巷道注漿鉆孔設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)確定方法探討

李 鵬

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)， 山西 晉城 048000)

注漿加固技術(shù)作為一種有效的巷道加固手段，能夠填充裂隙，減少結(jié)構(gòu)弱面，提高圍巖完整性和承載能力，應(yīng)用十分普遍。注漿方案設(shè)計(jì)主要包括鉆孔布置、注漿材料、注漿設(shè)備、封孔方式、注漿時(shí)機(jī)、工藝參數(shù)等[1-2]. 一般情況下，煤礦開(kāi)展注漿工程，注漿材料、注漿設(shè)備基本確定，能夠?qū)ψ{效果起到關(guān)鍵作用的因素在于鉆孔布置，很大程度上決定了漿液擴(kuò)散效果。目前，工程施工或鉆孔布置多具有隨意性，注漿效果不佳或存在浪費(fèi)。以晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)33072巷注漿為工程背景，對(duì)鉆孔設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)確定方法進(jìn)行探討，以期使鉆孔布置更加合理，達(dá)到更好的擴(kuò)散效果。

1 工程背景及基本方案

1.1 工程背景

趙莊煤業(yè)33072巷為3307工作面回風(fēng)順槽，全長(zhǎng)約1 524 m，為3307和3308兩個(gè)工作面服務(wù)，3307工作面走向長(zhǎng)954 m，傾向長(zhǎng)282 m；3308工作面另一順槽33081巷剛開(kāi)始掘進(jìn)。33072巷與33071巷之間保護(hù)煤柱寬度為50 m，見(jiàn)圖1.

圖1 巷道與工作面位置關(guān)系圖

33072巷為矩形斷面，沿頂掘進(jìn)，留有底煤。寬5 m，高4.5 m，采用錨索、菱形網(wǎng)、鋼筋托梁、錨桿聯(lián)合支護(hù)。

頂板支護(hù)：全錨索支護(hù)，錨索長(zhǎng)度6.4 m，間排距1.1 m×1.2 m，每排5根錨索，預(yù)緊力不小于250 kN，見(jiàn)圖2.

圖2 頂板錨索支護(hù)布置圖

兩幫支護(hù)：幫錨桿長(zhǎng)度2.4 m，間排距1 m×1.2 m，每排5根錨桿，預(yù)緊力不小于150 kN，幫錨索長(zhǎng)度5.4 m，間排距2.2 m×2.4 m，每排2根錨索，預(yù)緊力不小于250 kN，見(jiàn)圖3.

圖3 煤幫錨桿索支護(hù)布置圖

由于巷道煤軟、幫錨索錨固力不足等原因，巷道掘進(jìn)后，工作面尚未回采即出現(xiàn)300～1 000 mm的幫鼓，平均鼓出500 mm，幫部破碎，局部形成網(wǎng)兜，部分錨桿索破斷。33072巷要為兩個(gè)工作面服務(wù)，服務(wù)年限約3年，必須進(jìn)行提前注漿加固，控制圍巖變形。

1.2 基本方案

晉城煤業(yè)集團(tuán)從2013年起開(kāi)始全面、系統(tǒng)地開(kāi)展煤巖體注漿加固理論與技術(shù)研究，開(kāi)展了大量的煤巖體注漿加固試驗(yàn)，同時(shí)研發(fā)了系列注漿加固材料，主要為雙液速凝注漿材料和單液超細(xì)注漿材料，基本性能如下：

1) 雙液速凝注漿材料：雙液混合后1～2 min失去流動(dòng)性，5～10 min終凝，2 h單軸抗壓強(qiáng)度11 MPa，可以起到快速堵漏的作用，適合0～8 m淺孔注漿。

2) 單液超細(xì)注漿材料：材料細(xì)度1 250目，漿液具備40 min左右良好流動(dòng)性，120 min初凝，1 d單軸抗壓強(qiáng)度22 MPa以上，適合10 m以上的孔深注漿。

