特大斷面硐室注射新型地質聚合物加強支護技術應用

李壘 LI Lei

（中煤第一建設有限公司第四十九工程處，邯鄲 056000）

0 引言

潞安化工集團有限公司王莊煤礦是一座年生產能力700萬噸以上的特級高產高效現代化礦井。礦井采用立井、斜井多水平分區式開拓、上下山開采的方式。提升副立井兼作進風井，凈直徑7.0m，該項目的開采范圍地處山西省東南部，長治市西北10km，位于潞安礦區中段，王莊井田南部，安昌斷層與二崗山北斷層之間，東鄰漳澤水庫，西部與規劃的古城煤礦相鄰。東西寬約4km，南北長約7km，總面積26km。

圖1 井下換裝站斷面圖

王莊煤礦+540水平延深井下換裝站主要用途為起吊、組裝大采高支架及其維護，巷道設計總長度約619.275m，主體硐室掘進斷面為95.37m，掘進高度9.86m，掘進寬度8.9m，屬于特大斷面硐室。錨網索噴支護工藝是目前應用比較成熟，普遍用于該礦井下巷道支護的一種支護工藝，但是對于井下換裝站這種地質問題比較復雜、高地應力、圍巖破碎等惡劣環境中進行的特大斷面硐室掘進巷道，單一的錨網索噴支護，已經無法滿足支護要求，施工的巷道出現明顯下沉，局部出現噴漿層開裂，影響了巷道整體的安全穩定。

為了攻克這一難題，我們依托科學理論為指導，經過現場實際反復試驗，發現向巖體內注射由河南理工大開發研制的一種新型地質聚合物能夠很好地起到加強支護的作用，通過向已經錨網索噴支護完的巷道巖體內注射新型地質聚合物，既能夠高效發揮出錨網索噴支護的作用，又能提高圍巖自身的強度。因此，研究在地質條件比較惡劣的環境中，施工巷道斷面特別大的單位工程，如何加強巷道支護保證巷道的穩定性是關鍵問題。

1 施工工藝技術特點

①傳統加強巷道支護強度的辦法，普遍是采用縮小錨桿、錨索的間排距；采用強度級別更高的錨桿、錨索；增加噴漿層的厚度，這些方法不但增加了巷道造價成本，延長了施工工期，而且在這種地應力比較高、圍巖破碎的特大斷面巷道內，對增加巷道的支護強度，效果不是很好，加固完的巷道依然很快出現不同程度的噴漿層開裂和頂板下沉。

②圍巖注射新型地質聚合物加固是一種改善圍巖結構及其性質，提高圍巖整體性和自身承載能力、降低支護成本、提高支護效果的有效方法，是利用聚合物把圍巖的各種弱面充實、重新膠結起來，改善圍巖的物理力學性能，增強圍巖自身承載能力，從而提高圍巖整體穩定性和力學性能。圍巖注射地質聚合物加固與錨桿支護相結合，不僅改善圍巖巖性和應力分布，而且提高圍巖承載力、大大減小巷道圍巖變形，顯著改善巷道維護狀況。

2 工藝原理

①注射地質聚合物固化時，地質聚合物漿液在泵壓的作用下，除了將一些較大的裂隙充填滿，還可以將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙壓縮，甚至使其閉合，使松散破碎的圍巖膠結成整體，提高了巖體的內聚力、內摩擦角及彈性模量，從而提高了巖體強度，可以實現利用圍巖本身作為支護結構的一部分。

②地質聚合物對裂隙面的粘結作用，使裂隙端部的應力集中大大削弱或消失，從而使巷道圍巖的破壞機制發生轉變，與原巖形成一個整體，從而在大構造應力下保持穩定而不易產生破壞。

③對錨網索噴支護過的巷道，注射新型地質聚合物，可以配合錨桿、錨索形成一個多層有效的組合拱，擴大了支護結構的有效承載范圍，提高了支護結構的整體性和承載能力。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝過程

打眼———注漿管纏麻———安裝注漿管和閥門———用高壓膠管連接注射槍和注漿泵———將1根吸管插入裝有地質聚合物的桶內———開泵注漿———沖洗機具———停泵— —拆卸注射槍。

