巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

顧玉明，成云海，李峰輝，蘇 暢

(安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

目前我國注漿加固技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、山體隧道、邊坡等巖土工程，科學(xué)配套注漿設(shè)備、注漿參數(shù)、合理的注漿工藝以及被注圍巖巖性相匹配的注漿材料是影響注漿效果、注漿效率幾大關(guān)鍵因素[1-2]。其中注漿泵、攪拌機、混合器等易受現(xiàn)場環(huán)境的制約。對于無機材料注漿，電動攪拌機因體積大且笨重在受約束的工程條件下對施工效率有極大影響。注漿泵是注漿設(shè)備的關(guān)鍵，它的性能關(guān)系著注漿工程的質(zhì)量。由于礦業(yè)、山體隧道等工程環(huán)境特殊且工況條件復(fù)雜，注漿壓力變化頻繁且變化幅度大，要求注漿設(shè)備要嚴(yán)格防爆且可靠性高，具備較強的壓力控制能力，能夠隨壓力變化自動調(diào)節(jié)排漿量。國內(nèi)目前部分設(shè)備被開發(fā)后還未廣泛推廣或未形成完善的系統(tǒng)，僅在局部方面做出一些成果[3-4]。國外防水注漿加固技術(shù)較為成熟，但針對高瓦斯、空間狹小等條件下的巖層注漿設(shè)備還未有較大的發(fā)展[5]；對此電動注漿泵由于設(shè)備笨重，注漿壓力變化緩慢，不適宜使用[6]，試驗現(xiàn)場底板為富水巖層，對巖石劣化以及注入后的漿液性能均有一定程度的影響[7-8]，這也是類似條件注漿施工未解決的工程問題。

本文詳細(xì)的介紹注漿系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)、特性、使用方法，并通過分析漿液擴散過程和注漿位置、注漿壓力之間關(guān)系，對巷道的圍巖加固提出不同位置的調(diào)壓注漿工藝進(jìn)行注漿，最大化各工序間效率，設(shè)計注漿工藝。結(jié)合工程實例進(jìn)行分析，為巷道圍巖注漿加固工程提供參考。

1 風(fēng)動注漿系統(tǒng)

采用壓風(fēng)為動力源，結(jié)合現(xiàn)場所測定的注漿參數(shù)，包括注漿材料、漿液配比、注漿壓力、注漿孔深度、間排距、止?jié){標(biāo)準(zhǔn)、添加劑等，設(shè)計了風(fēng)動注漿系統(tǒng)(見圖1)，由四部分組成：排水-制漿-注漿-現(xiàn)場評估。

圖1 巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)

1.1 排水部分

泥巖浸水發(fā)生崩解，在破碎富水底板巷道打孔后發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)為泥水和崩解后的細(xì)碎石；裝置用高壓風(fēng)提供動力，打磨機構(gòu)將吸入的泥水碎石打磨成泥漿，再由負(fù)壓腔內(nèi)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓將泥水吸出；排水后注漿，錨桿內(nèi)殘余細(xì)碎石隨漿液再次壓入孔內(nèi)，孔附近裂隙短時間內(nèi)少水狀態(tài)，此時注漿能夠保證注入漿液快速擴散，漿液性能一定程度上保持高效。

結(jié)構(gòu)：負(fù)壓腔上部連接橡膠軟管，裝置輕便；負(fù)壓腔內(nèi)葉片和軸承焊接，負(fù)壓腔軸承通過齒輪和打磨機構(gòu)軸承連接，通過葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓使下部泥漿排出，高壓氣源連接打磨機構(gòu)，打磨機構(gòu)內(nèi)部安裝有旋轉(zhuǎn)槽，槽壁上裝鈦合金打磨刀片，通過高壓風(fēng)提供動力，打磨槽將吸入的泥水碎石進(jìn)行打磨，打磨后的泥水，通過空心軸排至負(fù)壓腔內(nèi)；打磨機構(gòu)連透明膠鋼絲軟管，在軟管末端安裝有靈活接頭，和不同規(guī)格的錨桿連接(見圖2)。步驟：在打孔后，將靈活接頭和孔內(nèi)未封孔錨桿連接；接通高壓氣源；根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)開關(guān)大??；泥水由出水管排至水溝。

1.出水管；2.負(fù)壓腔；1.儲料單元；3.打磨機構(gòu)；2.高速制漿單元；4.透明鋼絲軟管；3.定量加水單元 5.靈活接頭圖2 排水部分和和制漿部分

