亞美大寧煤礦動(dòng)壓巷道超前注漿加固技術(shù)研究

王躍華，石晉松，韓 凱，姜 漢，劉世奇，張洪偉，郭懂宇，賈哲哲

（1.山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

巷道注漿加固是在注漿泵的壓力下使用水泥漿液填充和加固煤巖體中受損或原始的裂隙面[1-2]，可將破碎的煤巖體進(jìn)行加固和填充壓實(shí)，也可壓縮無法填充的閉合裂縫和空隙，從而壓實(shí)巖體整體[3-5]。亞美大寧煤礦3503 巷道在305 綜采工作面回采期間受采動(dòng)應(yīng)力影響，出現(xiàn)頂板受壓變形、錨桿錨索失效、局部冒頂?shù)痊F(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了圍巖穩(wěn)定性，影響生產(chǎn)安全。雖然該巷道已采用錨索二次加強(qiáng)支護(hù)，底鼓區(qū)進(jìn)行了拉底處理，但效果不佳。

基于以上問題，本文在原有巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，通過超前注漿加固技術(shù)，在巷道拱頂、兩幫的位置進(jìn)行注漿加固，使?jié){液充填巖石空隙，將其凝固成一體，達(dá)到減少巷道變形量、提升圍巖整體強(qiáng)度的目的。

1 注漿加固分區(qū)

原始地層中的應(yīng)力平衡狀態(tài)被煤礦的井下開采活動(dòng)破壞，導(dǎo)致煤體中的應(yīng)力σ 重新分布，且隨著距巷道中心點(diǎn)r 位置的不同而發(fā)生變化。一段時(shí)間后，形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)[6]，煤體在這3 個(gè)區(qū)域中所受應(yīng)力和變形特質(zhì)不同。根據(jù)巷道加固后煤巖體所起的作用以及周圍煤巖體破碎程度，將加固的區(qū)域分為劈裂加固區(qū)、充填加固區(qū)和滲透加固區(qū)[7]，如圖1 所示。

圖1 注漿加固分區(qū)示意Fig.1 Schematic diagram of the grouting reinforcement partition

1.1 充填加固區(qū)

充填加固區(qū)內(nèi)煤巖體破碎，且卸壓區(qū)與充填加固區(qū)重合，各種井下支護(hù)和開采措施損壞了該區(qū)域的煤體，形成貫穿裂隙。由于開采的影響，這些裂隙沒有方向性，該區(qū)域噴漿層施工后進(jìn)行注漿，使煤壁形成一個(gè)整體，不出現(xiàn)片幫。注漿加固后在此區(qū)域內(nèi)形成的漿料網(wǎng)絡(luò)骨架、煤料結(jié)石體對(duì)防治巷道注漿升壓后的漏漿、跑漿起到重要作用[8-9]。

1.2 滲透加固區(qū)

滲透加固區(qū)的范圍取決于巷道的高度、寬度、支護(hù)形式、煤體內(nèi)聚力、煤巖體所受載荷、煤巖體抗壓強(qiáng)度等。加固區(qū)的范圍不僅與上面這些因素相關(guān)，還與推進(jìn)速度、支架剛度、采高等相關(guān)。滲透加固區(qū)與塑性變形區(qū)重合是注漿加固的重點(diǎn)，該區(qū)域內(nèi)主要是原生和次生裂隙面與結(jié)構(gòu)面，具有很強(qiáng)的方向性。漿液在注漿時(shí)的流動(dòng)以定向滲流為主，最終起到充填注漿和滲透注漿的效果[10]。

1.3 劈裂加固區(qū)

受應(yīng)力作用影響，劈裂加固區(qū)煤巖體內(nèi)的裂隙開度受到壓縮，漿液流通困難。通過劈裂方式可對(duì)此區(qū)域內(nèi)的煤體進(jìn)行注漿，在注漿壓力的作用下，漿液被送入鉆孔，以克服巖體的抗拉強(qiáng)度和初始應(yīng)力，造成巖石結(jié)構(gòu)的破壞，使其垂直小主應(yīng)力的平面劈裂，且原有的巖層中裂隙和孔隙張開，增加了漿液的可注性和擴(kuò)散距離。同時(shí)，利用其液壓在地層中產(chǎn)生劈裂孔隙，改善地層的可注性，從而達(dá)到注漿加固煤巖體的要求[11]。

