化學漿堵水與支護在高壓含水破碎段的研究應用

李曉飛 陳楨宇 趙興東

（1.山東黃金集團有限公司，山東 濟南 250101；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

深部開拓過程中，已揭露巷道受爆破振動影響，可產生隱蔽含有高壓水的破碎構造帶導通。由于巖體極其松軟破碎，且破碎帶中含水時，極易引起突水事故的發(fā)生和巷道頂板的持續(xù)垮冒，給施工人員帶來嚴重的安全隱患。該類巖體一旦發(fā)生垮落則難于控制，垮落后的空間常常遠大于設計巷道尺寸，難于維護，更加劇了巖體的破碎程度。針對這一問題，國內外工程技術人員開展了大量的研究。目前，針對穿過高地壓、高溫、高壓涌水的破碎構造帶的方法可分為改善圍巖自身受力和直接對圍巖提供輔助支護兩大類，而改善圍巖自身受力的支護方法中針對上述復雜地質條件的方法主要采用注漿支護，但當前較成熟的傳統(tǒng)水泥注漿技術成本高、效率低、勞動強度大［1］。由此可見，對含水破碎段治理及支護方式是深井施工面臨的一項問題。

本研究在國內外學者研究的基礎之上［2］，總結當前技術經(jīng)驗，學習研究國內外針對穿過高地壓、高溫、高壓涌水的破碎構造帶的新技術、新理論和新方法，提出復雜地質條件“化學漿封堵淋水+U型鋼+化學漿加固空區(qū)”支護方案新技術，解決高壓含水破碎巷道施工難度大的問題。

1 工程背景

焦家金礦焦家分礦斜坡道下掘，14中段運輸巷、14中段配電室、14中段石門巷等工程多處出現(xiàn)頂幫大面積涌水情況，并隨著工程的延伸不斷新增，涌水量合計約150.88 m3/h，采場范圍內主要為裂隙滲透水，無涌水，局部有淋水現(xiàn)象，對巖石的穩(wěn)固性有一定影響。圖1為其中一個淋水點示意。

2 巖石力學調查

在出水點前后各20 m處進行巖石力學調查工作［3］，采用測線法進行相應數(shù)據(jù)收集，見圖2，由巖石力學工程師對測線法測得的相關參數(shù)結果，運用RMR巖石質量分級方法對淋水點附近巖石進行地質力學分類［3］。

2.1 巖石質量指標RQD

RQD值為測線法測得超過10 cm完整部分的長度總和與測線總長度比值［4］，可以廣泛應用于評價巖體的完整性。對現(xiàn)場巷道測量來說，該方法簡單可靠，可有效評估巖體質量［4］，將不同區(qū)域分析得到的RQD值填入相關表1中。

2.2 節(jié)理調查結果

對巷道周邊巖石情況、周邊環(huán)境以及圍巖情況進行調查，將調查結果進行現(xiàn)場節(jié)理分析，各區(qū)段巖體調查點、節(jié)理裂隙見圖3。

3 化學注漿堵水

-630 m大巷運輸巷道巖石整體破碎，涌水量較大。為保證巷道穩(wěn)定，在對大出水點進行了水泥注漿后，頂板小裂隙淋水和滴水難以處理，整個巷道淋水量約為30 m3/h，為此設計了化學漿封堵淋水，化學漿采用聚氨酯類HK9105和LW化學注漿素材［5］。施工工具采用ZBQS氣動雙液注漿泵。化學漿封堵淋水方案措施：采用YT-28風動鑿巖機進行打孔，通過打孔找到裂隙水源，孔深1.5 m為大約裂隙深度，然后埋設孔口管，將裂隙水堵住。然后根據(jù)裂隙水情況，進行化學漿封堵淋水先施工頂板注漿孔，然后施工兩幫注漿孔，對裂隙進行有效封堵。

對淋水量較大的出水點，加固破碎帶四周時需要謹慎處理，防止化學漿堵水后因裂隙導通使水源擴散到別處，增加堵水處理難度。如果出水點或預留引水管位置破碎，則需在完好巖壁打引水泄壓孔，制造可控出水通道，同時封堵處理原破碎出水點，再進行高壓灌漿封堵。

4 化學注漿支護

4.1 第一階段的U型鋼加固

巷道頂板雖然經(jīng)過化學注漿封堵加固，但在深部高應力作用下頂板仍然可能出現(xiàn)塌方，為保證施工安全［6］，對該巷道進行U型鋼支護，要求U型鋼支護間距為1 m/架，為保證車輛正常施工，其中高度4 200 mm，寬度4 400 mm，U型鋼支架截面厚度200 mm，半圓拱半徑2 000 mm，柱腿高度1 800 mm，柱窩深度200 mm。

4.2 第二階段的化學漿支護

選用廊坊鑫美源化工建材有限公司生產的井下注漿聚合物（美多寶），利用原材料A、B組份混合膨脹的原理對空區(qū)進行充填，材料自動膨脹到位，對任何一個裂隙自動回填，可以使膨脹材料與巖體及U型鋼結合為一個整體，性能穩(wěn)定。而且專用材料抗靜電阻燃效果極佳，膨脹后不會縮小，經(jīng)久耐用，數(shù)年后不會腐爛，遇明火不燃，無毒無害不會產生有害氣體，充填主要材料為酚醛樹脂［7］，井下空區(qū)使用有效膨脹率在10倍左右，黏結強度大于＞0.5 MPa，阻燃性能為不燃。

