煤礦巷道復(fù)合注漿堵水技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)俊紅

(長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心，山西 長治 046000)

隨著我國淺部煤炭資源的枯竭，礦井逐漸向深部發(fā)展[1]，水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力升高和各種動力災(zāi)害導(dǎo)致礦井水害以及巷道圍巖破碎現(xiàn)象日益增多，不僅影響施工進度、惡化勞動環(huán)境、增加支護排水費用，而且給煤礦帶來重大安全隱患。注漿是防治水害的主要手段之一，可以顯著改善圍巖穩(wěn)定性，尤其是復(fù)合注漿在無需破壞原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，進行原位修復(fù)加固，有效提高圍巖承載能力以及改善承載結(jié)構(gòu)的受力性能[2-4]。

本文以某礦15102工作面運輸巷掘進中遇到頂板淋水為工程背景，通過收集分析淋水地點的水文地質(zhì)資料，提出采用超前化學(xué)預(yù)注漿技術(shù)對運輸巷頂板淋水段進行治理，達到了封堵淋水裂隙、加固薄弱地段及降低突水幾率的目的，保障了巷道掘進的順利進行。

1 工程概況

某礦井田面積為17.687 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，開采15號煤層，15102工作面埋深234～357 m，煤層傾角3～5°，平均煤厚3.85 m，煤層賦存穩(wěn)定，容重1.45 t/m3，普氏系數(shù)=2～4；直接頂為泥巖，厚度為0.5～2.0 m，黑色，質(zhì)地較密；老頂為K2灰?guī)r，厚度5.75～8.39 m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑、方解石，質(zhì)地堅硬。回采巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。在掘進15102工作面運輸巷過程中承受15101采空區(qū)積水水壓，并在680～720 m段穿過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶，造成頂板煤巖層位紊亂，巷道負坡度掘；頂板裂隙與老空水導(dǎo)通給巷道頂板補給大量水源，致使巷道掘進至680 m時迎頭淋水達到30 m3/h，并有潰水可能。施工環(huán)境的不斷惡化，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患，嚴重影響了掘進進度。為了保障煤礦正常生產(chǎn)，急需解決掘進期間頂板滲水、潰水隱患問題。

2 巷道頂板導(dǎo)水因素

運輸巷道揭露地層在完整巖體中形成自由臨空面后，應(yīng)力平衡關(guān)系遭到破壞，在圍巖的變形、位移、破壞和力的重新分布變化過程中難免會形成掘進空間與充水水源之間的新導(dǎo)水通道或激活原有地質(zhì)構(gòu)造，誘發(fā)礦山水害。巷道圍巖變形破壞主要受以下因素的影響和控制。

1) 圍巖的力學(xué)性質(zhì)、組構(gòu)關(guān)系及其產(chǎn)出狀態(tài)的影響。巷道掘進后，在一定空間范圍內(nèi)圍巖形成臨空面，在構(gòu)造應(yīng)力及上覆地層自重應(yīng)力的作用下，圍巖類似于受力狀態(tài)下的懸空梁或板，直接頂?shù)膸r層受力后必然會發(fā)生變形和位移，當(dāng)這種位移和變形達到一定程度后，便會超過圍巖自身的強度極限而使圍巖發(fā)生垮落、破壞、離層等而形成導(dǎo)水通道。大量觀測資料證實，硬巖地層受力后容易發(fā)生碎脹和破裂變形，從而形成易于地下水流動的導(dǎo)水通道[5-7]。

2) 圍巖地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響。在矩形巷道掘進過程中頂板巖體結(jié)構(gòu)本身強度較低，巷道四個角容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力重新分布過程中應(yīng)力超過頂板巖層的破壞強度，便會發(fā)生剪切破壞，頂板巖層強度處于峰值后應(yīng)力狀態(tài)；穿過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶應(yīng)力將可能會超越頂板巖層殘余強度，同時承載相鄰采空區(qū)積水水壓，加劇頂板巖層紊亂和破碎程度，頂板裂隙向上發(fā)育并相互交叉，為誘發(fā)礦山水害埋下隱患。

3) 巷道掘進寬度的影響。巷道的寬度越大，則頂板巖層的彎曲變形量越大。由于頂板泥巖抗彎曲強度小，導(dǎo)致頂板變形量增大，增加巖層破壞、破裂和垮落范圍，從而使掘進所誘發(fā)的導(dǎo)水?dāng)嗔逊秶黾印?/p>

