破碎煤巖巷道注漿加固材料試驗(yàn)與應(yīng)用

彭英華，華攸金，李希建，游先中，翟文杰

(1.貴州五輪山煤業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.貴州大學(xué) 瓦斯防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

礦山井下工程建設(shè)中，經(jīng)常遭遇斷層破碎帶等不良地質(zhì)情況，按正常掘進(jìn)時(shí)，極易引發(fā)冒頂片幫、煤與瓦斯突出及涌水等事故，嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)安全。經(jīng)過多年的工程實(shí)踐，注漿作為一種既可以加固煤巖又能抑制涌水的有效技術(shù)方法，在地下工程不良地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

注漿材料作為注漿技術(shù)的關(guān)鍵因素直接影響最終的注漿效果。目前，大量研究人員對(duì)注漿材料進(jìn)行了相應(yīng)的研究，取得的成果頗豐。王慧濤[4]對(duì)所研發(fā)的新型無機(jī)注漿材料進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了材料的工程適用性。高翔等[5-6]開展了有機(jī)聚氨酯高聚物材料的研究工作，分析了一定條件下材料抗壓強(qiáng)度、疲勞性能等特性。劉肖凡等[7]對(duì)聚氨酯材料進(jìn)行改性，研究了注漿過程中聚氨酯的擴(kuò)散規(guī)律，同時(shí)推導(dǎo)了注漿擴(kuò)散半徑。王蘇健等[8]針對(duì)工作面涌水問題，提出了從底板破壞帶注入改性的黃土基漿液的注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)水條件下的注漿固化封堵。周茗如等[9]進(jìn)行了水泥與超細(xì)水泥兩種注漿材料的性能及模擬注漿效果比較分析，發(fā)現(xiàn)后者具有更好的穩(wěn)定性及耐久性?？导t普等[10-12]開展了不同摻和料、外加劑對(duì)水泥基漿液相關(guān)特性的影響試驗(yàn)，得出了水泥基漿液的性能變化規(guī)律?，F(xiàn)階段，絕大多數(shù)工程材料以來源廣泛、因地制宜、環(huán)境友好及價(jià)格低廉為研究重點(diǎn)。區(qū)別于一般的注漿材料，巷道破碎煤巖的注漿材料不僅要解決破碎斷層環(huán)境下漿液耗損量大、凝膠時(shí)間長(zhǎng)、見水稀釋及固化穩(wěn)定性效果差等困難，還需確保后續(xù)炮掘過程中避免出現(xiàn)漿液結(jié)實(shí)體強(qiáng)度偏差過大及注漿空白帶區(qū)域，確保注漿材料充分貼合井下地層構(gòu)造并實(shí)現(xiàn)破碎煤巖的穩(wěn)定加固，防止發(fā)生煤與瓦斯突出、大面積涌水等事故。

鑒于此，筆者針對(duì)巷道破碎煤巖地層的注漿治理特點(diǎn)，選用較為典型的水泥基速凝類水泥-水玻璃(C-S)材料開展工程應(yīng)用。該漿液作為速凝類漿液克服了單水泥漿液的凝膠時(shí)間長(zhǎng)，不能調(diào)節(jié)和結(jié)矸率低等缺點(diǎn)，具有速凝時(shí)間快，可注性強(qiáng)，滲透性好、漿液結(jié)實(shí)體強(qiáng)度高等特點(diǎn)[13-14]。通過試驗(yàn)研究，進(jìn)行不同水灰比、C-S體積比漿液的抗壓強(qiáng)度、凝膠時(shí)間及黏度等性能試驗(yàn)，確定了最優(yōu)注漿材料配比，并將該配比的C-S漿液應(yīng)用于貴州五輪山運(yùn)輸大巷掘進(jìn)工作面，以期達(dá)到破碎煤巖地層的固化封堵，實(shí)現(xiàn)斷層破碎帶的安全順利掘進(jìn)。

