基于新型注漿材料的巷道底鼓控制技術(shù)

曹璐

（晉城宏圣科威礦用材料有限公司，山西 晉城 048000）

0 前言

我國是一個煤礦大國，煤礦在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對于我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的促進作用[1,2]，2016年國家能源局發(fā)布“能源發(fā)展”十三五“規(guī)劃”明確指出至十三五末煤炭消耗量控制在41億t以內(nèi)，約占我國能源結(jié)構(gòu)的58%以內(nèi)，可見未來一段時間內(nèi)，我國能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主[3,4]。隨著我國煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不向深部開采，我國煤礦正以每年8～12 m的速度向下延伸。

隨著我國煤礦開采深度的逐漸增加以及工作面掘進與回采中遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造[5]。在疊加應(yīng)力作用下巷道會發(fā)生嚴重的巷道變形，其中尤以巷道底鼓最為嚴重，巷道底鼓發(fā)生后斷面收縮變小，嚴重影響通風(fēng)、行人以及運輸安全。制約煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展[6]。

疊加應(yīng)力巷道底鼓的控制技術(shù)一直是動壓巷道支護的重難點。我國眾多學(xué)者進行了大量研究[7-11]。主要通過分析巷道變形特征提出了巷道治理措施，實施技術(shù)措施后，巷道變形明顯得到控制，起到了非常好效果[12,13]。但對于向斜構(gòu)造區(qū)巷道疊加應(yīng)力影響下底鼓缺少研究，巷道受水平構(gòu)造集中應(yīng)力以及疊加應(yīng)力影響，其受力狀態(tài)是復(fù)雜多變的，采用以往單純的淺部注漿難以控制巷道變形，導(dǎo)致巷道變形控制失效[14,15]。本文以山西郭莊礦巷道為試驗巷道，對其在疊加應(yīng)力影響下巷道底鼓進行控制，并對其控制后巷道變形進行監(jiān)測。

1 工程概況及破壞分析

1.1 工程概況

山西九鑫煤礦坐落于晉城境內(nèi)，礦井生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，主采3號煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可以開采，煤層平均厚度5.1 m。礦井共布置回風(fēng)大巷、軌道大巷、膠帶大巷3條巷道，基本上呈東西方向布置。其中，回風(fēng)大巷緊挨回采工作面，受采動影響嚴重，導(dǎo)致回風(fēng)巷道圍巖破碎，同時，受向斜構(gòu)造的影響，回風(fēng)大巷嚴重變形，原碹體支護被嚴重破壞，變形嚴重，頂板下沉量大，管理困難。底板鼓起比較嚴重，整體底鼓達到1.8 m之大。需要對巷道進行加固治理，保證巷道的正常使用。

1.2 破壞原因

當(dāng)巷道開挖之前應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，應(yīng)力分布均勻。當(dāng)巷道開挖后原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分析。當(dāng)巷道形成后不受采動影響時，圍巖中的應(yīng)力均勻分布，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巷道一側(cè)受到工作面采動影響后，距離工作面較近的巷道區(qū)域受到較大影響，在圍巖中形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到疊加應(yīng)力的影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越明顯，應(yīng)力值也不斷增大，影響范圍也逐漸變大，導(dǎo)致回風(fēng)大巷圍巖發(fā)生破碎，同時，原砌碹支護設(shè)置屬于被動支護，圍巖與碹體被分開，不能很好的融為一體，起不到支護的作用，由于被分開，兩者之間必然會產(chǎn)生空幫，造成碹體被破壞，支護失效，支護能力大大降低。為了保證工作面的正常使用，需對其進行重新支護保證其回風(fēng)大巷正常使用。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 控制措施

采用砌碹技術(shù)很難控制住巷道變形，當(dāng)在砌碹的基礎(chǔ)上進行注漿時，圍巖變形量明顯降低。砌碹支護屬于被動支護，砌碹與圍巖不能很好的融為一個整體，不能夠提高圍巖的承載能力，圍巖破碎區(qū)范圍沒有減少。而在原有的砌碹支護基礎(chǔ)上進行注漿加固后，巷道圍巖裂隙充滿漿液形成一個整體，圍巖破碎區(qū)范圍明顯減少，漿液使得圍巖與碹體很好的結(jié)合在一起，圍巖破碎區(qū)范圍減少，使得碹體能夠承壓均勻，提高了碹體承載壓力的能力。而在極破碎區(qū)域采用注漿+錨桿、錨索支護后，圍巖變形量進一步降低，很好的控制圍巖變形。因此，綜合該煤礦地質(zhì)條件，對巷道采用錨桿、錨索+注漿的技術(shù)措施對巷道圍巖進行控制，對底板進行卸壓槽進行處理。

