底鼓巷道高性能注漿加固材料試驗(yàn)研究及應(yīng)用

張玉競，張 輝，宋勤法，姜彥軍，姚丙傲，何小軍

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003;2.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南新鄭451100)

近年來，隨著我國煤炭開采進(jìn)入深部開采，礦壓顯現(xiàn)越來越嚴(yán)重，在采動(dòng)壓力的影響下，巷道底鼓日益嚴(yán)重［1－3］。根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件、巷道底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，底鼓一般可分為:擠壓流動(dòng)型底鼓、撓曲褶皺型底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)型底鼓、遇水膨脹型底鼓［4］。軟巖巷道底鼓控制一直是煤礦巷道圍巖控制的重大難題之一，目前國內(nèi)外專家學(xué)者研究發(fā)展了很多控制底鼓的方法，歸納起來有:加固法［5］(混凝土反拱、封閉式支架、底板錨桿、底板注漿、砌碹等)、卸壓法［6－7］(切縫、鉆孔、卸壓煤柱、松動(dòng)爆破等)、聯(lián)合法。底板注漿［8］控制底鼓是利用注漿材料充填巖體裂隙，使破碎的巖體固結(jié)成整體，改善巷道圍巖應(yīng)力分布，提高承載力，并封閉圍巖裂隙，防止地下水的滲漏，從而達(dá)到控制底鼓的目的。研究和實(shí)踐表明，目前常用的注漿材料雖能夠提高圍巖力學(xué)性能，但仍存在著一些缺陷［9］，如在濕度大、膨脹性巖體中會造成圍巖軟化;剛性注漿材料難以適應(yīng)圍巖的剪脹、流變特征;注漿材料收縮率大，難以充填密封細(xì)微裂隙。通過對國內(nèi)外注漿材料進(jìn)行改進(jìn)，研究開發(fā)了一種微膨脹、防滲、強(qiáng)化、經(jīng)濟(jì)的高性能注漿材料。通過試驗(yàn)室試驗(yàn)和工程應(yīng)用研究表明，該注漿材料能夠較好地控制軟巖巷道底鼓。

1 高性能注漿材料

1.1 高性能注漿材料組成

考慮到注漿材料的可注性及固結(jié)強(qiáng)度，并兼顧防滲、抗拉等因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)出高性能注漿材料的組成如表1所示。

表1 高性能注漿材料組成及作用

1.2 高性能注漿材料各組分配比試驗(yàn)及分析

黏度、結(jié)石率、固結(jié)體強(qiáng)度是影響注漿效果的主要因素。在利用水泥、粉煤灰、膨潤土等作為基料的注漿液中，其合理的配比是影響凝結(jié)時(shí)間、黏度及固結(jié)體強(qiáng)度的決定性因素。根據(jù)水泥－粉煤灰漿液［10］、水泥－膨潤土漿液［11］中粉煤灰和膨潤土的比例初步設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以水灰比為1、水泥、粉煤灰、膨潤土、NaCl、復(fù)合外加劑，抗拉增強(qiáng)劑不同配比進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，運(yùn)用正交試驗(yàn)法安排試驗(yàn)［12］，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2(試驗(yàn)中水泥為1，抗拉增強(qiáng)劑為3%，影響因素及位級見表3)。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出:各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復(fù)合外加劑∶抗拉增強(qiáng)劑=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3時(shí)漿液固結(jié)體的強(qiáng)度最好;各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復(fù)合外加劑∶抗拉增強(qiáng)劑=100∶20∶10∶1∶3∶3時(shí)漿液流動(dòng)性最好。綜合考慮，高性能注漿材料主要用于巷道底鼓注漿，對巷道底板及圍巖進(jìn)行加固，故優(yōu)先考慮固結(jié)體的強(qiáng)度指標(biāo)，其次考慮注漿液的黏度指標(biāo)，選定高性能注漿材料的各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復(fù)合外加劑∶抗拉增強(qiáng)劑=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3時(shí)結(jié)石率高。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 影響因素及位級

1.3 高性能注漿材料不同水灰比試驗(yàn)

試驗(yàn)室研究了水灰比對漿液漏斗黏度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對高性能注漿材料漏斗黏度的影響

從圖1中可以看出:隨著水灰比的增大，漿液漏斗黏度相應(yīng)減小，說明漿液流動(dòng)性變好，稠度降低，有利于注漿。

試驗(yàn)室研究了水灰比對固結(jié)體強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水灰比對高性能注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可知，隨著水灰比的增大，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度降低。水灰比大時(shí)，漿液泌水率大，固結(jié)體含水量高，孔隙率大，造成固結(jié)體強(qiáng)度降低。但水灰比過小，漿液干硬，以致無法保證注漿質(zhì)量，使固結(jié)體不太密實(shí)時(shí)，強(qiáng)度將會下降。

綜上，水灰比對注漿材料的漏斗黏度及固結(jié)體強(qiáng)度有很大影響。水灰比過小，漿液流動(dòng)性差，凝結(jié)時(shí)間短，易堵塞注漿管，注漿作用半徑小，達(dá)不到理想的注漿效果;水灰比過大，漿液凝結(jié)時(shí)間長，易析水，破壞固結(jié)體的連續(xù)性，穩(wěn)定性較差。注漿材料既要考慮漿液固結(jié)體的強(qiáng)度，又要兼顧流動(dòng)性及可注性，綜合考慮，高性能注漿材料合適的水灰比為0.8～1.0。

1.4 高性能注漿材料膨脹試驗(yàn)