1 試驗(yàn)材料及其性能

1.1 注漿材料及其固化機(jī)理

注漿材料的固化首先表現(xiàn)為水泥水化生成硅酸鈣和氫氧化鈣，隨著水玻璃與氫氧化鈣進(jìn)行反應(yīng)，生成的水化硅酸鈣凝膠體逐漸增多，與被注煤巖膠結(jié)形成穩(wěn)定的凝固體[15]，其反應(yīng)式為

(1)

(2)

1.2 C-S漿液的抗壓強(qiáng)度

注漿材料強(qiáng)度性能關(guān)系到結(jié)實(shí)體的穩(wěn)定性[16]，因此在注漿治理過程中，選擇適宜的漿液配比不僅可以保證煤巖固化強(qiáng)度，還能夠提高材料制備的利用率。在室溫條件下，制備了4種水灰質(zhì)量比為0.5∶1,0.75∶1,1∶1及1.5∶1的漿液，定期通過力學(xué)性能檢測(cè)試驗(yàn)記錄漿液結(jié)實(shí)體試塊的抗壓強(qiáng)度。不同水灰質(zhì)量比的純水泥漿液及C-S漿液試塊抗壓強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 不同水灰比條件下的抗壓強(qiáng)度

依據(jù)圖1分析，在相同水灰比條件下，C-S漿液試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，且早期強(qiáng)度增幅較快，15 d幾乎達(dá)到終期強(qiáng)度的85%～93%，說明水玻璃可以實(shí)現(xiàn)快速凝固。當(dāng)水灰質(zhì)量比為0.5∶1時(shí)，漿液試塊早期的抗壓強(qiáng)度增勢(shì)較快，將不利于現(xiàn)場(chǎng)注漿工序的動(dòng)態(tài)控制；當(dāng)水灰質(zhì)量比為1.5∶1時(shí)，漿液試塊早期強(qiáng)度增勢(shì)過緩，且其最終的抗壓強(qiáng)度偏低，無法達(dá)到注漿固化需求。由試驗(yàn)結(jié)果可知，水灰質(zhì)量比為0.75∶1～1∶1范圍的漿液抗壓強(qiáng)度更貼近井下工程注漿要求?；谏鲜鲈囼?yàn)的基礎(chǔ)上開展2種水灰質(zhì)量比在不同C-S體積比情況下的漿液試塊28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 不同C-S體積比條件下的抗壓強(qiáng)度

依據(jù)圖2分析，隨著C-S配比摻量的變化，漿液試塊的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)C-S體積比為1∶0.5時(shí)，2種C-S漿液試塊抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大；當(dāng)C-S體積比在1∶0.4和1∶0.6之間的抗壓強(qiáng)度相差不大，而其區(qū)間外兩側(cè)的抗壓強(qiáng)度則相差較大，且抗壓強(qiáng)度較低，無法保證注漿質(zhì)量。因此，綜合考慮煤巖地層滲透性、擴(kuò)散半徑、鉆孔長(zhǎng)度等因素，選用水灰質(zhì)量比為1∶1的水泥。

1.3 C-S漿液的凝膠特性

注漿材料的凝膠時(shí)間需確保漿液在煤巖裂隙中充分?jǐn)U散且具備一定的強(qiáng)度。凝膠時(shí)間過短易發(fā)生堵管現(xiàn)象，而過長(zhǎng)漿液易稀釋造成注漿加固效果較差[17]。在室溫及水灰質(zhì)量比為1∶1的條件下，采用倒杯法測(cè)定漿液的凝膠時(shí)間。初凝時(shí)間測(cè)定時(shí)，將漿液在兩只燒杯中重復(fù)交替混合，直到漿液在燒杯內(nèi)傾斜45°角不能流動(dòng)為止，所用的時(shí)間為初凝時(shí)間；將部分新拌漿液水平放置于燒杯中，直到開始喪失塑性而產(chǎn)生強(qiáng)度時(shí)，稱為終凝時(shí)間。經(jīng)測(cè)定，不同C-S配比漿液的初、終凝時(shí)間如圖3所示。

