4)漿液擴散半徑。擴散半徑取決于巷道圍巖裂隙發育程度,由于巷道圍巖在高應力長期作用下比較破碎,裂隙較為發育,根據經驗取漿液擴散半徑為1.5 m。

4 注漿效果評價

4.1 注漿修復后監測數據

分析巷道采用“錨網噴+注漿加固”的修復措施后圍巖的變形規律,將2個月的表面位移觀測數據進行整理,通過分析發現:

1)巷道頂底板移近量控制在20 cm以下,頂底板變形約占巷高的6%,兩幫變形量控制在35 cm以下,巷道兩幫變形約占巷寬的7%,兩幫較頂底板變形更大,符合深部圍巖的變化特征。

2)巷道圍巖位移量在前期變化較快，后期逐漸減緩。前15 d頂板移近速度為8 mm/d,兩幫變形速度為15 mm/d,注漿加固30 d后變形速度趨于穩定,最終約穩定在0.1 mm/d。該結果說明注漿支護方案合理,有利于巷道長期穩定。

(a)頂底板移近量

(b) 兩幫移近量圖3 巷道圍巖變形曲線Fig.3 Deformation curves of roadway surrounding rock

4.2 現場實施情況

1)為充分掌握漿液在孔內的回流情況,最初注漿時,首先選擇下幫頂部孔,經過試驗發現,漿液向下幫頂部的充填量較小,基本在注漿3 min后就向上幫頂部蔓延。由于巷道頂部存在層間隙導致第一個孔跑漿很嚴重,因此在不停機的情況下,采取最小配比的注漿料，按“低壓力，大流量”調整注漿泵的泵送速度，間隙停泵且停泵時間不大于25 s的措施,現場情況得以改善。

2)由于巷道頂板離層和注漿孔均是提前打設的,在注漿過程中發現,位于巷中、上幫頂部的注漿孔跑漿嚴重,依此可判定巷道中上部頂板離層嚴重,且位于此位置的注漿孔多存在空隙聯系。為減少跑漿量,各孔均采取了“低壓力，大流量”間歇停泵的措施,跑漿情況得以改善。

3)注漿初始階段,將自制注漿管6 mm盤條封堵環置于管口以上500 mm處,施工過程中發現,多數注漿管未完全深入注漿孔,外露長度較長,達300～400 mm,這主要是因為注漿管封堵環焊接位置不合理及注漿孔孔徑小引起的。因此重新制作注漿管,將6 mm盤條封堵環移至距注漿管外露段100～200 mm位置處,減少棉絲纏繞量。經試驗,注漿管安裝質量得以改善,外露量為100～150 mm。

4.3 存在的問題及改進措施

1)由于注漿泵本身的缺陷,如采用小比例漿液(0.6∶1),即凝結時間小于15 s時,2種注漿料融合口處的壓力表連接短頭測壓孔易堵塞,且不易清理導通。

2)由于堵塞后的測壓孔敏感度低,致使壓力表顯示的數值不能完全體現甚至完全不能顯現注漿壓力,只能通過注漿泵本身的泵送壓力獲得表觀測數值,但泵送壓力表在一定范圍內只能體現瞬間數值,致使注漿孔的最終閉孔壓力與實際值存在較大差距。后期再注漿時,需對注漿泵的壓力觀測部件進行改造,一是在黃色漿液出漿孔增加壓力表,觀測超細水泥主材黃色漿液的出漿壓力;二是增長混合漿液軟管的長度,以保證漿液充分融合。

3)不再提前打設注漿孔,采取打一注一的方法,減少跑漿的可能性。

4)根據注漿孔打設情況調節注漿料配比,如頂板離層較多,則采用小比例注漿料,慢速度間隙注漿,保證漿液在短時間內融合后快速凝結,減少跑漿量;反之,則采用大比例注漿料,快速注漿,保證漿液能夠充分擠進頂板裂隙。

5)考慮到巷道所處位置及頂板的特殊性,不論是整修還是掘進,均采用滯后前頭(整修茬)注漿,但滯后距離需現場實驗確定。主要是因為此地區巷道具有較為復雜的地應力,在施工后的一段時間內頂板很有可能發生離層,一旦發生離層,則單孔注漿量將會增加并且會大大降低注漿效果。

5 結論

通過潞寧礦的現場應用及注漿加固施工后的巷道圍巖觀測情況,分析監測數據可知,采用“錨網噴+注漿加固”技術后,圍巖變形量大幅減小,巷道頂底板移近量控制在20 cm以下,兩幫變形量控制在35 cm以下,巷道頂底板收斂率限制在7%以下。施工一個月后變形基本穩定,效果明顯。

1)錨網支護+注漿加固的組合支護技術,對加固松軟、破碎、大變形圍巖巷道有著較好的適用性。現場應用效果同樣說明該技術是治理類似松軟、破碎、大變形圍巖巷道的有效途徑。

2)注漿工藝的關鍵參數(水灰比、壓力、時長、擴散范圍)的取值是相對靈活的,而非一成不變的,應根據現場實際情況選擇最佳參數。

3)深部破碎圍巖注漿工藝易行可靠、現場應用效果顯著、施工程序少、步驟簡單、易于工人掌握和推廣。