復合破碎工作面回撤巷道圍巖注漿加固

姬 東

(陜西陜煤韓城礦業有限公司,陜西 渭南 715400)

0 引言

在礦山建設中,輔助運輸系統巷道服務年限較長,使得巷道長期受壓變形嚴重,加之風化及水濕侵襲圍巖表面,因而需要反復修繕保護。輔運大巷復修過程中,復合頂板變形嚴重,補打支護過程中易發生冒頂事故。因此,巷道復修具有很大的危險性,也一直是安全工作研究的重點[1-3]。對于井巷修復雖然取得了一些成功的經驗,但由于施工周期頻繁,時間較長,嚴重影響了礦井的接續生產,在保證安全生產的基礎上,需要研究安全快速巷修復的新技術,盡可能縮短施工時間,提高施工效率[4-5]。

在松軟破碎構造圍巖中掘進巷道時,由于會打破巷道中原有的弱面非連續介質在松軟破碎圍巖體中的平衡狀態,此時巷道圍巖就會發生變形,釋放出大量能量,進而擴大原本在巷道圍巖中存在的弱面,從而產生新的裂隙[6]。松軟破碎圍巖體在動壓擾動下會呈現膨脹、破碎、松軟、大變形的特點,此時如果不采取合適的支護手段,將會使巷道圍巖變形更加劇烈,使變形破壞后的巷道不能正常使用[7]。熊祖強等[8]采用研制的無機注漿材料結合層次分區注漿加固技術,得到淺部止漿層加固注漿的良好效果。徐香慶等[9]通過研制新型注漿材料對松軟破碎圍巖進行有效加固,保證了巷道的穩定性。馮志強等[10]通過硅酸鹽對傳統注漿材料進行改性研究,改進了材料本身自燃的安全性能缺點同時增強了加固的物理特性。孫健等[11]定量分析采面注漿加固后得到采面頂板沉降計算公式,在煤體強度最適宜的情況下,分析得出了采煤速率。吳懷國[12]通過實時檢測硅酸鹽改性聚氨酯加固材料的溫度變化,發現其與傳統材料反應時的溫度變化不同。

基于以上特點,針對松軟破碎構造圍巖的一種常用補強支護方式進行注漿加固,即通過注漿加固有效改善破碎圍巖的結構和性能,整體提升破碎圍巖段的承載能力[13-15]。注漿加固時,在注漿壓力的作用下,漿液進入破碎的圍巖中,會使圍巖內部的裂隙填滿膠結,從而增強了圍巖體的整體性,壓縮圍巖內部的裂隙變得更加緊密。注漿加固是一種增強圍巖自身承載力為技術途徑的工程,以改善圍巖維護狀態為目標。

采掘工作面末采階段自割回撤通道圍巖變形破壞與其他回撤方式不同,采區多采用預掘雙回采通道和預掘單回采通道方式,而自割回撤通道的頂板壓力分布、圍巖控制和回撤工藝與前者有諸多不同,對于韓城礦區采用自割工藝的中穩頂板煤層,礦壓顯現特征較其他回采工藝略有不同。因此,通過合理有效的二次加固技術,解決綜采工作面回撤通道圍巖治理作業的難點。為了保證下峪口煤礦23308工作面機掘回撤通道在工作面貫通時頂板及煤壁的穩定性,聯合渭南陜煤啟辰科技有限公司研發煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料SCPJG-2進行注漿加固處理,以提高其頂板抗壓強度,緩解頂板下沉情況。

1 項目概況

下峪口煤礦23308工作面位于礦井二水平2-3采區北翼,南部與23306工作面采空區相鄰,北側為+300集中運輸下山保護煤柱,23308工作面回風順槽與23306采空區進風順槽間距15 m,上部為23208采空區。采面為傾斜條帶布置,順槽設計可采長度991 m,切眼寬180 m。上部為2號煤層23206、23208、23210工作面采空區。工作面地表位置位于姚家埝以南,地貌為山地、溝谷、基巖裸露,地表標高為+740～+864 m,工作面底板標高+259.5～+311 m,覆蓋層厚429～604.5 m。地表無村莊及其它建筑物。

工作面位于北山子向斜北翼,該區域地層產狀總體呈一傾向W,傾角2°～6°,平均4°的單斜構造。工作面運順整體位于背斜軸附近,煤層厚度偏薄,瓦斯相對值小,頂板巖性較軟,裂隙發育,受應力作用較大,整體破碎;進順相對位于向斜軸附近,煤層厚度趨穩,瓦斯相對值偏大,頂板巖性較軟,裂隙次發育。工作面中部煤層平緩,淺部與深部煤層回采過程機頭與機尾落差較大,中深部煤層起伏角度偏大。