圖3 C-S漿液初凝與終凝時(shí)間

圖3表明，C-S漿液初凝、終凝時(shí)間隨著C-S體積比的增大逐漸降低。當(dāng)C-S體積比為1∶1時(shí)，初凝、終凝時(shí)間最長(zhǎng)，分別為170 s和120 min；當(dāng)C-S體積比為1∶0.15時(shí)，初凝、終凝時(shí)間最短，分別為20 s和36 min。當(dāng)C-S體積比為1∶1時(shí)漿液凝膠時(shí)間過長(zhǎng)，無法保證漿液最終的結(jié)實(shí)體強(qiáng)度；而C-S體積比為1∶0.15時(shí)漿液凝膠時(shí)間過短，存在堵塞注漿管的狀況，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工。

1.4 C-S漿液黏度

漿液黏度反映了漿液對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻滯特性與能力。注漿施工中，漿液黏度與注漿壓力、鉆孔布置、漿液擴(kuò)散等參數(shù)有密切關(guān)系[18]。為探究漿液黏度的時(shí)間變化特征，按水灰質(zhì)量比為1∶1，分別配置C-S體積比為1∶0.3，1∶0.5，1∶1的混合漿液。使用指定記錄頻率為10 s的SV振弦黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定分析漿液黏度與時(shí)間變化關(guān)系。不同C-S體積比的漿液黏度隨時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 C-S漿液黏度隨時(shí)間的關(guān)系

圖4表明，漿液黏度隨著時(shí)間逐漸升高，初期表現(xiàn)較為緩慢，隨后快速上升經(jīng)過初凝并逐步稠化，直到漿液終凝后喪失流動(dòng)性達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)C-S體積比越大漿液黏度升高越快，與前人研究的C-S漿液黏度變化規(guī)律[19]基本吻合。C-S體積比為1∶0.3時(shí)，漿液黏度增幅最大，說明漿液流動(dòng)性減弱而塑性逐漸增強(qiáng)，漿液的擴(kuò)散能力較差，注漿的阻力增大；C-S體積比為1∶0.5和1∶1時(shí)，漿液黏度增幅相對(duì)平緩，30 s之前，兩者黏度變化趨勢(shì)基本一致。30 s之后，前者C-S體積比為1∶0.5的漿液黏度增幅相對(duì)更加顯著。

1.5 最優(yōu)注漿材料配比

根據(jù)上述注漿結(jié)實(shí)體試塊強(qiáng)度、漿液凝膠時(shí)間及黏度性能分析，并結(jié)合五輪山井下地層滲透性、煤巖特性等因素，最終確定注漿材料水灰比為1∶1，C-S漿液體積比為1∶0.5。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程背景

貴州五輪山煤礦，隸屬于兗礦貴州能化有限公司，礦區(qū)位于貴州省畢節(jié)地區(qū)納雍縣曙光、百興、中嶺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄。井田含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，全礦可采煤層為11層，分別為3、5-2、5-3、6-3、8、9、14、16上、20、32、33號(hào)煤層。目前，現(xiàn)掘的運(yùn)輸大巷為二采區(qū)開拓巷道，運(yùn)輸大巷掘進(jìn)工作面遇斷層群破碎帶，運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)須穿過斷層群破碎帶和5-2煤、5-3煤、6-2煤煤層群。由于揭煤區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤巖較為軟弱破碎，裂隙較發(fā)育并聚集形成斷層群，巷道掘進(jìn)危險(xiǎn)性較大。為避免運(yùn)輸大巷掘進(jìn)時(shí)發(fā)生冒頂片幫、煤與瓦斯突出及涌水等事故，在掘進(jìn)工作面頂部及兩幫區(qū)域?qū)嵤┳{充填加固作為巷道超前管棚支護(hù)，以提高斷層破碎煤巖穩(wěn)定性，達(dá)到加強(qiáng)頂板支護(hù)的目的，同時(shí)降低工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)，保證井下巷道安全、快速掘進(jìn)。