漿液擴(kuò)散半徑與注漿時(shí)間、注漿壓力、裂隙發(fā)育程度有關(guān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算難度，漿液擴(kuò)散半徑的計(jì)算采用溶液球狀滲透狀公式：

式中：R 為漿液擴(kuò)散半徑，m；r 為漿液黏度的倒數(shù)；q 為漿液注入流量，m3/min；t 為漿液固化時(shí)間，min；n 為孔隙率，%。

代入數(shù)據(jù)，r=1.43，q=0.014 m3/min，t=210 min，n=0.038 2%，則R=2.97 m。

2 巷道注漿加固施工方案

2.1 注漿加固施工步驟

施工設(shè)計(jì)結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)情況，提出“噴漿+注漿”分層次耦合加固方案。

（1）注漿段需要進(jìn)行巷道修復(fù)，工作內(nèi)容包括挑頂、兩幫修復(fù)等，以將巷道斷面恢復(fù)至設(shè)計(jì)規(guī)格；巷道修復(fù)后進(jìn)行表層噴漿，為巷道進(jìn)行噴漿支護(hù)以及全部封堵煤巖裂隙，后續(xù)的注漿工作以此為基礎(chǔ)。

（2）圍巖注漿需布置一定深度的注漿管，通過控制注漿壓力從而增大注漿密度，以達(dá)到利用注漿封堵淺部圍巖內(nèi)部的裂隙、孔隙、各類通道的目的。淺部圍巖被膠結(jié)成一個(gè)整體，自穩(wěn)能力提高，當(dāng)漿液充分注入深部圍巖的裂隙后，圍巖的內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力等參數(shù)提高，深部圍巖強(qiáng)度增大，使其達(dá)到充分的承載及自穩(wěn)能力，實(shí)現(xiàn)巷道的有效加固和圍巖的穩(wěn)定[12]。

2.2 注漿加固參數(shù)設(shè)計(jì)及施工

（1）噴漿封堵。

為封堵巷道煤巖體表面裂隙，防止注漿過程的漏漿，對(duì)3503 巷道頂、幫進(jìn)行表層噴漿封閉，噴層厚度不小于100 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C20。

（2）注漿孔布置。

在3503 巷道頂板、兩幫施工注漿孔，孔深6m，鉆孔沿巷道斷面頂、幫成排布置。頂板孔間距1 750 mm，每排布置3 個(gè)；兩幫孔間距1 500 mm，每排布置3 個(gè)；注漿孔排距3 000 mm。預(yù)計(jì)總孔數(shù)約400 個(gè)。

使用手持式風(fēng)鉆進(jìn)行打孔，巷道輪廓1 500 mm 范圍內(nèi)鉆頭直徑76 mm，1 500～6 000 mm 段鉆頭直徑42 mm。鉆孔布置及注漿順序如圖2、圖3所示。

圖2 巷道頂幫注漿加固孔位平面（單位：mm）Fig.2 Grouting hole plan of roadway roof and side(unit:mm)

圖3 巷道頂幫注漿加固孔位斷面（單位：mm）Fig.3 Grouting hole section of roadway roof and side(unit:mm)

（3）注漿材料配比設(shè)計(jì)。

水泥規(guī)格為P.O42.5 的普通硅酸鹽水泥，AJG水泥漿復(fù)合添加劑為水泥量的10%。質(zhì)量比為水泥∶AJG 水泥漿復(fù)合添加劑∶水=1∶0.1∶0.6，折合重量比為水泥∶AJG 水泥漿復(fù)合添加劑∶水=100 kg∶10 kg∶60 kg，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行局部調(diào)整。