施工工藝為首先對U型鋼支架頂部用土工布及金屬網(wǎng)進行密封，然后向空區(qū)內注入環(huán)?；瘜W材料井下注漿聚合物（美多寶），由內到外逐步注入直到空區(qū)完全充實。通過該工藝可充填加固已支護U型鋼支架上部空區(qū)的巷道，使其頂板不再發(fā)生變化，提高巷道穩(wěn)定性［8］。

通過在高壓含水破碎段運用高效注漿堵水新技術，迅速封堵淋水后，采用U型鋼+化學漿加固空區(qū)，在破碎巖體內人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，可有效防止松動塊的塌落，改善圍巖的受力狀態(tài)，提高深部開拓工程的施工進度。方案的工藝示意見圖4。

5 效果

為了對該中段運輸大巷注漿加固后的破碎巖體整體穩(wěn)定性進行有效評價，在巷道頂板進行了鉆孔取芯工作［9］。通過鉆孔取得的巖心可以看出化學漿封堵淋水不僅僅起到了封堵涌水的作用，還對破碎巖體起到了一定的加固作用，見圖5。采用化學漿加固U型鋼支護空區(qū)，從取樣結果來看，整個空區(qū)充填均勻，具有一定的強度，屬于柔性支護，使得巷道頂板整個破碎巖體性能得到了提高。化學漿液在空區(qū)進行膨脹形成的聚合物具有較強的力學性能，經(jīng)過點荷載試驗儀進行實驗，計算的其抗壓強度達到52 MPa，且黏聚性比較好，能夠承受較大應力，不產生變形破壞。

6 現(xiàn)場應用

6.1 工業(yè)試驗地點

根據(jù)確定的焦家金礦高壓含水破碎段采用化學注漿堵水與支護方案，進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，驗證所提出支護方案的合理性。選取附近巷道，該巷道與原巷道距離30 m，涌水情況，巖石主要技術參數(shù)基本一致。

6.2 工業(yè)試驗結果

在-630 m運輸巷采用“化學漿封堵淋水+U型鋼+化學漿加固空區(qū)”方案施工結束（圖6）后，在巷道頂板1、2，兩幫1、2，安裝6處巷道圍巖收斂變形監(jiān)測系統(tǒng)，對巷道圍巖進行收斂變形觀測，評價支護效果［10-11］。該巷道施工完畢后對其進行連續(xù)監(jiān)測，開始進行支護方案的現(xiàn)場工業(yè)試驗，巷道收斂變形監(jiān)測周期為2019年12月30日—2020年2月8日，共計約1個月。

圖7顯示了加固空區(qū)前后收斂變形監(jiān)測斷面頂板和兩幫監(jiān)測結果。從圖中曲線可以看出，在巷道施工中，起點為進行封堵淋水后，巷道兩幫及頂板變形量逐步增大，當采用U型鋼支護后直至化學漿加固空區(qū)，巷道基本處于穩(wěn)定，但2 d后巷道兩幫及頂板仍出現(xiàn)變形，變形量約為5 mm，兩幫約為2 mm。當采用化學漿加固空區(qū)后，兩幫及頂板基本趨于穩(wěn)定。整個過程可以看出最大變形量為6 mm出現(xiàn)在兩幫，頂板圍巖最大變形量為25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，該巷道進行化學漿封堵淋水+U型鋼+化學漿加固空區(qū)支護后，巷道中所設的監(jiān)測點的圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，并在后期監(jiān)測中一直保持穩(wěn)定，圍巖累計變形量不再增加。由此可以得出結論，該支護方式以及相應支護參數(shù)的選取能夠有效保證焦家金礦高壓含水破碎帶構造頂板兩幫在一定時期的穩(wěn)定性。

7 結論

采用環(huán)保的化學材料替代水泥對涌水點進行注漿，效率高、成本低，同時在注漿范圍破碎巖體內人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，形成一個人工假頂。在破碎不規(guī)則巷道，采用U型鋼支架后，會形成不同大小的空區(qū)，因工期原因往往不能及時澆筑，導致U型鋼支架難以最大限度承受荷載，使其不能將作用發(fā)揮最大，當頂板來壓，容易出現(xiàn)塌方，導致U型鋼毀壞。用改性聚氨酯注漿材料填充U型鋼支架空區(qū)不僅速度快而且改善了圍巖本身的力學性能，使得U型鋼與化學漿材料及周邊巖體形成一體，提高了圍巖的自支撐能力。另一方面，改變U型鋼支護的狀態(tài)，使得U型鋼被填充層均勻地加壓，使得周圍的巖石填料與U型鋼可以形成共同的載體。通過壁后填充，減少了巷道圍巖的應變速率，使巷道變形得到了有效的控制。改性聚氨酯注漿材料的填充不僅填充壓實，而且效果好，施工過程簡單，技術要領易于掌握，大大降低了工人的勞動強度，加快了開挖速度。

通過化學漿封堵淋水+U型鋼+化學漿加固空區(qū)方案新技術，在迅速堵水后，于破碎巖體內人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，提高巷道穩(wěn)定性。同時能夠節(jié)約注漿成本、降低排水電耗。