高壓噴射注漿底板加固技術(shù)在大采高工作面中的運(yùn)用研究

李 峰，韓卓鵬，羅明坤，姬鳳祥，張永軍，羅厚林

(1.潞安環(huán)能股份有限公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.陜西開(kāi)拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

大采高工作面是指一次采全高,采高達(dá)到3.5～5.0 m的綜采工作面。由于大采高工作面巖層垮落空間大，引起的工作面動(dòng)壓也大，給工作面前后巷道支護(hù)及管理造成一定困難，特別是到了工作面推采至中后期，由于大面積直接頂垮落引起的圍巖壓力高度集中于工作面頂?shù)装寮扒昂笙锏腊踩隹趨^(qū)域，給巷道維護(hù)及設(shè)備回撤造成極大困難。

文章依托的潞安集團(tuán)某礦2302工作面煤層平均厚度為4.6 m，采用大直徑采煤機(jī)一次性切割煤壁的采煤方法。在2302工作面的初采期間，輔助進(jìn)風(fēng)巷的片幫、漏頂、底鼓仍然普遍存在，巷道的變形較明顯，并對(duì)生產(chǎn)工作造成一定影響。為了進(jìn)一步降低巷道管理難度、確保設(shè)備正?；爻?，保證工作面的安全高效生產(chǎn)，提出超前在2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷采用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)[1]，該技術(shù)的使用，極大地減少了底鼓量，節(jié)約巷道維護(hù)的人工投入及經(jīng)濟(jì)投入，極大降低了巷道的管理難度，保證2302工作面安全高效生產(chǎn)。

1 工程條件

2302工作面位于大堡頭鎮(zhèn)西南部，228省道西側(cè)，工作面上方均為耕地，是潞安集團(tuán)某礦首個(gè)沿空留巷工作面。2302工作面地面標(biāo)高為+947～+956 m，井下標(biāo)高為+326.3～+380.3 m，輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷長(zhǎng)730 m。2302工作面開(kāi)采3號(hào)煤，賦存于二疊系下統(tǒng)山西組下部。煤體為黑色，塊狀及粉狀，玻璃光澤，以亮煤為主、暗煤次之，夾鏡煤條帶。煤質(zhì)變化不大，屬半亮-光亮型煤。在該工作面范圍內(nèi)，煤層逐步呈下降趨勢(shì)，煤層傾角0～10°，煤層厚度約4.2～5.0 m，平均厚度約4.8 m，容重1.35 t/m3。2302工作面輔助回風(fēng)巷開(kāi)口位于二采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)巷79.7 m位置，北鄰二采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，西鄰2302工作面進(jìn)風(fēng)巷，東鄰2303工作面回風(fēng)巷。2302工作面平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 2302工作面工程平面

2 高壓噴射注漿底板加固技術(shù)

2.1 高壓噴射注漿法原理

高壓噴射注漿法(高壓旋噴樁法)就是利用鉆機(jī)鉆孔，把帶有噴嘴的注漿管插至巷道底板的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液成為20 MPa以上的高壓射流，從噴嘴中噴射出來(lái)沖擊破壞底板巖層。部分細(xì)小的土、石料隨著漿液冒出水面，其余土、石粒在噴射流的沖擊力，離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后，便在巖層中形成一個(gè)固結(jié)體與樁間土、石一起構(gòu)成復(fù)合地基，從而提高底板承載力，減少底板的變形，達(dá)到底板加固的目的。二重管法高壓旋噴示意見(jiàn)圖2，二重管法高壓旋噴樁鉆機(jī)見(jiàn)圖3，高壓注漿泵見(jiàn)圖4。

圖2 二重管法高壓旋噴示意

圖3 二重管法高壓旋噴樁鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

圖4 二重管法高壓注漿泵結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

2.2 高壓噴射注漿加固底板工藝

采用二重管法又稱漿液氣體噴射法加固底板，其工藝(流程)主要是利用二重注漿管同時(shí)將水泥漿和空氣兩種介質(zhì)噴射流橫向噴射出，沖擊破壞底板巖層。在高壓漿液和其他外圈環(huán)繞氣流的共同作用下，破壞底板巖層的能量顯著增大，最后在土中形成較大的固結(jié)體。以此來(lái)加固李村煤礦2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷松軟底板。其工藝流程[2-4]見(jiàn)圖5。