2.2 新型加固材料

新型注漿材料以硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰、石膏為原材料進行配比，得出的最佳配比為，硫鋁酸鹽水泥熟料50份，石灰6.25份，石膏43.75份，其中硫鋁酸鹽水泥熟料為A液，石灰和石膏的混合液為B液。并添加相應(yīng)的緩凝劑、減水劑、增稠劑和速凝劑。得出最終的新型無機注漿加固材料配比[12]。

2.2.1 凝結(jié)時間與抗壓強度

漿液抗壓強度和凝結(jié)時間是注漿材料的基本性能，是保證注漿加固的主要條件，其抗壓強度與凝結(jié)時間如圖1所示。

由圖1可知，隨著水灰比的變大，漿液的凝結(jié)時間逐漸增大，在0.8∶1之前，漿液凝結(jié)時間增速緩慢，當(dāng)水灰比大于0.8∶1時，漿液凝結(jié)時間增速明顯提高，其漿液凝結(jié)時間區(qū)間較大，能夠適應(yīng)破碎圍巖深、淺部注漿時間的要求。隨著水灰比的不斷增大，漿液的抗壓強度逐漸降低，在0.5∶1時漿液結(jié)石體的抗壓強度可以達到16 MPa以上，當(dāng)水灰比增加到0.9∶1時，漿液的抗壓強度保持在較高水平12 MPa，基本上能夠滿足圍巖加固的要求。

圖1 不同水灰比下漿液凝結(jié)時間和抗壓強度

2.2.2 結(jié)石體干縮率和泌水率

漿液結(jié)石體干縮率和泌水率是保證漿液結(jié)石體具有較好的穩(wěn)定性，低漿液結(jié)石體干縮率和泌水率能夠有效控制圍巖穩(wěn)定，不同水灰比下漿液結(jié)石體干縮率和泌水率如圖2所示。

圖2 不同水灰比下漿液干縮率和泌水率

由圖2可知，漿液干縮率隨水灰比的增大而減少，2 h時漿液干縮率明顯小于4 h，漿液的干縮率不但與水灰比有關(guān)，還與時間存在一定關(guān)系，漿液最大干縮率小于5%，能夠很好的保證漿液的穩(wěn)定性；隨著漿液的不斷變大漿液泌水率不斷增大，在水灰比0.8∶1之前，漿液泌水率增加緩慢，當(dāng)水灰比大于0.8∶1時，漿液泌水率增速變大，當(dāng)水灰比2.0∶1時達到了區(qū)間最大值，但其泌水率小于5 %，泌水率較小，能夠很好的保證漿液的穩(wěn)定性。

2.2.3 反應(yīng)溫度

當(dāng)新型材料的雙液進行混合后，漿液發(fā)生化學(xué)、生物反應(yīng)，必然產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)溫度過高時，容易引起火災(zāi)事故，國家煤礦安監(jiān)局“煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法（試行）”明確指出，煤巖體加固、充填密閉、噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料各液態(tài)組分的閃點應(yīng)高于100℃，因此，對其反應(yīng)溫度進行分析，反應(yīng)溫度如圖3所示。

圖3 不同水灰比下漿液反應(yīng)溫度曲線

由不同水灰比下漿液反應(yīng)溫度曲線可知，漿液混合后，漿液迅速發(fā)生化學(xué)生物反應(yīng)，產(chǎn)生大量的水化熱，溫度在短時間內(nèi)迅速升高，同時，隨著漿液水灰比的逐漸增大，漿液反應(yīng)溫度不斷降低，當(dāng)水灰比為0.5∶1時，產(chǎn)生的熱度最高，為55℃。相較于傳統(tǒng)的化學(xué)漿液反應(yīng)溫度，該新型材料的反應(yīng)溫度較低，采用該材料直接對煤巖體進行加固，不會發(fā)生漿液產(chǎn)生的大量熱導(dǎo)致煤體自燃。