2.2 注漿施工設(shè)計(jì)

2.2.1 工程布置

施工位置位于運(yùn)輸大巷正掘揭煤工作面及兩幫鉆場(chǎng)。為了能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，正掘工作面只能在掘進(jìn)工作面左幫上部開設(shè)1號(hào)注漿鉆場(chǎng)，正掘工作面后退12.4 m處的左幫下部開設(shè)第2號(hào)注漿鉆場(chǎng)，右?guī)涂拷匣?號(hào)聯(lián)絡(luò)巷位置開設(shè)3號(hào)注漿鉆場(chǎng)，施工設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 施工設(shè)計(jì)圖

注漿鉆孔按預(yù)設(shè)巷道輪廓線為基準(zhǔn)布置，巷道輪廓線外的注漿孔設(shè)置兩排，且注漿孔邊緣分別距預(yù)設(shè)巷道輪廓線0.5 m和1 m，孔間距按孔的中心計(jì)算。注漿鉆孔參數(shù)見表1。

表1 注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 注漿工藝

現(xiàn)場(chǎng)施工中，施工工序分為打孔→洗孔→下注漿管→封孔→注漿。采用ZDY-4000 L 型煤礦用全液壓履帶鉆機(jī)布孔、清洗鉆孔，往鉆孔內(nèi)下鐵質(zhì)注漿篩管(鐵質(zhì)注漿篩管超過孔口0.5 m)、距孔口3 m位置使用馬麗散封孔；待封孔滿足條件后，采用KPB-90EX型注漿泵進(jìn)行單孔一次性注漿施工。

鉆孔鉆進(jìn)中，由于部分區(qū)域煤巖裂隙不發(fā)育，出現(xiàn)了注漿速度緩慢、地面鼓起、孔口冒漿等情形。為了加強(qiáng)預(yù)期注漿效果，在確?？卓诜饪讎?yán)密的基礎(chǔ)上，適度地增加了注漿壓力及延長(zhǎng)注漿時(shí)間。又因地質(zhì)因素存在部分區(qū)域?qū)严遁^發(fā)育，在鉆孔鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)了較大涌水。漿液在泵壓的作用下沿著煤巖的軟弱面、裂隙持續(xù)遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)困難、漿液浪費(fèi)及注漿效果較差等情況，現(xiàn)場(chǎng)通過補(bǔ)打局部注漿鉆孔以降低涌水區(qū)域的水力壓力，從而達(dá)到有效注漿的目的，同時(shí)結(jié)合一定壓力的作用下，適度靈活地調(diào)整注漿速率及漿液配比，可縮短漿液與煤巖壁的凝膠時(shí)間，從而達(dá)到改善破碎帶巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性的目的[20]。

開始注漿前，連接注漿管路并檢查其氣密性，確保注漿泵及其附件正常運(yùn)行。注漿施工中，漿液在注漿泵的高壓作用下沿注漿管篩孔快速注入斷層破碎區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漿液對(duì)破碎煤巖裂隙的充填，以及提高斷層破碎帶區(qū)域的整體黏結(jié)性。注漿壓力的控制范圍為1～6 MPa，注漿壓力應(yīng)緩慢加壓，當(dāng)壓力達(dá)到臨界值6 MPa后控制壓力不變，進(jìn)行穩(wěn)壓注漿。當(dāng)注漿壓力、注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值或發(fā)現(xiàn)注漿泵發(fā)出沉悶聲音且孔口周圍出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉注漿泵，檢查注漿效果。注漿結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)清洗注漿設(shè)備。