3 注漿堵水加固機理

1) 通過對淋水段巷道頂板進行復(fù)合注漿，漿液快速將破碎巖體以及滲水孔錨桿、索緊密有力地鉸接成整體，并與錨網(wǎng)索聯(lián)合支護形成共同支護作用，顯著改善圍巖結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)力分布，減少圍巖破壞變形[8]。

2) 通過鉆孔注漿后，復(fù)合漿可在瞬間凝膠形成固體鏈接，密閉充填導(dǎo)水裂隙，降低圍巖滲透率，隔絕水源，堵漏止水；同時封閉微小孔、裂隙，阻止氣體侵入巖石內(nèi)部，保持圍巖的長期穩(wěn)定性；防止地下水及有毒有害氣體滲透到工作面。明顯改善施工地點環(huán)境和圍巖的賦存環(huán)境[9-10]。

3) 利用高壓泵將復(fù)合漿液充填到圍巖裂隙中去后，漿液快速凝固的同時改善巖體弱面的力學(xué)性質(zhì)，大幅提高裂隙內(nèi)部的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部發(fā)生相對位移的阻力，提高圍巖抗破壞的能力以及整體的穩(wěn)定性，有效避開相鄰工作面老空水的威脅[11]。

4 注漿加固治理方案

4.1 注漿方案

1) 為了治理運輸巷掘進期間頂板淋水，保證掘進安全。提出兩個治理方案：

方案1：疏排積水，水泥注漿。15102運輸巷掘進暫停，對巷道頂板K2含水層及15101采空區(qū)積水進行疏放水，減少巷道頂板K2灰?guī)r含水層富水性；隨后采取水灰比為0.9的525號硅酸鹽水泥進行注漿，減小運輸巷掘進期間頂板淋水并保障掘進安全。

方案2：聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿，疏放結(jié)合。根據(jù)巷道與相鄰采空積水區(qū)高差，合理調(diào)整留設(shè)15102運輸巷與15101采空積水區(qū)之間防隔水煤柱。在運輸巷660～720 m段掘進期間，視情況采取超前聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿和合理疏排水手段治理頂板淋水。對錨索/錨桿孔出水流量小于等于2 m3/h的出水點采用超前注漿方式對巷道頂板、兩幫進行封堵加固，每超前5 m為一個循環(huán)，共計12個循環(huán)。對出水流量大于2 m3/h的出水點，采取引流疏放。

2) 方案對比。

方案1優(yōu)點：對頂板K2灰?guī)r裂隙水及老空水源疏放，直接減少淋水及突水威脅；水泥漿配置方便，操作簡單；材料來源廣泛，價格低廉[12]。缺點：普通水泥漿抗分散性、滲透性差，凝膠時間難以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，粘結(jié)體強度小，性能整體偏差，難以達到設(shè)計要求。15101老空水積水量大，疏放水周期過長，15102運輸巷掘進受影響較大，從而影響礦井采掘接替。

方案2優(yōu)點：復(fù)合漿粘度低，可注性強，能注0.1 mm以上裂縫；在動水條件下復(fù)合漿的抗分散性強，包水量大，適用于流動水部位的堵漏或防滲，可按工程需要調(diào)節(jié)漿液的凝膠時間；固結(jié)體抗?jié)B性好，具有高延展性，抗壓強度可達10～20 MPa，抗拉強度高，適用于結(jié)構(gòu)補強和動水地層堵涌水[12]；受溫度、酸堿度及微生物作用等外部環(huán)境影響小，耐持久性好；巷道掘進與疏放水同時進行有利于礦井采掘接替；可減少排水系統(tǒng)費用；頂板巖層加固后，巖層穩(wěn)定性增強，有利于巷道掘進期間支護安全。缺點：增加注漿、打鉆等費用；要求技術(shù)水平較高，需要多種配套設(shè)備工藝，多行業(yè)、跨行業(yè)技術(shù)集成特點顯著。兩種方案綜合比較，選取更加經(jīng)濟合理、安全可靠的方案2。

4.2 復(fù)合漿材制備及性能

1) 復(fù)合漿材的組成。按方案2設(shè)計要求，注漿使用由主劑、擴鏈劑、促進劑和乳化劑組成的聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿。主劑包括異氰酸酯、聚醚和硅酸鹽；擴鏈劑由含兩個或者兩個以上官能團組成，能與主劑形成聚合物單體；促進劑能引發(fā)聚合反應(yīng)并調(diào)節(jié)控制凝膠時間；乳化劑能分散溶液并增加溶液均一性。復(fù)合漿材配方如表1。