3.2 具體的施工步驟

①打眼下管，按設計鉆孔位置、參數和規定順序打注漿孔。采用Y27風鉆造孔，鉆孔直徑Φ42mm，孔深：淺孔3m；深孔8m，打眼角度應垂直于巷道輪廓線。打眼間排距均按2m×2m，淺孔注漿完畢后再按淺孔注漿順序進行深孔注漿，深孔和淺孔采用三花布置（圖2）；打眼時，根據眼部高度作業人員分別站在地坪及事先用腳手架和木板等材料搭設工作臺上施工鉆眼，打好眼后，準備下注漿鋼管。采用1.2寸無縫鋼管加工的魚鱗管做注漿管，注漿管口焊50mm長1寸帶絲扣管，絲扣上安裝1.5寸高壓閥門，向已打好的眼內裝設注漿鋼管，安裝封孔器。作用是封堵眼口，安裝注漿閥門。防止注入的注漿材料溢出，造成漏液。用高壓膠管連接好注射槍和注漿泵，將連接泵的吸管插入攪拌好的注漿材料桶內，然后準備注漿。

圖2 注漿孔三花布置圖

②注漿人員連接注漿泵壓風及注漿管路，開壓風運轉注漿泵；開啟攪拌機觀察其運轉是否正常；運料工將注漿材料運至攪拌機附近。

③注漿系統試運轉并確認正常后，配料工將注漿材料按比例加入攪拌桶攪拌。

④將注漿管路與封孔器管連接，將封孔器停留在離孔口1m位置，將注漿管和注漿泵連接，開動注漿泵，封孔器封住注漿孔，開始注漿。待注漿壓力或注漿量達到設計結束標準，關閉壓風停泵。結束單孔注漿。

⑤在攪拌機中加入清水，開啟注漿泵進行洗泵，至注漿管流出為清水時停止。

4 施工參數

①注漿參數：配比。水灰比為0.6:1。即3壺（10L）水，2袋（25kg）注漿料，2瓶（斤）灰色添加劑，0.25瓶（0.125kg）透明添加劑。注漿壓力為3-5MPa。

②注漿孔深度及間距：淺孔3m，深孔8m；淺、深注漿孔間排距分別為2m；注漿孔直徑45mm，用?42鉆頭打設。

③注漿管規格及長度：1.2寸無縫鋼管加工的魚鱗管，長度1.9m。

④封孔要求。麻繩浸蘸攪拌好的注漿料，纏繞孔口管密實；麻繩纏繞孔口管2道，淺部0.3-0.5m，深部0.8-1.2m。

⑤漿量的估計：根據注漿段工作面頂板的現場破壞情況定。

⑥單孔注漿結束標準：1）達到設計注漿壓力，并穩壓十分鐘以上。2）雖未達到注漿壓力，但從周邊巖體竄漿，打木楔封堵漏液。3）注漿過程中發現異常情況，及時停泵處理。

表1 施工設備、材料明細表

圖3 ZSY80雙液注漿泵結構示意圖

5 質量要求

執行《煤礦井巷工程質量評定標準》、《煤礦井巷工程施工規范》外，在施工中還應注意以下幾點：

①現場要有專人嚴格監督，是否按照正確注漿順序進行施工，必須先注射淺孔，進行封堵，再按淺孔注射順序進行深孔注射充填。②注漿壓力要達到設計標準，穩壓十分鐘后在進行注漿，以達到注漿的預期效果。

6 安全、環保施工技術措施

①打點柱支護要牢固，下方用50mm厚×300mm寬×500mm長的木板墊底，上方用大頭木楔背實，點柱要垂直打設。

②作業前及作業過程中，要嚴格執行敲幫問頂制度，隨時用長柄工具將活矸處理掉，確保作業環境安全。

③打眼時如需要工作臺，要事先利用大板、腳手架等材料搭設可靠的工作臺，腳手架扣件必須上緊，確保牢固，大板用8#鐵絲雙股捆綁在腳手架上。腳手架后必須加支撐桿，并固定牢固。