該工作面煤層結構簡單,3號煤層煤厚0.2～4.5 m,根據工作面兩順及切眼41個實際見煤點煤厚計算,工作面平均煤厚為2.4 m,為穩定的中厚煤層,煤層傾向295°。偽頂為泥巖,厚度為0～0.5 m,且由淺部向深部巷道頂板巖性顆粒逐漸變粗,為粉砂巖或細砂巖。頂板為粉砂巖,厚4.0～5.0 m,之上為中粒砂巖,灰白色,含大量云母星片,厚度大于10 m,在23308工作面深部煤層頂板為細砂巖,深灰色,以石英長石為主,粒度由上至下變粗,巖性硬度逐漸增大。底板為厚3.0～4.5 m的泥巖或砂質泥巖,黑色,結構致密,含植物根莖化石;只有靠近工作面中深部的區域煤層底板是厚度小于1.0 m的炭質泥巖,下面是黑矸石,中間夾有菱鐵礦結核,滑面發育,厚4.0～4.5 m。

2 注漿材料及設備性能

注漿加固圍巖體是采用特殊漿液將圍巖內部的脆弱部分,通過漿液的化學特性改變圍巖體的物理特征,利用膠結作用原理重新分布與圍巖體內的脆弱部分,將此部分重新排列整合為一個完整的高強度圍巖體,這樣的重新膠結排列使得圍巖體的整體性和其本身物理力學特性得到大大改善。試驗研究表明,對圍巖體進行注漿加固是一種最切實有效的技術方法,能有效提高圍巖體自身承載力,這種方法能有效避免發生支護失效現象,有利于礦井安全生產。注漿加固層位為破碎圍巖,由于破碎圍巖松軟低滲的特性,要求材料滲透性好,與巖石有較強的粘結性,加固材料強度要高,綜合考慮本次注漿采用渭南陜煤啟辰科技有限公司生產的雙采煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料(SCPJG-2)進行施工。SCPJG-2是特殊的2種組分組合的材料產品,由A組分特殊材料產品通過化學攪拌芯與B組分特殊材料產品迅速攪拌反應,產生強度高的聚合物體。此種聚合物粘結力較強,聚合物通過吸附于煤巖體上產生耐高壓,抗剪切力和沖擊力,對強酸強堿具有高效的免疫力。聚合物具有較高的流動性,易滲入煤巖體內部,具有防水發泡特征,對煤巖體內部的細小裂隙具有較好的填充性能。高分子材料不揮發有毒有害氣體,具有極強的環保特性。特殊組分材料按照1:1的體積比通過雙液注漿裝置經過化學攪拌芯混合攪拌均勻后經過注漿管注入煤巖體中。煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料性能效果如圖1所示。

圖1 材料加固效果Fig.1 Effect of material reinforcement

注漿加固設備采用氣動注漿裝置ZZQ-0.9/5。雙液注漿裝置注漿原理如圖2所示。供風壓力不低于0.5 MPa,供氣量每分鐘不低于4 m3。注漿管選用4′鋼管做注漿管,花管每根長2 m,實管長2 m。采用人字形三通進行混合攪拌。抗震耐壓力表使用160 Kgf/cm2規格型號為YK-1的壓力表。高壓膠管采用耐壓值為5 MPa的D=13 mm的雙層鋼絲膠管,高壓膠管用于進風。

圖2 雙液注漿裝置注漿原理示意Fig.2 Grouting principle of double liquid grouting equipment

3 注漿加固施工設計

3.1 鉆孔布置

根據其他礦山的注漿經驗,煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料在“三軟”煤層中的擴散半徑一般為1.5～2.0m(可根據現場實際進行調整)。根據工作面頂板變形情況,本次施工對工作面80架至110架范圍內破碎煤幫及頂板進行注漿加固。此次注漿采用間隔打孔注漿方式,考慮到“三軟”煤層礦井工作面注漿經驗煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料的擴散半徑一般為2～3 m,因此設計鉆孔間距約3 m,設置一排鉆孔。設計注漿鉆孔直徑42 mm,鉆孔深度3 m,注漿管采用4′鋼管,注漿管長度3 m,距孔口2 m注漿實管,孔內1 m注漿花管。通過封孔器連接花管和實管。圖3為巷道注漿鉆孔布置圖,圖4為注漿管及封孔示意。