圖5 二噴管法高壓旋噴工藝流程

2.3 注漿加固材料

潞安集團(tuán)某礦2302工作面巷道受壓較大，針對(duì)底板破碎、起拱、變形較大的特點(diǎn)，選擇注漿材料時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考量。主要考慮以下因素[5-6]：

1) 因地制宜，選取當(dāng)?shù)赜械牟牧?，?jié)約運(yùn)輸成本；

2) 可以很好地注射到巖層中；

3) 可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)改變材料比例或其他方法控制材料的膠凝時(shí)間；

4) 膠凝收縮小的材料，能與底板巖層粘結(jié)一塊；

5) 材料膠凝時(shí)可微膨脹，能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；

6) 穩(wěn)定性好，耐久性強(qiáng)；

7) 注漿工藝簡(jiǎn)單，操作方便、安全；

8) 無(wú)毒、低污染、抗腐蝕性。

根據(jù)上述選擇注漿材料因素，結(jié)合井下實(shí)際情況及諸多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，潞安集團(tuán)某礦2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷注漿材料最終選擇為水玻璃+水泥漿液，該注漿材料具有材料來(lái)源廣、價(jià)格適宜、凝膠時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)。該材料水泥選用42.5的普通硅酸鹽水泥，水玻璃選用35波美度水玻璃。水泥漿水灰比為1∶1；水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5。

2.4 輔助進(jìn)風(fēng)巷底板加固參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 底板情況。2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷直接底為炭質(zhì)泥巖平均厚度1.7 m，基本底為砂質(zhì)泥巖平均厚度0.8 m，均為強(qiáng)度較低的巖層，容易出現(xiàn)起拱，破碎現(xiàn)象。

2) 高壓噴射注漿加固底板施工參數(shù)。①旋噴樁樁徑800 mm，相鄰樁體連續(xù)布置，樁體深入底板穩(wěn)定巖層不少于500 mm，樁長(zhǎng)3 000 mm。②樁體中心距離回采側(cè)煤幫950 mm，超前工作面150 m以外進(jìn)行樁體施工。③高壓水泥漿漿液壓力為35 MPa，壓縮空氣的壓力宜為0.6～0.8 MPa。④鉆機(jī)提升速度宜為150 mm/min，并根據(jù)試樁確定施工參數(shù)。⑤注漿選用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8，高壓旋噴樁水泥摻量不小于30%.⑥鉆機(jī)成孔直徑不小于50 mm(若采用單管法，鉆孔直徑為50 mm；二重管法注漿直徑為60 mm)，鉆機(jī)定位偏差不小于50 mm，鉆機(jī)安放應(yīng)水平，鉆桿垂直度偏差應(yīng)小于1/100。⑦鉆機(jī)與高壓泵的距離不宜大于50 m，噴射注漿應(yīng)由下往上進(jìn)行，注漿管分段提升的搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于100 mm。高壓旋噴樁加固底板剖面和橫斷面見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 高壓旋噴樁加固底板剖面

圖7 高壓旋噴樁加固底板橫斷面(mm)

2.5 每延米樁體水泥用量計(jì)算

據(jù)2.4節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，首先計(jì)算求出每米土重：

G煤=V煤×γ煤=3.14×0.4×0.4×1×1 400=703.36 kg。

高壓旋噴樁的水泥摻量為30%，計(jì)算摻入水泥用量：

G水泥=G煤×水泥摻量=703.36×30%=211 kg。

即：每延米樁體的水泥用量為211 kg，單樁長(zhǎng)度為3 m，則每根樁體的水泥用量為633 kg。

每延米樁體的水泥用量為：633÷0.8=791.25 kg。

2.6 注漿加固施工設(shè)計(jì)

1) 鉆機(jī)就位鉆機(jī)安放在設(shè)計(jì)的孔位上并應(yīng)保持垂直，施工時(shí)旋噴管的允許傾斜度不得大于1.5%.

