斷層破碎帶中巷道注漿加固設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉 勇

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

注漿加固法是利用氣動(dòng)或者其他動(dòng)力，通過注漿鉆孔、注漿管以及安置于注漿孔中的封孔設(shè)備，將具有流動(dòng)的并在膠凝后具有一定強(qiáng)度及抗?jié)B透性的液狀材料均勻地注入到注漿介質(zhì)內(nèi)的裂隙中，從而改善注漿介質(zhì)的力學(xué)、物理等性能，提高注漿介質(zhì)的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度，降低注漿介質(zhì)滲透性的施工方法。利用注漿的方法對煤礦井下松軟破碎圍巖體進(jìn)行注漿加固，對透水性圍巖體進(jìn)行注漿堵水是提高煤礦安全性和生產(chǎn)效益的方法之一。

1 注漿加固破碎圍巖體原理

漿液在壓力的作用下，不但可以充滿互相聯(lián)通的圍巖裂隙，而且還可以將漿液充填不到的封閉裂隙壓縮，從而對圍巖體整體起到壓實(shí)作用，其結(jié)果是使巖體的彈性模量提高，強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

巖體的強(qiáng)度通常用莫爾強(qiáng)度理論來描述，注漿加固的補(bǔ)強(qiáng)作用可采用莫爾強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，為簡化計(jì)算，強(qiáng)度曲線采用直線形包絡(luò)線，即:

式中，τ為巖體抗剪強(qiáng)度，MPa;σ為正應(yīng)力，MPa;C為巖體的粘聚力，MPa;φ為內(nèi)摩擦角。

由上式可知，巖體強(qiáng)度的大小是由C、φ這兩個(gè)指標(biāo)確定的。當(dāng)集中的切向應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，工作面表面的巖體首先破壞，產(chǎn)生裂隙，巖體原有的粘聚力及內(nèi)摩擦角下降，圍巖在一定范圍內(nèi)形成圍巖破碎帶。此破碎帶內(nèi)的巖體雖具有一定殘余強(qiáng)度，但其抵抗工作面圍巖深度變形的能力顯著降低，通過注漿可改善巖體弱面的力學(xué)性能，即提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。巖體注漿前后強(qiáng)度變化見圖1。

圖1 巖體注漿前后強(qiáng)度變化

2 工程概況

酸刺溝6上煤層傾角0～6°，煤層厚度7.5～12.5m，變化較大，6上107工作面采高3.4～3.8m，支架最大高度4.2m，采用綜采放頂煤技術(shù)。6上107工作面膠運(yùn)巷沿頂板掘進(jìn)，巷道受F2斷層影響段，巷道坡度大，起底1～1.5m左右，起底段巷道超高2m左右，巷道架工字鋼棚支護(hù)，巷道圍巖受斷層影響，煤體塊狀破碎，如受采掘動(dòng)壓影響，機(jī)頭附近易出現(xiàn)冒頂和片幫事故。工作面回采時(shí)，受回采超前壓力影響，斷層破碎區(qū)端頭三角煤易發(fā)生片幫、冒頂。

3 注漿實(shí)施

3.1 注漿加固工藝

注漿加固施工工藝包括:打孔、封孔注漿、止?jié){等幾道工序。工藝系統(tǒng)如圖2。

圖2 破碎煤巖注漿加固施工工藝系統(tǒng)

3.2 技術(shù)方案

注漿鉆孔布置于6上107工作面膠運(yùn)巷注漿加固段回采側(cè)幫部，鉆孔方位為N90°。施工兩排鉆孔，鉆孔深度8m，鉆孔仰角10°，第1排孔緊靠頂板吊頂鋼梁以下布置，第2排鉆孔與第1排孔排距1.5m。兩排孔呈三花眼布置，孔間距5m。鉆孔布置見圖3，圖4。考慮到施工過程中可能會(huì)存在鉆孔竄漿現(xiàn)象，為避免由于竄漿導(dǎo)致其他鉆孔報(bào)廢，單排鉆孔間隔施工并注漿。

圖3 注漿孔布置斷面

3.2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)與施工控制

鉆孔設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制 注漿鉆孔設(shè)計(jì)為一級鉆孔，開孔孔徑為φ42mm，鉆孔成孔后，用清水充分清洗鉆孔內(nèi)煤粉，以避免煤粉封堵煤壁裂隙、封孔器封孔困難，確保注漿質(zhì)量。

圖4 注漿孔布置剖面

注漿段長與壓力 按照巷道參數(shù)及煤壁裂隙發(fā)育特點(diǎn)，確定注漿段長6m，封孔器封孔位置2m，根據(jù)注漿情況可適當(dāng)調(diào)整注漿段長。注漿壓力控制在2～4MPa之間，注漿時(shí)以注漿泵上壓力表為準(zhǔn)，根據(jù)注漿時(shí)煤壁漏漿及煤壁的穩(wěn)定性可做適當(dāng)調(diào)整，但原則上不能超過4MPa。

漿液注入量 單孔注漿量100～150kg/m，最大注漿量不超過單孔200kg/m，若單孔注漿量過大，應(yīng)采取間歇注漿方式，以期用最少的注漿量達(dá)到最佳效果。施工時(shí)根據(jù)注漿壓力、煤層情況、煤壁漏漿情況等進(jìn)行控制。注入量是保證注漿質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，施工過程以質(zhì)量為本，根據(jù)煤層裂隙發(fā)育程度、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等綜合因素進(jìn)行調(diào)整。