2.3 注漿參數(shù)

巷道2 200 mm范圍內(nèi)圍巖破碎極其嚴重，圍巖裂隙發(fā)育度較高，裂隙開度較大，該部分破碎圍巖需要通過凝結(jié)時間較短的漿液，在短時間凝結(jié)，防止?jié){液沿著裂隙由圍巖表面漏出，形成的止?jié){層也為深部注漿提供了技術(shù)支持。在2 200 mm范圍內(nèi)選用水灰比為0.8∶1的漿液，配合注漿壓力1～1.5 MPa進行注漿，對于深部注漿，需要漿液得到有效擴散，同時需要保證漿液的抗壓強度，采用水灰比為1.1∶1的漿液，同時配合注漿壓力為4.5～5 MPa的注漿壓力進行注漿，當(dāng)注漿壓力達到設(shè)計注漿壓力以及注漿流量小于設(shè)計值時，停止注漿[13]。

3 效果檢驗

3.1 注漿效果檢驗

對注漿前后圍巖進行分段注水實驗檢測，該系統(tǒng)為雙栓塞注水裝置如圖4所示[3]。

圖4 分段注水系統(tǒng)特征

其測試原理是工作面注漿前裂隙處于發(fā)育狀態(tài)，而當(dāng)注漿后裂隙被漿液填充，裂隙發(fā)育程度下降，鉆孔漏失量降低，通過對比注漿前后鉆孔漏失量對比漿液加固圍巖裂隙的效果，測試開始前先對分段注水裝置密閉性進行測試，對封閉膠囊加壓，看壓力表，若壓力表在半小時內(nèi)沒有降低，則說明該系統(tǒng)密閉效果符合要求，測試開始后，采用5 MPa的膠囊封堵壓力，采用1 MPa的壓力對測試段進行測試，測試長度選擇為1 m，每段測試15 min，每5 min鐘讀取1個數(shù)據(jù)，讀取3次數(shù)據(jù)，最后取平均值，得出數(shù)據(jù)見表1。

表1 分段注水試驗對比

由分段注水試驗對比數(shù)據(jù)可知，巷道圍巖注漿前，圍巖鉆孔漏失量基本在200 L以下，當(dāng)對巷道圍巖注漿后，圍巖鉆孔漏失量保持在45 L以下，注漿后的鉆孔漏失量降低到注漿前的0.22，說明注漿后，漿液結(jié)石體將破碎圍巖凝結(jié)形成一個完成的整體，巷道圍巖裂隙發(fā)育度大大降低，鉆孔漏失量減少，新型注漿材料對于破碎圍巖的加固具有一定的效果。

3.2 巷道變形監(jiān)測

巷道注漿加固后采用十字交叉法對巷道變形量進行監(jiān)測[14,15]，十字交叉法測試原理是在巷道圍巖以及頂?shù)装宸謩e安裝測點，在測點處打入鉚釘，并連接上測試線，當(dāng)進行測試的時候連接兩點，測試兩點之間的距離讀取數(shù)據(jù)，采用十字交叉法得出的巷道變形曲線如圖5所示。

圖5 巷道變形量

巷道注漿治理后兩幫移近量為59 mm，底鼓量為46 mm，巷道位移量很小，不影響巷道的正常使用，均得到有效控制，注漿加固后破碎圍巖在漿液的固結(jié)作用下形成一個整體，使得治理中的錨桿發(fā)揮了作用，有效的控制了巷道的變形。

4 結(jié)語

1）巷道發(fā)生變形是由于工作面采動影響后，在圍巖中形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到疊加應(yīng)力的影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越明顯，應(yīng)力值也不斷增大，影響范圍也逐漸變大，導(dǎo)致回風(fēng)大巷圍巖發(fā)生破碎。

2）新型注漿加固材料為雙液注漿材料，一種單液為硫鋁酸鹽水泥50份，另一種為石膏和石灰混合料，其含量分別是43.75份和6.25份；結(jié)石體干縮率和泌水率小，漿液具有很好的穩(wěn)定性；固結(jié)煤8 h強度可達13.1 MPa。

3）巷道治理后兩幫移近量和底鼓量分別是59 mm和46 mm，有效控制了巷道的變形。