皇聯(lián)煤業(yè)極破碎圍巖注漿重塑技術(shù)

邢 超

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊二號井， 山西 晉城 048006)

我國大部分礦井存在巷道變形破壞問題，每年在巷道維修上投入巨額費(fèi)用，嚴(yán)重影響巷道正常使用和采掘銜接[1-2]. 晉城沁水地區(qū)大部分資源整合礦井采用架棚、砌碹支護(hù)，巷道變形問題更為突出，每年平均返修2次，投入極大的人力物力。以往破碎圍巖重塑多采用化學(xué)漿或普通水泥漿注漿，化學(xué)漿性能好，但成本高，破碎區(qū)域注漿量大，礦井難以負(fù)擔(dān)。而普通水泥凝固速度慢，表層漏漿難以處理，注漿量小，表層注漿效果較差[3-4]. 早強(qiáng)、快凝的注漿材料，合理的注漿時機(jī)，合適的注漿工藝是增強(qiáng)注漿效果的重要因素[5]. 山西陽城皇城相府集團(tuán)皇聯(lián)煤業(yè)二采區(qū)回風(fēng)巷變形破壞嚴(yán)重，巷幫基本喪失承載能力，必須注漿重塑圍巖結(jié)構(gòu)，避免多次返修。

1 工程背景

皇聯(lián)煤業(yè)目前開采3#煤層，平均埋深410 m，煤層厚度約6.5 m，二采區(qū)回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，寬4 m ×高3.5 m，留頂煤高度約3 m. 采用架棚支護(hù)，棚距1 m.

受地應(yīng)力及采動影響，二采區(qū)回風(fēng)巷變形破壞嚴(yán)重，近3年內(nèi)已返修6次。近期出現(xiàn)兩幫中上部坍塌，坍塌煤體深度約2 m，塌落煤體擠入巷道內(nèi)，煤幫呈斜坡，受兩幫破壞影響，頂板跨度增大，出現(xiàn)離層下沉，下沉量約500 mm，頂煤十分破碎，頂梁受壓彎曲，巷道狀況極差。由于無運(yùn)輸條件，該礦將塌落下來的煤體回填頂角，整個巷幫約2 m深度全部為破碎煤塊，基本完全喪失承載能力，見圖1.

圖1 破碎巷幫及頂煤示意圖

2 存在問題及解決思路

鑒于二采區(qū)回風(fēng)巷多次返修現(xiàn)狀，該礦計劃采用錨桿索支護(hù)替代架棚支護(hù)，以期一次性投入實現(xiàn)巷道長期穩(wěn)定。目前，破碎塊體形成的兩幫及頂板根本無法實施鉆孔，更無錨固力可言，難以實現(xiàn)，因此必須注漿重塑圍巖結(jié)構(gòu)。

由于巷幫及頂板空虛、破碎，預(yù)計注漿量極大，并且會出現(xiàn)頻繁的漏漿問題。以化學(xué)漿為例，消耗注漿材料不低于3 t/m，巷道總長2 000 m，預(yù)計消耗6 000 t，按照15 000元/t計算，注漿材料成本高約0.9億元，而普通水泥又無法滿足堵漏要求。因此，必須采用一種既能滿足工程需求，又能大幅節(jié)約成本的注漿材料，才能實現(xiàn)破碎圍巖重塑，實現(xiàn)錨桿索支護(hù)。

3 新型無機(jī)材料分層注漿工藝

3.1 分層注漿原理

兩幫及頂板圍巖根據(jù)破碎程度不同，可以劃分為淺層和深層。淺層為松散體堆積區(qū)域，基本喪失承載能力，大裂隙、空洞遍布，為主要的漏漿通道；深層為深部相對完整區(qū)域，圍巖仍有一定完整結(jié)構(gòu)和承載能力，主要加固內(nèi)部裂隙。

淺層注漿以充填注漿為主，漿液擴(kuò)散較為容易，需要解決表面頻繁漏漿封堵問題，要求注漿材料具備快凝早強(qiáng)特性，且注漿材料作為將來巷幫松散煤體的骨架，必須具備足夠的強(qiáng)度。深層注漿以滲透注漿為主，裂隙變小，貫通性變差，需要材料具備較好的流動性，配合較高注漿壓力，便于充分?jǐn)U散，以填充微小裂隙為主，減少節(jié)理面，具備適當(dāng)強(qiáng)度即可。

由鉆孔窺視得出，兩幫淺層深度確定為2 m，深層深度確定為7 m，頂板淺層深度確定為3 m，深層深度確定為9 m.