對高性能注漿材料硬化漿體采用比長儀法測試材料膨脹率。比長儀是按《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(GB751－81)的要求測定試件各齡期的干縮率及按JC313－82標(biāo)準(zhǔn)測定膨脹率的新型儀器。本次試驗(yàn)所用比長儀為ISO－158型，試件制備完成后在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，保證試件一直處于濕潤飽和狀態(tài)，每天對膨脹量進(jìn)行測量。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同齡期硬化漿體膨脹量

試驗(yàn)測得不同齡期硬化漿體最大膨脹量達(dá)到0.62mm，相對膨脹率為0.39%(硬化漿體試樣長度為158mm)。試樣在7d內(nèi)膨脹迅速，此后逐漸收縮，膨脹量基本穩(wěn)定在0.55左右，相對膨脹率0.35%?？傮w來看，高性能注漿材料硬化漿體膨脹率較低，表明材料在富水潮濕環(huán)境中能夠保持較好的完整性，能夠有效降低水的破壞，膨脹變形較小，可以在潮濕有積水的巷道進(jìn)行工程應(yīng)用。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某煤礦西翼2采區(qū)軌道上山位于二1煤底板，距二1煤6～8m，巷道坡度25°，總長度560m，斷面為半圓拱形，斷面尺寸為4200mm×3400mm，水平標(biāo)高－640～－824m，巷道埋深較大，已屬深部開采。軌道上山涌水量較大，位于粉砂巖中，水平節(jié)理，含鈣質(zhì)、泥質(zhì)結(jié)核，遇水易膨脹變形，裂隙發(fā)育。軌道上山頂板和兩幫采用錨梁網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，底板無支護(hù)，頂板下沉量及兩幫移近量較小，底鼓嚴(yán)重，部分區(qū)域底鼓量高達(dá)1400mm，給礦井安全和正常生產(chǎn)帶來很大困難，平均2～3個(gè)月就要進(jìn)行一次維修。通過對試驗(yàn)區(qū)域地質(zhì)及支護(hù)情況的分析可知，巷道嚴(yán)重底鼓的原因是底板巖層擴(kuò)容變形及兩幫移近擠壓，屬應(yīng)力擠壓流動(dòng)與底板遇水膨脹復(fù)合型底鼓，針對這種情況，提出了對軌道大巷運(yùn)用高性能注漿材料進(jìn)行注漿加固的方案。

2.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

對軌道上山應(yīng)用高性能注漿材料進(jìn)行注漿加固，試驗(yàn)注漿長度80m。注漿采用深淺孔梯度注漿，注漿孔在巷道底板左右對稱布置，具體布置及參數(shù)見圖3。注漿孔直徑50mm，孔口直徑108mm，封孔長度不低于0.6m。注漿材料選用研發(fā)的高性能注漿材料，水灰比0.8～1.0，注漿壓力不低于3MPa，并根據(jù)實(shí)際注漿情況進(jìn)行調(diào)整。

圖3 底板注漿孔布置示意

2.3 注漿施工過程

根據(jù)設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)，使用錨桿鉆機(jī)成孔。成孔后插入注漿管 (在管壁0.6m以下部分均勻布置小孔)，并采用布袋封孔，封孔長度不低于0.6m。待封孔牢固后，即可進(jìn)行注漿。注漿時(shí)采用先淺后深，先底角，然后依次從兩邊向中間的順序進(jìn)行注漿，漿液的配制要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行配比。在每班注漿結(jié)束后或因故需要暫停注漿較長時(shí)間時(shí)需要對注漿泵和注漿管進(jìn)行清洗，防止?jié){液凝固堵塞。

2.4 注漿觀測結(jié)果分析

為驗(yàn)證注漿效果，在試驗(yàn)巷道中均勻布置3個(gè)觀測點(diǎn)，在觀測點(diǎn)采用十字布點(diǎn)法布置監(jiān)測斷面，對巷道頂?shù)装逡平窟M(jìn)行測量，頂?shù)装逡平咳鐖D4所示。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，底板注漿試驗(yàn)前巷道底鼓量相對較大，平均達(dá)1250mm，最大高達(dá)1600mm，注漿試驗(yàn)20d后巷道頂?shù)装遄冃瘟棵黠@減小，巷道變形已趨于穩(wěn)定，底鼓量平均僅為130mm，最大量為200mm，相比注漿前減少了近90%，說明通過注漿，底板整體性及強(qiáng)度明顯提高，底鼓得到了很好地控制，減少了巷道后續(xù)維修費(fèi)用，增加了服務(wù)年限。

圖4 巷道頂?shù)装逑鄬σ平?/p>

3 結(jié)論

(1)根據(jù)注漿材料各組分配比的正交試驗(yàn)，綜合考慮強(qiáng)度、黏度指標(biāo)，優(yōu)化高性能注漿材料的配比，得出高性能注漿材料配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復(fù)合外加劑∶抗拉增強(qiáng)劑=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3，理想的注漿水灰比為0.8 ～1.0。

(2)試驗(yàn)測得硬化漿體最大相對膨脹率為0.39%，表明在滲水、潮濕巷道中應(yīng)用具有微膨脹性。

(3)高性能注漿材料在某煤礦進(jìn)行了注漿加固試驗(yàn)，試驗(yàn)表明:采用高性能注漿材料對底板進(jìn)行注漿加固控制底鼓效果明顯，在底板巖層形成一個(gè)完整的注漿加固圈，提高了底板巖層完整性及承載力，并有效封閉了底板巖層裂隙，防止積水滲入，降低了底板擴(kuò)容膨脹。

(4)采用高性能注漿材料對底板注漿加固，既有效治理了底鼓，又消耗了大量粉煤灰，使粉煤灰變廢為寶，降低了注漿工程費(fèi)用，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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