根據(jù)以往技術(shù)積累，形成分層注漿加固基礎(chǔ)方案[3-4]：圍巖不同深度的裂隙發(fā)育程度不同，漿液擴(kuò)散方式也不同，可以根據(jù)裂隙發(fā)育情況將圍巖劃分為淺層、深層。淺層裂隙十分發(fā)育，數(shù)量多、開(kāi)度大，是主要漏漿通道，適合采用雙液速凝注漿材料，漏漿時(shí)能夠及時(shí)堵漏；深層裂隙數(shù)量少、開(kāi)度小、貫通性差，適合采用超細(xì)、流動(dòng)性好的單液超細(xì)注漿材料。

深層、淺層劃分和鉆孔參數(shù)需要進(jìn)一步確定。

2 深層、淺層鉆孔關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 深層、淺層劃分

深層、淺層并無(wú)明顯界限，建議采用鉆孔窺視法，觀察不同深度裂隙發(fā)育情況，將裂隙集中區(qū)劃分為淺層。對(duì)33072巷幫窺視結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 巷幫鉆孔窺視圖

圍巖表面至2.8 m深度裂隙十分發(fā)育，2.8 m往里裂隙不發(fā)育，直到8.8 m仍有分布。淺層深度確定同時(shí)應(yīng)考慮超出錨桿錨固深度，33072巷錨桿錨固深度2.3 m，因此將淺層深度確定為3 m，深層深度確定時(shí)同時(shí)應(yīng)考慮超出錨索長(zhǎng)度，確定為10 m.

2.2 淺層鉆孔間排距

鉆孔間排距直接決定注漿效果，間排距過(guò)大，漿液擴(kuò)散不充分，部分裂隙未被填充，深層注漿時(shí)容易發(fā)生漏漿；間排距過(guò)小，則會(huì)造成鉆孔施工浪費(fèi)，影響施工進(jìn)度。鉆孔間排距確定應(yīng)根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑確定，漿液擴(kuò)散半徑采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法。

擴(kuò)散半徑影響因素有3個(gè)：裂隙發(fā)育程度、注漿材料流動(dòng)性、注漿壓力[5]. 其中，裂隙發(fā)育程度是決定性因素，注漿材料流動(dòng)性為關(guān)鍵因素，在裂隙發(fā)育程度確定的情況下，漿液流動(dòng)性越好擴(kuò)散半徑越大；注漿壓力為影響因素，裂隙發(fā)育程度和注漿材料均已確定情況下，注漿壓力越大，漿液擴(kuò)散半徑相對(duì)越大。

根據(jù)33072巷實(shí)際情況，裂隙發(fā)育程度和注漿材料均已確定，對(duì)擴(kuò)散半徑唯一影響因素為注漿壓力，即試驗(yàn)不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑。3 m孔不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)方案如下：

1) 試驗(yàn)鉆孔布置：在3#—2#橫川未注漿區(qū)域布置，開(kāi)孔高度距離底板2 m，間距6 m，依次布置3個(gè)，編號(hào)為1#—3#.

2) 試驗(yàn)壓力控制方式：0～8 MPa，按照“漏漿對(duì)應(yīng)壓力”的記錄方式，即每出現(xiàn)一次漏漿，記錄漏漿卸壓前一刻壓力表壓力，對(duì)應(yīng)漏點(diǎn)位置與孔口距離，該距離即為該壓力下擴(kuò)散半徑之一，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

3) 注漿泵：采用2ZBQ50/19氣動(dòng)泵，孔口安裝壓力表，管路長(zhǎng)度固定20 m.

4) 注漿材料：采用雙液注漿材料，水灰比0.8∶1.

5) 封孔長(zhǎng)度：均為1 m.

6) 試驗(yàn)終止條件：煤體表面出現(xiàn)松動(dòng)、漏漿難以封堵(注滿)、達(dá)到設(shè)計(jì)最高壓力。

試驗(yàn)結(jié)果：3個(gè)孔共出現(xiàn)10處漏漿，第10處時(shí)重復(fù)堵漏，注漿終止，平均單孔注漿量0.25 t，漏漿位置分布見(jiàn)圖5，漏漿位置參數(shù)見(jiàn)表1.