3.2 注漿材料

分層注漿方式中淺層鉆孔和深層鉆孔對于注漿材料有不同的要求，采用河南力行科創(chuàng)礦山技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)的新型無機(jī)雙液材料，通過改變水灰比調(diào)整性能，使其滿足兩種性能要求。

新型無機(jī)雙液注漿材料分為A型和B型，使用時加水?dāng)嚢瑁冶?0.8～3)∶1可調(diào)，混合后0.5～3 min失去流動性，8～20 min完全固化，2 h強(qiáng)度2～12 MPa.

淺層注漿采用0.8∶1水灰比，深層注漿采用1.5∶1水灰比，性能見表1.

表1 注漿材料性能參數(shù)表

3.3 鉆孔布置

1) 頂板鉆孔布置。

采用深、淺孔交替布置方式，一排淺孔、一排深孔。淺孔深度3 m，深孔深度9 m.

3 m淺孔每排布置3個鉆孔，兩側(cè)鉆孔距離幫部0.7 m，與水平方向夾角75°，中間鉆孔沿巷道中線，垂直于頂板。

9 m深孔每排布置3個鉆孔，兩側(cè)鉆孔距離幫部0.7 m，與水平方向夾角80°，中間鉆孔沿巷道中線，垂直于頂板。

2) 兩幫鉆孔布置。

采用深、淺孔交替布置方式，一排淺孔、一排深孔。淺孔深度3 m，深孔深度7 m.

3 m淺孔每排布置3個鉆孔，上部鉆孔、中部鉆孔和下部鉆孔在一條直線上。上部鉆孔距離頂板0.5 m，仰角10°，下部鉆孔距離底板1 m，垂直于煤幫，中部鉆孔在上部鉆孔和下部鉆孔中間，垂直于煤幫。鉆孔排距2 m，孔徑50 mm.

7 m深孔每排布置3個鉆孔，上部鉆孔距離頂板1 m，仰角7°，下部鉆孔距離底板0.8 m，垂直于煤幫，中部鉆孔在上部鉆孔和下部鉆孔中間，垂直于煤幫。鉆孔排距2 m，孔徑50 mm.

頂板鉆孔布置平面圖見圖2a)，兩幫鉆孔布置平面圖見圖2b)，淺孔布置斷面圖見圖2c)，深孔布置剖面圖見圖2d).

圖2 鉆孔布置示意圖

3.4 注漿工藝參數(shù)

1) 封孔。

頂板上方約有3 m厚頂煤，以上為巖石。前3 m采用d50 mm鉆頭擴(kuò)孔，后6 m采用d33 mm鉆頭。

兩幫3 m淺孔封孔長度0.5～1 m，越短越好，7 m深孔封孔長度1～2 m，采用棉紗或編織袋在封孔范圍全長纏繞嚴(yán)實，不得只局部纏繞。

2) 注漿壓力。

淺層注漿壓力1～3 MPa，無需過大，出現(xiàn)漏漿時，暫停注漿0.5～1 min，漿液自行凝固封堵后復(fù)注，保證淺層絕大部分大裂隙都得到擴(kuò)散填充。

深層注漿壓力5～8 MPa，深層裂隙發(fā)育程度低，使?jié){液在泵壓作用下充分?jǐn)U散。

4 效果考察

1) 擴(kuò)散效果。

注漿完畢后，施工鉆孔進(jìn)行窺視，成孔良好，可見大量漿液痕跡，淺部漿圈數(shù)量多、寬度大，深部數(shù)量少、寬度小，未發(fā)現(xiàn)未被充填的裂隙，擴(kuò)散效果良好。部分鉆孔窺視圖見圖3.

圖3 鉆孔窺視圖

2) 錨索拉拔試驗。

施工5根5.4 m長錨索，正常端錨進(jìn)行拉拔試驗，錨固力分別為32 MPa、35 MPa、33 MPa、32 MPa、36 MPa，錨固力足夠，完全可以滿足工程需求。

3) 經(jīng)濟(jì)效益。

新型無機(jī)注漿材料巷道注漿量約3 t/m，2 000元/t，巷道注漿材料消耗6 000元/m，不足化學(xué)漿成本的1/7.

5 結(jié) 論

1) 介紹了分層注漿原理，根據(jù)破碎程度不同將圍巖劃分為淺層和深層，兩幫淺層深度確定為2 m，深層深度確定為7 m，頂板淺層深度確定為3 m，深層深度確定為9 m.

2) 采用新型無機(jī)注漿材料，通過改變水灰比調(diào)整性能，使其滿足兩種性能要求。淺層注漿采用0.8∶1水灰比，深層注漿采用1.5∶1水灰比。

3) 效果考察表明，鉆孔窺視可見大量漿液痕跡，未發(fā)現(xiàn)未被充填的裂隙，擴(kuò)散效果良好；錨索錨固力足夠，使用新型無機(jī)注漿材料，不足化學(xué)漿成本的1/7.