（4）注漿工藝流程。

手持式風(fēng)鉆開孔至孔深—安裝固定注漿管—安裝高壓閥門—關(guān)閉閥門連接注漿設(shè)施—打開閥門—開啟注漿泵—注入漿液—停注—關(guān)閉閥門—換孔。

（5）注漿設(shè)備如圖4 所示，注漿泵技術(shù)參數(shù)見表1，注漿管加工參數(shù)見表2。

表1 注漿泵技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of grouting pump

表2 注漿管加工參數(shù)Table 2 Processing parameters of grouting pipe

圖4 2ZBQ40/10 氣動(dòng)注漿泵Fig.4 Pneumatic grouting pump of 2ZBQ40/10

（6）注漿施工順序。

注漿施工采取“由里向外、先幫后頂、先奇后偶”的順序逐排進(jìn)行。注漿施工與打孔施工平行作業(yè)，施工地點(diǎn)相隔15 m。

（7）注漿壓力。

注漿終止壓力4 MPa。注漿過程中，局部出現(xiàn)漏漿時(shí)采取相應(yīng)的措施，壓水或堵漏后復(fù)注，對(duì)于漏漿嚴(yán)重導(dǎo)致停注的區(qū)域，需及時(shí)補(bǔ)打注漿孔。巷道表層發(fā)生大量跑漿時(shí)，采用JW 高強(qiáng)堵漏劑及時(shí)進(jìn)行裂隙封堵，待JW 高強(qiáng)堵漏劑凝固有一定強(qiáng)度后，繼續(xù)進(jìn)行復(fù)注，盡可能多注漿使圍巖的空隙填滿，以提高注漿效果。

（8）注漿量。

異常區(qū)注漿130 m，施工339 個(gè)孔（鉆孔進(jìn)尺2 106 m），其中淺孔336 個(gè)（6 m）、深孔3 個(gè)（30 m），共計(jì)注漿量110.75 t、AJG 水泥漿復(fù)合添加劑11.2 t。

淺孔（6 m）單孔最大注漿量：水泥4.85 t、AJG 水泥漿復(fù)合添加劑0.5 t；單孔最小注漿量：水泥0.15 t、AJG 水泥漿復(fù)合添加劑0.01 t。

深孔（30 m）單個(gè)孔最大注漿量：水泥4.8 t、AJG 水泥漿復(fù)合添加劑0.48 t，單孔最小注漿量：水泥3.2 t、AJG 水泥漿復(fù)合添加劑0.32 t。

2.3 施工質(zhì)量管理

所有注漿孔的施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的位置與角度，注漿孔之間偏差不可大于100 mm，禁止使用結(jié)塊或過期的水泥。注漿按照“分序加密”的原則進(jìn)行，先灌奇數(shù)孔，后灌偶數(shù)孔，先幫部后頂部，跳躍式進(jìn)行注漿，以防止孔間串漿和相互影響。注漿必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，盡快恢復(fù)注漿，否則應(yīng)立即沖洗鉆孔，再恢復(fù)注漿。若無法沖洗或沖洗無效時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行掃孔，再恢復(fù)注漿。

注漿時(shí)，應(yīng)注意注漿孔四周5 m 范圍內(nèi)是否有裂縫跑漿、鼓包等情況。在停灌待凝的同時(shí)，對(duì)跑漿的裂縫進(jìn)行封堵，待凝30 min 以后，繼續(xù)灌到設(shè)計(jì)壓力時(shí)為止。鉆進(jìn)時(shí)，若遇較大離層、塌孔或掉塊等難以鉆孔時(shí)，可先進(jìn)行注漿處理后再進(jìn)行鉆進(jìn)。局部注漿段在注漿前應(yīng)采用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗壓力可為注漿壓力的80%，但不大于1 MPa，沖洗至回水清凈時(shí)為止，時(shí)間不大于20 min。若鉆孔涌水，可不沖洗鉆孔。