圖3 23308回撤工作面注漿加固方案示意Fig.3 Grouting reinforcement scheme of 23308 withdrawal working face

圖4 注漿管及封孔示意Fig.4 Diagram of grouting pipe and borehole sealing

預注漿單孔注漿量1 250 kg,累計施工鉆孔16個,共計20 t,保證實際注漿效果,達到穩定巷道的作用,并且可根據現場情況適當調整。施工現場供風量根據現場的實際情況每分鐘不低于3 m3,供風壓力不低于0.5 MPa,注漿壓力不低于10 MPa?；瘜W漿液的粘合時間主要取決于不同種類的材料進行注漿。從目前我公司已有的注漿材料特性和現場注漿經驗積累來看,注漿從開始注漿到注漿完全擴散或滲透到被注漿載體上,通常需要5～10 min。

3.2 注漿順序

根據井下現場的地質作業條件期間環境變化來設計注漿孔的注漿順序。注漿期間隨時觀察注漿孔流漿量,動態調整注漿方式,對部分圍巖體裂隙較發達的注漿孔,可臨時采用間隔跳躍的注漿形式,根據流漿量的不同,避免漿液串流影響注漿效果,使均孔注漿量提高;采用先外圍注漿再內圈注漿的方法,對面積較大的地段進行加固;采用間隔打孔+兩輪注漿配合的方式,對比較破碎的圍巖區域有較好的預注漿作用;一般在圍巖體發育較好的區域,間隔打孔兩輪注漿施工,利用漿液的擴散效應產生“止漿屏”,杜絕嚴重漏漿現象的發生,再將漿液注入較深處,形成新的更深層次的“止漿屏”,將深部圍巖體逐層累加加固,確保漿液在設計注漿范圍內逐步向圍巖體裂隙擴散,達到整體加固效果。

4 效果性評價

頂板注漿加固擴散后的漿液通過化學反應作用后將圍巖體與支護頂板的錨桿粘合為一個整體,提高了圍巖體的完整性,以及巷道頂板的穩定性,對于未施工區域加強錨桿施工提供了較為穩定的錨固環境,較好地管理巷道頂板,現場測量漿液在注漿孔周邊擴散范圍為2 m。根據圖5分析,下峪口煤礦23308回撤工作面巖性賦存厚度中等偏薄頂板,工作面頂板上會有階段性懸頂落礦壓降現象,以此種中等穩定頂板作為基礎頂板的特征。

圖5 注漿加固前工作面示意Fig.5 Diagram of working face before grouting reinforcement

在綜采工作面末采階段,采動后應力再平衡過程會影響回撤通道頂板穩定性,回撤通道幫部和頂板位移會明顯增大,工作面頂板變形破壞,甚至會出現煤壁片幫嚴重、頂板局部冒落、液壓支架壓死等問題。如圖6中圓框中所示,注漿加固的漿液充滿破碎圍巖內的裂隙通道,使得圍巖破碎范圍大大降低,增強了圍巖的整體穩定性。注漿后煤壁平直,破碎圍巖裂隙布滿蜘蛛網狀漿液,裂隙擴展頂板區域漿液擴散半徑為4 m,頂板成型輪廓符合安全生產標準化要求,施工產生的浮矸量和落矸量減少,處理矸石的時間縮短,施工作業周期降低,較原施工時間縮短50%,提高了施工效率。

圖6 注漿加固后圍巖效果示意Fig.6 Surrounding rock effect after grouting reinforcement

5 結語

對裂隙巖體進行注漿加固,其實質是通過注漿使巖體結構面的力學特性得到改善,漿液擴散沉積對破碎巖體形成固結并充填裂隙。同時,膠結作用的發揮,提高了裂隙巖體的抗剪切能力,同時也提高了圍巖體物理機械強度。實踐表明,將注漿加固機制與巖體錨固機制結合起來,可以顯著增加巖體的強度、剛度以及穩定性。下峪口煤礦23308回撤工作面的圍巖質地較為松軟且裂隙發育,依據工作面頂板注漿加固現場情況,注漿加固改善圍巖物理力學參數,增強圍巖體自承力,在巖體內部形成承載結構并提升頂板管理水平,能夠為后續該礦區此類型條件下的巷道圍巖加固提供技術支撐。