1.2 制漿部分

制漿部分主要由三個機械單元組成，包括定量加水單元、高速制漿單元、儲料單元，每個單元的動力源均為壓風(fēng)。相鄰單元之間通過橡膠管連接，直通接頭形成可拆卸連接。

具體結(jié)構(gòu)、功能：定量單元往制漿單元加入規(guī)定量的水，再往制漿單元加入對應(yīng)水灰比的水泥，在制漿桶桶體上設(shè)有帶有標(biāo)注透明鋼絲軟管，對應(yīng)不同水灰比的刻度線，工人可便攜操控水灰比。漿液在儲料桶儲存，實現(xiàn)同步注漿拌料，儲料單元安裝風(fēng)動攪拌機構(gòu)，保持漿液處于理想流動狀態(tài)。

1.3 注漿部分

注漿部分的注漿泵重量輕，可在梁片上移動，設(shè)置的配重板，停靠在梁的后端，卷揚機將千斤頂提升后可以根據(jù)待張拉鋼絞線的位置前后左右移動，直至千斤頂準(zhǔn)確就位。整個就位過程不再配置專門的機械吊配合張拉作業(yè)，實現(xiàn)了設(shè)備的小型化、簡易化，可以節(jié)約資源、提高工作效率，不僅節(jié)約了資源與空間，更提高了梁片張拉千斤頂就位的效率。

該子系統(tǒng)將風(fēng)動注漿泵的缸體固定于機架的頂端，缸體頂端的支架的內(nèi)部設(shè)有氣源三聯(lián)件，缸體的一側(cè)通過法蘭和柱塞缸連接有注漿口和排漿口，且活塞貫穿于柱塞缸和法蘭，在調(diào)控方面比其他種類的注漿泵操作調(diào)節(jié)的注漿更及時、準(zhǔn)確，可以縮短注漿時間，從而保證了注漿質(zhì)量、節(jié)省材料、安全施工，注漿部分如圖3所示。

1.進(jìn)氣口接頭；2.支架；3.氣源三聯(lián)件；4.彎頭；5.第一氣管；6.球閥；7.拉桿；8.缸體；9.機架；10.換向閥；11.第一氣管；12.柱塞缸；13.吸漿口；14.卡環(huán)；15.內(nèi)接頭；16.活塞；17.排漿口圖3注漿部分

1.4 效果評價

現(xiàn)場觀察儲存料桶，記錄注漿孔的注入量以及注漿泵管路漿液情況，結(jié)合排水部分中排水量；現(xiàn)場分析實測注漿量和止?jié){標(biāo)準(zhǔn)、理論估算值，判斷鉆孔注漿量是否合理，若不合理分析原因，進(jìn)行補漿工藝同時進(jìn)行記錄；后期做出圖表與理論估算值進(jìn)行比較。

2 系統(tǒng)功能特性

巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)具有風(fēng)動性、同步性、便攜高效性、合理性等特點。

2.1 風(fēng)動性

風(fēng)動性是指巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)所有動力源均為壓風(fēng)，具有本質(zhì)安全特性，該系統(tǒng)能夠服務(wù)于復(fù)雜條件區(qū)域的巖層注漿技術(shù)中，對巖土工程注漿機械的發(fā)展有著實用價值。

2.2 同步性

同步性是指制漿拌料同步和排水注漿同步兩方面，注漿拌料同步指，在快速注漿的情況下，制漿部分能夠快速制漿并精確控制水灰比，在儲料桶中能較長時間儲存大量的漿液，使同注漿拌料同步高效，具體實施過程如下：在注漿前先制漿，制漿量為儲料桶的三分之二，根據(jù)漿液情況隨時調(diào)節(jié)，通過改變儲料桶進(jìn)風(fēng)高壓風(fēng)開關(guān)，調(diào)節(jié)儲料桶的攪拌葉片的轉(zhuǎn)速，使儲存的漿液保持高效的性能；開始注漿后，同時制漿，在符合設(shè)計的注漿時間內(nèi)，通過調(diào)節(jié)注漿泵進(jìn)風(fēng)高壓開關(guān)，調(diào)整注漿速度，在一定程度上保證注漿不出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