圖5 3 m孔漏漿位置分布圖

表1 3 m孔漏漿位置參數(shù)表

由3 m孔注漿情況可知，受雙液速凝注漿材料快速凝固影響，擴(kuò)散范圍有限。注漿壓力在4 MPa以內(nèi)，正常擴(kuò)散半徑水平方向及下部在1.1 m左右；注漿壓力在6 MPa左右，漏漿點(diǎn)在0～1.8 m內(nèi)均有分布，最大可達(dá)3.5 m，正常擴(kuò)散半徑水平方向及下部在1.3～1.8 m，上部1 m左右。注漿泵正常淺層注漿壓力超過(guò)6 MPa，擴(kuò)散半徑兩側(cè)及下方可以達(dá)到1.5 m，上方1 m.

考慮到應(yīng)使鉆孔之間擴(kuò)散半徑相互覆蓋，以提高注漿效果。最終確定：注漿壓力不低于6 MPa，3 m孔排距不超過(guò)3 m，間距不超過(guò)2.5 m，最上排鉆孔距離頂板不超過(guò)1 m.

2.3 深層鉆孔間排距

深層鉆孔漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)應(yīng)建立在淺層注漿基礎(chǔ)上。先實(shí)施約50 m長(zhǎng)度的淺層注漿，然后在淺層已注漿區(qū)域布置3個(gè)深層試驗(yàn)鉆孔，孔深10 m，間距10 m，按照3 m孔類似試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

最終確定：注漿壓力不低于8 MPa，10 m孔排距不超過(guò)6 m，間距不超過(guò)4 m，最上排鉆孔距離頂板不超過(guò)2 m.

3 最終鉆孔布置方案

采用3 m、10 m兩個(gè)孔深布置方案。

3 m孔布置：淺孔每排4個(gè)鉆孔，4個(gè)鉆孔在一條直線上。第1鉆孔距離頂板0.8 m，仰角10°；第2個(gè)鉆孔距離第1個(gè)鉆孔1.1 m，仰角0°；第3個(gè)鉆孔距離第2個(gè)鉆孔1.1 m，仰角0°；第4個(gè)鉆孔距離第3個(gè)鉆孔1.1 m，仰角0°；中部鉆孔距離底板2.5 m，仰角0°，孔徑均為42 mm，鉆孔排距2 m，注漿壓力不小于6 MPa.

10 m孔布置：10 m孔每排2個(gè)鉆孔，矩形布置，上排孔開(kāi)孔高度距頂板1.5 m，仰角5°；下排孔開(kāi)孔高度距頂板3.0 m，仰角0°；孔徑均為42 mm. 鉆孔排距4 m，注漿壓力不小于8 MPa.

最終鉆孔布置見(jiàn)圖6.

圖6 鉆孔布置平面圖

4 效果考察

注漿后，采用鉆孔窺視方法，進(jìn)行效果考察，窺視結(jié)果見(jiàn)圖7. 由圖7可以發(fā)現(xiàn)大量的漿液痕跡，漿液對(duì)裂隙填充效果良好，未發(fā)現(xiàn)未被充填的裂隙。

圖7 注漿后窺視圖

5 結(jié) 論

巷道注漿時(shí)，采用分層注漿加固方式可以有效封閉淺層巷幫，提高深孔注漿量，控制圍巖變形。依據(jù)不同深度裂隙發(fā)育程度，采用鉆孔窺視方法將圍巖劃分為淺層和深層。趙莊煤業(yè)33072巷淺層深度確定為3 m，深層深度確定為10 m，分別采用雙液速凝注漿材料和單液超細(xì)注漿材料。采用不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑測(cè)試方法，確定了淺層鉆孔排距2 m，間距1.1 m，注漿壓力不低于6 MPa；深層鉆孔排距4 m，間距1.5 m，注漿壓力不低于8 MPa. 注漿后鉆孔窺視結(jié)果說(shuō)明，未發(fā)現(xiàn)未被填充的裂隙，漿液擴(kuò)散效果良好，鉆孔間排距布置合理。