4 注漿效果分析

4.1 注漿孔

注漿鉆孔與其他用途鉆孔相比，具有特殊要求，尤其在鉆孔偏斜方面。從注漿質(zhì)量上考慮，應(yīng)該使各個(gè)注漿孔盡最大可能揭露裂隙，保證漿液的有效擴(kuò)散。

本工程根據(jù)巷道尺寸和裂隙發(fā)育產(chǎn)狀，設(shè)計(jì)鉆孔向上傾角10°，充分揭露裂隙，滿足注漿要求。合格的注漿鉆孔保證了注漿整體范圍，確保鉆孔之間漿液的有效擴(kuò)散。

4.2 漿液質(zhì)量

施工過程中嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量、根據(jù)注漿情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整是保證注入量和注漿質(zhì)量的前提。工程中漿液配置參數(shù)由試驗(yàn)獲得，施工過程中抽樣檢查，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 注漿交圈

注漿段漿液擴(kuò)散半徑是對井筒地面預(yù)注漿效果分析的一種方法，是基于注漿煤層和漿液有效擴(kuò)散后作出的分析，一定程度上反映了鉆孔偏斜、落點(diǎn)情況，可以直觀地看出注漿加固帷幕的形成情況。

注漿交圈的假設(shè)是:注漿地層均質(zhì) (巖層性能和裂隙情況均衡)且各項(xiàng)同性;在注漿段的任何一個(gè)水平方向上，漿液的擴(kuò)散半徑保持定值，擴(kuò)散范圍是以鉆孔為中心形成的一個(gè)圓，縱向上即是與鉆孔軸線保持同步彎曲的柱體，各個(gè)鉆孔漿液擴(kuò)散柱體相交即可形成加固帷幕。

注漿過程中，鉆孔附近3排錨桿孔均竄漿，說明漿液已經(jīng)擴(kuò)散至此范圍，邊界孔外4m處有漿液漏出，說明漿液擴(kuò)散范圍至少可以達(dá)到3.5m左右，鉆孔布置合理，可以形成完整的加固體。

4.4 注漿壓力

注漿壓力是決定注漿質(zhì)量的重要參數(shù)。漿液正是通過壓力克服系統(tǒng)管阻、受注煤層的水頭壓力等流動(dòng)阻力在巖層裂隙 (包括層界面、破碎帶)中流動(dòng)、擴(kuò)散、充填，從而實(shí)現(xiàn)有效注漿。注漿壓力與漿液注入量也直接相關(guān)，選擇的壓力低，漿液的擴(kuò)散距離短、受注范圍小、對裂隙充填不夠密實(shí)，注漿效果就不能保證;反之，對于裂隙不發(fā)育的煤層位則需要提高壓力以保證注漿質(zhì)量。

本工程注漿過程中，參考類似工程參數(shù)、結(jié)合煤層特性和漿液性能參數(shù)，選用8～10MPa注漿結(jié)束控制壓力。實(shí)際施工中，各孔段都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且結(jié)束壓力基本上是達(dá)到和超過設(shè)計(jì)壓力范圍的上限，保證了注漿質(zhì)量。

同一工作面，各孔各段也因地層差異、施工順序等在注漿時(shí)壓力的變化情況也不一樣。從本段各注漿孔的注漿壓力來看，變化情況符合化學(xué)注漿一般規(guī)律。在每段的第一序孔注漿時(shí)，壓力上升比較緩慢，但后期孔注漿時(shí)，注漿壓力上升很快，這是由于前期注漿已經(jīng)對煤壁產(chǎn)生了一定的加固效應(yīng)，裂隙充填效果較好，使得后期注漿的流動(dòng)阻力加大，從而壓力上升較快，且壓力值較高。

4.5 鉆孔窺視

注漿結(jié)束后，為分析煤壁裂隙發(fā)育產(chǎn)狀，漿液充填規(guī)律，驗(yàn)證注漿效果，進(jìn)行鉆孔窺視試驗(yàn)。

窺視圖分為柱狀圖和平面展開圖，通過窺視及兩圖的對比，可以看出裂隙的走向、裂隙開度、漿液的充填效果、漿液擴(kuò)散半徑等核心參數(shù)。窺視圖片如圖5所示。

圖5 窺視圖片

4.6 鉆孔取芯

注漿結(jié)束后在注漿段內(nèi)隨機(jī)采取巖芯來驗(yàn)證注漿效果，取芯孔孔徑φ89mm，孔深8m，取芯結(jié)果如圖6。

圖6 鉆孔取芯

由圖6可以看出，各種裂隙均漿液充填飽滿、密實(shí)，漿液粘接效果好，漿液強(qiáng)度明顯高于煤體強(qiáng)度，漿液微量發(fā)泡，在確保加固效果的基礎(chǔ)上，可以控制材料用量，減少施工成本。

5 結(jié)論

(1)6上107膠運(yùn)巷斷層破碎帶煤壁破碎，橫、縱向裂隙發(fā)育，裂隙整體呈網(wǎng)絡(luò)狀，溝通較好。

(2)注漿區(qū)間內(nèi)裂隙充填飽滿，漿液強(qiáng)度高，粘結(jié)力強(qiáng)。注漿后，漿液被全部封堵，無明顯裂隙。

(3)漿液擴(kuò)散能力強(qiáng)，擴(kuò)散半徑大，鉆孔間能形成完整的交圈范圍，提高了煤壁的整體性。

(4)漿液沿鉆孔垂向擴(kuò)散半徑可達(dá)到4m左右，可沿鉆孔軸向超前鉆孔擴(kuò)散2m左右。

(5)消除了綜采工作面過斷層的種種不安全因素，保證了6上107綜采工作面的順利推進(jìn)。

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