2.3 便攜高效性

高效性指在同步性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)備輕便，易于移動；壓風(fēng)均用球閥開關(guān)控制，操作簡單；制漿部分加有兩道過濾網(wǎng)，能有效防止水泥放久凝結(jié)或在蓋子掀開過程中掉落矸石導(dǎo)致的堵塞問題，大大提高了注漿的效率。

2.4 合理性

合理性指在實現(xiàn)高效同步性的基礎(chǔ)上，在注漿前對注漿孔進(jìn)行排水，排水后的注漿孔更易于注漿，且注入后的漿液大大減小離析現(xiàn)象保持漿液高效性；根據(jù)排水量和實際注漿做相對比較并分析，分析結(jié)果無誤差或誤差較小則結(jié)束，若具有較大誤差則進(jìn)行二次補漿，保證注漿更加合理。

3 注漿理論分析

3.1 滲透注漿

該煤礦處于貴州省龍?zhí)督M地層軟巖中，根據(jù)地質(zhì)報告，井田內(nèi)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，由細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r、煤層、高嶺石泥巖和鋁土巖等組成。按平均總厚統(tǒng)計，細(xì)砂巖(含中粒砂巖)約占30%，粉砂巖約占33%，泥質(zhì)巖約占24%，煤層約占9.6%，灰?guī)r約占2%，其中可采煤層約占4.54%。根據(jù)普氏理論對巖石分級，圍巖大部分為軟巖甚至泥巖，圍巖遇水膨脹，部分巖層泥滑感很強，界面光滑由于底板未進(jìn)行密封，易發(fā)生吸水膨脹，造成大變形乃至破壞；破碎巖石產(chǎn)生相對強大的碎脹力，也是圍巖大變形的重要外力；崩解顯現(xiàn)明顯。現(xiàn)場巷道底鼓嚴(yán)重，反復(fù)臥底；巷道松動圈約3m，該范圍內(nèi)圍巖均為破碎狀態(tài)，局部存在節(jié)理、層理、裂隙等結(jié)構(gòu)面且底板富水的特殊地質(zhì)。該情況注漿過程為滲透注漿。

滲透注漿理論原理是漿液通過物理或化學(xué)的形式，進(jìn)入巖土體的裂隙和孔隙中經(jīng)過一定時間膠結(jié)固化，在整個滲入過程中不改變原有巖土體的結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善巖土體的物理性能和力學(xué)性能，一般均勻的擴散到孔隙內(nèi)，其兩個代表成果為球形擴散理論和柱形擴散理論以及柱-半球型擴散理論，隨著注漿滲透理論的不斷完善，考慮漿液黏度時變性的擴散理論[9-12]。滲透注漿漿液擴散形式主要取決于注漿方式?，F(xiàn)場錨桿注漿方式為錨桿底端出漿和側(cè)面出漿，注漿擴散形狀為柱-半球型擴散理論。

軟巖巷道不同位置調(diào)壓注漿工藝，根據(jù)不同位置判斷圍巖破碎程度，合理壓力注漿；設(shè)備具有調(diào)節(jié)壓力注漿裝置，低壓注漿時，壓力不超過規(guī)定值，能有效保證低壓孔不會高壓注漿現(xiàn)象；根據(jù)巷道實際情況進(jìn)行改變注漿設(shè)備以及系統(tǒng)的工作方式，在高瓦斯、小空間、富水底層等特殊復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行注漿工作時，可有效的利用系統(tǒng)的四個子部分進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計確定淺孔注漿深度1.5m、注漿壓力為0.5～1MPa、材料為水泥-水玻璃混合液體，屬于賓漢姆流體；深孔注漿深度為取2.5m、注漿壓力為1.5～2MPa，材料為水灰比0.5的單液水泥漿液，屬于冪律型流體[13-14]。隨著圍巖深度增加，裂隙發(fā)育逐漸減少，根據(jù)現(xiàn)場圍巖松動圈測試結(jié)果分析深孔裂隙約為淺孔0.7倍[15]。

3.1 公式計算

分析以上注漿漿液擴散過程和注漿位置、注漿壓力之間關(guān)系，采用以下公式進(jìn)行數(shù)值估算[16]。

淺孔：V=πR2L1η1αβ

深孔：V=πR2L2η2αβ

式中：R為漿液擴散半徑，取0.8m；η為巖體裂隙率，η1取10%，η2取7%；L為注漿孔深，取L1取1.5m、L2取2.5m；α為漿液充填系數(shù)，取0.7；β為漿液耗散系數(shù)，取0.8。