鉆進(jìn)過程中，遇巖性變化，發(fā)生掉塊，塌孔、鉆進(jìn)速度變化、回水變色、失水、涌水等異常變化，做好詳細(xì)記錄。壓力表安裝在注漿孔孔口處回漿管路上，與孔口的距離不大于5 m。注漿壓力保持平衡，記錄壓力的平均值。

回漿管宜有15 L/min 以上的回漿量，防止進(jìn)漿管或回漿管在孔內(nèi)被變稠的漿液堵住。若注漿已被堵住，立即放開回漿閥門，強(qiáng)力沖洗鉆孔。注漿結(jié)束后，注漿設(shè)備、管路必須清理干凈。

3 注漿加固效果驗(yàn)證分析

3.1 巷道變形觀測(cè)分析

注漿工程結(jié)束后，設(shè)置了4 組基點(diǎn)，采用“十字布點(diǎn)法”觀測(cè)巷道變形量，經(jīng)觀測(cè)綜采工作面推進(jìn)到注漿區(qū)域時(shí)，巷道未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，且巷道兩幫位移量在154～571 mm，頂板下沉量在215～400 mm，底鼓量在371～700 mm，包括安全出口在內(nèi)的巷道變形量始終在可控范圍內(nèi)。

3.2 巷道煤體強(qiáng)度對(duì)比分析

為了獲得3503 巷道注漿前后煤體強(qiáng)度的變化，注漿工程結(jié)束后，于注漿位置前后共取得2 組煤巖芯，移交實(shí)驗(yàn)室開展點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)定試驗(yàn)的單軸抗壓強(qiáng)度。試樣點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)記錄見表3。

表3 試樣點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)記錄Table 3 Point load test record of sample

第一組試驗(yàn)試樣編號(hào)為1～10 號(hào)，代表注漿前煤體強(qiáng)度；第二組試驗(yàn)試樣編號(hào)為11～19 號(hào)，代表注漿后煤體強(qiáng)度。

由表3 得知，注漿前煤體強(qiáng)度為8.85 MPa，注漿后煤體強(qiáng)度12.79 MPa。注漿前后煤體強(qiáng)度增加值為3.94 MPa，增加比例為44.52%。

3.3 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

綜采工作面冒頂后一般采用打木垛、構(gòu)頂、注漿等技術(shù)進(jìn)行處理，工序復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且工人作業(yè)空間位于冒頂區(qū)域附近，安全隱患較大，處理時(shí)間較長(zhǎng)，影響綜采工作面的推進(jìn)效率。

3503 巷道在采動(dòng)壓力影響下，圍巖破壞變形嚴(yán)重，出現(xiàn)支護(hù)失效、漏頂、底鼓等現(xiàn)象。大變形量巷道二次維護(hù)施工難度大，需人工進(jìn)行放頂、拉底擴(kuò)幫、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，巷修過程中容易發(fā)生二次片幫冒頂事故，對(duì)安全生產(chǎn)造成了極大的隱患。現(xiàn)通過巷道超前預(yù)注漿的方式，提前對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域頂幫進(jìn)行固化，用預(yù)防性措施代替冒頂后補(bǔ)救性措施，有效的對(duì)頂板安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了管控，降低發(fā)生冒頂事故的概率和人工處理的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

（1）綜采工作面推進(jìn)到注漿區(qū)域時(shí)，巷道未發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，且巷道兩幫位移量在154～571 mm，頂板下沉量在215～400 mm，底鼓量在371～700 mm，巷道注漿后變形量始終在可控范圍內(nèi)，巷道固化效果明顯。

（2）注漿前煤體強(qiáng)度為8.85 MPa，注漿后煤體強(qiáng)度12.79 MPa。注漿前后煤體強(qiáng)度增加值為3.94 MPa，增加比例為44.52%。

（3）通過巷道超前預(yù)注漿的方式，提前對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域頂幫進(jìn)行固化，用預(yù)防性措施代替冒頂后補(bǔ)救性措施，有效的對(duì)頂板安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了管控，降低發(fā)生冒頂事故的概率和人工處理的風(fēng)險(xiǎn)。