2) 鉆機(jī)鉆孔的位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不得大于50 mm。

3) 將噴管插入地層預(yù)定的深度。

4) 當(dāng)噴管插入預(yù)定深度后，由下而上進(jìn)行噴射作業(yè)。

5) 噴射作業(yè)完畢后，應(yīng)把注漿等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)和機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿。

6) 將鉆機(jī)等機(jī)具設(shè)備移到新孔位上。

2.7 高壓噴射注漿加固底板注意事項(xiàng)

1) 鉆機(jī)或者螺旋機(jī)就位時(shí)機(jī)座要平穩(wěn)，立軸或者轉(zhuǎn)盤要與孔位對(duì)正。傾角與設(shè)計(jì)誤差一般不得大于5°。

2) 噴射注漿前要檢查高壓設(shè)備和管路系統(tǒng)。設(shè)備的壓力和排量必須滿足設(shè)計(jì)要求，管路系統(tǒng)密封圈必須良好，各通道和噴嘴內(nèi)不得有雜物。

3) 在噴射注漿過(guò)程中，應(yīng)觀察冒漿的情況，及時(shí)了解底板巖層情況，噴射注漿的大致效果和噴射參數(shù)是否合理。

4) 對(duì)冒漿妥善處理，及時(shí)清除沉淀的巖石渣。

5) 噴射注漿作業(yè)后，由于漿液析水作用，一般均有不同程度收縮，使得固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹陷，應(yīng)及時(shí)用水灰比為0.6的水泥漿進(jìn)行補(bǔ)灌，并要預(yù)防其他鉆孔排出的雜物進(jìn)入。

4) 當(dāng)噴射完畢后，應(yīng)及時(shí)用清水將泵沖洗干凈，管內(nèi)、機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿。通常用注漿泵泵入清水，在地面上沖水，以便把注漿管內(nèi)的水泥漿全部排除。

3 工程實(shí)踐

潞安集團(tuán)某礦2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷距離切眼220～300 m范圍內(nèi)應(yīng)用了高壓噴射注漿底板加固技術(shù)，220 m之前未使用該技術(shù)。因此在距切眼180 m布置一組圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)，距切眼230 m布置另一組圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)[7]。隨著工作面回采進(jìn)度記錄兩組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。距切眼180 m觀測(cè)點(diǎn)(未使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)巷道圍巖變形量)見(jiàn)圖8；距切眼230 m觀測(cè)點(diǎn)(已使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)巷道圍巖變形量)見(jiàn)圖9。

圖8 距切眼180 m處巷道變形規(guī)律

圖9 距切眼230 m處巷道變形規(guī)律

由圖8可見(jiàn)，距切眼180 m處測(cè)點(diǎn)(未使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù))的巷道圍巖變形規(guī)律折線圖可知底鼓量最大為1 069 mm，頂板下沉量達(dá)到569 mm，幫鼓量達(dá)到728 mm，墻體移近量達(dá)到299 mm；而距離切眼230 m處測(cè)點(diǎn)(使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù))的巷道圍巖變形規(guī)律折線圖可知底鼓量最大為612 mm，頂板下沉量達(dá)到384 m，幫鼓量達(dá)到425 mm，墻體移近量達(dá)到220 mm。綜合兩處測(cè)點(diǎn)分析可知，使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)后底鼓量降低57%；頂板下沉量降低67%；幫估量降低58%；墻體移近量降低74%.實(shí)踐證明潞安集團(tuán)某礦2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷使用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，能有效治理底鼓，乃至于改善整個(gè)巷道變形量，可廣泛推廣實(shí)施。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)在潞安集團(tuán)某礦2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷應(yīng)用高壓噴射注漿底板加固技術(shù)，使得巷道底鼓量大大減少。減少巷道圍護(hù)成本，為設(shè)備回撤創(chuàng)造了良好的條件。節(jié)約人工、時(shí)間成本，保證2302工作面安全高效生產(chǎn)。

2) 高壓噴射注漿底板加固技術(shù)適用的范圍較廣、加固費(fèi)用較低、施工簡(jiǎn)便、施工進(jìn)度快、施工過(guò)程中不影響工作面正常生產(chǎn)、加固質(zhì)量和效果可靠等優(yōu)點(diǎn)，從而保證更好更快的完成底板加固作業(yè)。

3) 高壓噴射注漿底板加固技術(shù)能夠解決大采高工作面巷道維護(hù)及設(shè)備回撤等難題，為相似條件礦井提供了有力依據(jù)。