淺、深孔的注漿量分別估算為169L、197L，計算結(jié)果僅具有一定參考依據(jù)，具體以實際注漿量為準(zhǔn)。

4 工程實踐

4.1 注漿巷道概況及鉆孔布置

某煤礦巷道凈寬4m、凈高4.6m，斷面圖如圖4所示，巷道頂巖層依次為2m厚的粉砂巖、0.5m后的泥巖、1.2m厚的煤層、3.5m厚的泥巖，地板巖層依次為0.8m厚的泥巖、0.7m的粉砂巖、7.5m泥巖。松動圈達(dá)到3m，屬于V類極不穩(wěn)定圍巖[17]，巷道掘出后采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)；巷道變形后，凈寬、凈高最大變形量分別達(dá)到1.6m、 1m，平均底鼓量0.5m；第一步治理方案：臥底后，通過對底板進(jìn)行注漿加固的二次支護(hù)形式，為達(dá)到注漿效果采用 “淺孔止?jié){+深孔注漿”模式；淺孔四排孔深1.5m，注入“水泥-水玻璃漿液”；深孔三排孔深2.5m，注入“水泥漿液”。根據(jù)注漿材料的擴散半徑以及圍巖的巖層走向和破裂程度，確定底板注漿孔的間排距為2.6m×3m，底板注漿孔采用五花點布置，具體布置方式如圖4所示。

圖4 底板注漿孔布置圖

4.2 實際理論注漿量對比分析

對巷道A、B兩排淺、深孔進(jìn)行注漿量統(tǒng)計和作圖，A排注漿、B排注漿量如圖5所示。

圖5 鉆孔注漿量

通過對圖5淺、深孔實際注漿量和理論估算值對比分析：

1)淺孔理論估算值為169L，A排有13個孔淺孔實際注漿量大于估算值，在7、8孔注漿量遠(yuǎn)大于實際注漿量平均值，說明該孔附近存在較大裂隙；B排有14個淺孔注漿量普遍均大于估算值，且偏差較小，該段裂隙較均勻。

2)深孔估算值為197L，A排、B排深孔注漿量在估算值附近，滿足預(yù)期要求。

3)A排淺孔3號和10號、深孔11號、B排深孔1號、深孔6號，均未達(dá)到估算值，可能由于現(xiàn)場施工不規(guī)范、頂板冒矸等不確定因素造成暫停注漿，孔注漿量極少。

綜合分析理論估算值、實際注漿量圖，巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)能穩(wěn)定注漿。

5 經(jīng)濟(jì)效益

巖土工程風(fēng)動注漿系統(tǒng)相對以往電動注漿設(shè)備其制作和研發(fā)具有良好的綜合效益。由表1可知風(fēng)動系統(tǒng)設(shè)備從制作加工到運輸費用分別減少33%、30%，具有一定程度的經(jīng)濟(jì)效益。由于風(fēng)動注漿系統(tǒng)的自動化程度高：降低工人勞動強度并減少工人數(shù)量，由5～6人減少至3～4人，降低人工成本。以往設(shè)備工作量10孔/d，該系統(tǒng)設(shè)備工作量20～25孔/d，效率顯著提升，加快施工進(jìn)度，縮短工程周期。

表1 風(fēng)動注漿和電動注漿設(shè)備成本表

6 結(jié)論

(1)系統(tǒng)采用壓風(fēng)作為動力源，具有本質(zhì)安全性，在高瓦斯、易發(fā)火、空間狹小、富水巖層等復(fù)雜條件下使用，改變了以往電驅(qū)動帶來的安全危險。

(2)主要包括排水、制漿、注漿、效果評價四部分，現(xiàn)場施工表明具有連續(xù)、便攜、高效性等特點，設(shè)置的排水機構(gòu)減弱了水對巖石劣化以及漿液性能的影響，保持注入漿液的性能穩(wěn)定。

(3)淺、深孔的單孔注漿量進(jìn)行理論計算，計算結(jié)果與實際注漿量分析表明系統(tǒng)注漿穩(wěn)定。

(4)該注漿系統(tǒng)，實際工程中按天計算，人員可節(jié)約1～2人，工作量可提升約2～2.5倍；同時解決了該類工程施工過程設(shè)備搬運的難題，降低了設(shè)備拆、運、裝過程中潛在的安全事故發(fā)生的概率；兼具安全、效率及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。