表1 聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿材配方設(shè)計

將以上原料按照表 1配比分成A、B兩組，A組由硅酸鹽、乳化劑、聚醚、促進劑等組成；B組由異氰酸酯等有機成分組成，注漿時將A、B兩組分按比列混合即得聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿[12]。

2) 復(fù)合漿的物化性質(zhì)。A、B兩組混合所得復(fù)合漿液呈淡黃色，不含任何揮發(fā)性有機成分，具有可注性、流動性和滲透性強的顯著優(yōu)點。混合均勻后，漿液黏度迅速增大，瞬間失去流動性并形成凝膠；根據(jù)不同的配方設(shè)計，初凝時間和終凝時間可控制在15～90 s和3～5 min。依據(jù)MT113—1995標準對復(fù)合漿材進行阻燃性測試，結(jié)果表明復(fù)合漿材不能點燃或離火自熄，具有良好的阻燃性[12]。

4.3 注漿設(shè)備

根據(jù)聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿的特殊性，使用鉆頭直徑42 mm礦用風(fēng)煤鉆施工注漿孔，雙液氣動注漿泵連接風(fēng)動注漿泵進行注漿，注漿量以不發(fā)生大量跑漿為準，且注漿壓力不低于2 MPa；采用直徑19 mm、長3～5 m的注漿管，注漿時根據(jù)需要適當(dāng)截取。

4.4 注漿作業(yè)參數(shù)

4.4.1 鉆孔布置

根據(jù)運輸巷660～720 m段地質(zhì)構(gòu)造特點和注漿工藝要求，采用礦用風(fēng)鉆機在巷道實揭起始位置隨掘隨注，超前加固8.0 m再向前掘進5 m，預(yù)留3.0 m保護帽的注漿加固方案。每個注漿循環(huán)迎頭布置4～6根注漿管，封孔段長1.5～2.0 m。每個循環(huán)布置三組注漿孔，具體參數(shù)如下：

1) 頂板超前加固孔。1號～3號孔：方位角270°，孔深6 m，傾角30°，孔徑42 mm；

2) 左幫超前加固孔。4號、5號孔：方位角240°，傾角0°，孔深6 m，孔徑42 mm；

3) 右?guī)统凹庸炭住?號、7號孔：方位角240°，傾角0°，孔深6 m，孔徑42 mm。 鉆孔布置如圖1所示。

圖1 復(fù)合漿加固迎頭斷面鉆孔布置示意

根據(jù)構(gòu)造帶煤體承受能力和最小抵抗面及圍巖條件，復(fù)合漿擴散半徑按2.0 m考慮。由于15102運輸巷在掘進實揭后，揭露異常區(qū)段幫頂、巷道傾角等可能與預(yù)測情況有所出入，可在施工中對注漿孔密度、深度和鉆孔角度做合理調(diào)整。

4.4.2 注漿施工流程及要求

1) 注漿現(xiàn)場配備雙液撥動注漿泵以及專門配套的注漿裝置，并進行安裝調(diào)試。隨后將A組和B組分別接入注漿泵進漿系統(tǒng)，調(diào)節(jié)體積比以1∶1比例進料，通過靜態(tài)混合器自動混合，直接注漿。

2) 漿液的固化時間與現(xiàn)場溫度有關(guān)，注漿前，宜將兩個組分在15～35 ℃溫度下放置12 h以上。

3) 現(xiàn)場要保證冷卻水壓和水量，嚴格控制注漿量和注漿速度。

4) 在注漿間隙，為防止堵管，可用A組分充滿混合頭和管路。在注漿結(jié)束后，A組分的管路可以用水沖洗，B組分和泵體要用配套的專用清洗劑或者機油清洗，清理現(xiàn)場并留人值班。

5 結(jié) 語

1) 通過對15102工作面運輸巷注漿段的觀測，發(fā)現(xiàn)聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿材經(jīng)過合理配比能快速凝膠對頂板大量滲水裂隙進行有效的充填密實，從而達到堵漏止水效果。

2) 現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，注漿后，破碎巖塊與復(fù)合漿粘結(jié)形成的有效加固區(qū)有較強的承載能力并呈陀螺形分布。

3) 通過注漿加固，有效維持了破碎圍巖條件下巷道頂板的穩(wěn)定性，治理了頂板滲水以及煤柱潰水隱患問題，確保了15102工作面運輸巷的順利掘進。