④搭設腳手架時，腳手架下要固定在實底或用道木給腳手架穿鞋，不得直接將腳手架架在虛矸上。

⑤所有工作人員在工作臺上作業時，必須佩戴保險帶，保險帶生根在安全可靠位置。

⑥打眼時，嚴禁其他人員站立在釬桿兩側，以防斷釬傷人。

⑦打眼前、搭設工作臺前要先對開裂頂板進行敲幫問道，在保證頂板安全的情況下進行作業。

⑧作業過程中，必須設專人監護幫部和頂板情況，并保證退路暢通，發現問題必須及時處理后方可繼續作業。

⑨作業點20m范圍內瓦斯濃度達到0.8%時，必須停止打眼，當瓦斯濃度下降到0.8%以下時，方可繼續打眼。

⑩所用電纜及風帶的敷設，必須掛設支護可靠地點，防止碰壞或砸壞。

?作業人員必須嚴格按要求使用氣泵，服從師傅指揮，搞好現場互聯保和個體行為自保，整個作業過程必須設專人監護。

?打眼和注漿不得同時作業，防止互相影響。

?注漿壓力控制在3-5MPa。

?注漿壓力要根據現場情況調整，防止壓力過大造成頂板破壞。

?點柱不但能起到支撐作用，也可起到信號作用（即現場施工人員在注漿時要及時觀察點柱支撐情況，如有頂板下沉壓力過大等危險情況時要及時撤出人員，報告相關領導及時采取措施，防止事故發生）。

?注漿開始后，非作業人員全部撤離作業地點。

?專用氣泵應固定牢靠，防止因震動滑倒傷人或損壞設備。需要移動氣泵時，首先清理抬運路線，由一人專門托運風帶，其他人負責運氣泵，一名班組長現場監護指揮，確保抬運安全。

?卸壓作業程序：先停泵-打開卸壓閥-拔開高壓管。

?打眼間距在2m以內眼位不許提前打設。

?注漿過程中，負責觀察漏漿人員應密切關注頂板變化情況，發現頂板異?；螯c柱急劇變形應及時撤離，并通知停止注漿。負責觀察漏漿人員以1-2人為宜，其余工作人員應站在警戒區域以外。

?深孔注漿完成后，注漿施工要緩慢推進。由于地質聚合物完全凝固并達到強度需要1-2天時間，因此注漿推進循環時間須確保2天以上。嚴禁未注漿區域站人或從事任何作業。

?施工過程中如遇錨桿、錨索失效情況，要及時補打錨桿、錨索并及時預緊達設計要求。

?補打錨桿、錨索前要先檢查巷道規格，如規格不夠要先進行處理達設計要求后再補打錨桿、錨索。

?準備好防護用品：塑膠手套3套、清水等。備料和開泵人員戴好塑膠手套，作好勞動保護。

?作業過程中，人員必須愛護設備，不得隨意浪費材料。

?注漿時，電纜、管路要用破風筒布保護起來。防止注漿液粘著在上面。

?注漿過程中必須詳細觀察注漿孔周圍漏漿情況，發現漏漿嚴重時，可停泵2-3分鐘后再注漿，也可換孔注漿。

?每次停泵時間超過5分鐘時，必須及時用清水將注漿泵及管路清洗干凈。

?施工用材料要分類堆放整齊、標識清楚。

?作業完畢，作業人員必須清理好現場，保證巷道文明生產。

7 效益分析

注射新型地質聚合物加強巷道支護強度，避免了更改錨網索噴支護的參數，節省了所用錨桿、錨索的數量以及噴漿的方量，大大節省了打設錨桿、錨索的施工時間和噴射混凝土的時間，提高了施工速度，降低了生產成本，減少了設備的租賃費用和人工費用；同時在社會上的影響增大，提高了企業在工程項目投標的競爭力量。而且鋼材本身就是一種消耗不可再生資源的成品，注射新型地質聚合物，可以避免消耗更多的鋼材，這符合國家關于建筑節能工程的有關要求。

8 結束語

特大斷面硐室注射新型地質聚合物加強支護技術，在山西省王莊煤礦+540m水平延深井下換裝站巷中成功應用。2019年08月井下換裝站開始施工于2020年06月完成最大斷面支架換裝硐室的掘進支護工程，支架換裝硐室斷面形式為直墻半圓拱，巷道設計總長度約619.275m，主體硐室掘進斷面為95.37m，通過向已經錨網索噴支護過的硐室巷道內注射新型地質聚合物，巷道的穩定性得到很大改善，通過技術人員利用科學的觀測法進行了實際觀測，觀測結果證明在一定時間內硐室巷道頂幫沒有再出現噴漿層開裂，頂板繼續下沉現象。

綜上所述，在特大斷面硐室巷道內注射新型地質聚合物，能夠實現加強巷道支護的目的，保證巷道整體的穩定性。因此該工法在同行業中具有廣泛推廣和應用的價值。