綜上所述，注漿過程中應(yīng)實(shí)時(shí)控制好注漿壓力、注漿時(shí)間，必要時(shí)可適度地調(diào)整注漿速率、漿液配比及補(bǔ)打局部注漿鉆孔，使得破碎帶煤巖體的結(jié)實(shí)性及漿液的利用率得到加強(qiáng)，有利于提高工程的注漿效果。

2.3 注漿效果與分析

將室內(nèi)試驗(yàn)得到的最優(yōu)配比C-S漿液應(yīng)用于井下工程應(yīng)用。注漿固化前，運(yùn)輸大巷掘進(jìn)工作面最大殘余瓦斯含量為5.08 m3/t，瓦斯壓力為1～2 MPa，煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)平均K1值大于1.0 mL/(g·min1/2)，注漿施工完成后一個(gè)月，通過對(duì)巷道前方的斷層破碎帶區(qū)域進(jìn)行放炮掘進(jìn)，放炮前，測(cè)得工作面區(qū)域內(nèi)最大殘余瓦斯含量為2.58 m3/t，小于臨界值8 m3/t；瓦斯壓力均值為0.15 MPa，最大值為0.26 MPa，小于臨界值0.74 MPa；煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)平均K1值為0.19 mL/(g·min1/2)，最大值為0.36 mL/(g·min1/2)，小于臨界值0.5 mL/(g·min1/2)；鉆屑量平均值為1.67 kg/m，最大值為2.3 kg/m，小于臨界值6 kg/m，具體注漿參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 運(yùn)輸大巷注漿后參數(shù)指標(biāo)

運(yùn)輸大巷工作面經(jīng)注漿固化后，各項(xiàng)瓦斯相關(guān)參數(shù)值均符合防突細(xì)則的要求。由此可知，通過注漿在掘進(jìn)巷道的周圍形成具有足夠強(qiáng)度及防止瓦斯?jié)B透的2 m隔離墻，利用隔離墻攔截了煤層瓦斯向采掘空間的運(yùn)移，從而有效地解決了工作面瓦斯超限的問題。從涌水治理的效果來看，在鉆孔鉆進(jìn)施工過程中，部分經(jīng)過煤巖含水層的預(yù)設(shè)鉆孔出現(xiàn)了較大面積涌水，通過采用增補(bǔ)局部注漿鉆孔并注漿的方式，工作面現(xiàn)場(chǎng)基本未見滲漏水的現(xiàn)象，斷層導(dǎo)水裂隙區(qū)域得到有效地充填與封堵。通過注漿固化技術(shù)及采用錨桿、錨索網(wǎng)及工字鋼棚對(duì)巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，結(jié)合對(duì)巷道斷面試點(diǎn)進(jìn)行位移和頂板沉降測(cè)量，測(cè)得巷道煤巖穩(wěn)定后頂板移近量為115～133 mm，兩幫移近量為116～142 mm，現(xiàn)場(chǎng)基本未出現(xiàn)礦塊冒落，聯(lián)合支護(hù)效果較好。因此，在一定程度上表明，注漿充填固化構(gòu)成的新骨架提高了斷層破碎煤巖的整體黏結(jié)力，使得掘進(jìn)巷道煤巖穩(wěn)定性得到有效加強(qiáng)。

3 結(jié) 論

1)選用C-S混合漿液作為注漿材料，并通過漿液試塊抗壓強(qiáng)度、凝膠時(shí)間、黏度及運(yùn)輸大巷前掘斷層帶治理需求分析，確定了最優(yōu)注漿加固材料配比為水灰質(zhì)量比1∶1及C-S體積比1∶0.5。

2)結(jié)合注漿前后瓦斯相關(guān)參數(shù)值的比較分析，通過實(shí)施注漿充填加固有效地降低了殘余瓦斯含量、瓦斯壓力、K1值等參數(shù)值，且各參數(shù)均值均小于臨界值，符合防突細(xì)則的有關(guān)要求。

3)斷層破碎煤巖地層為巷道前掘相對(duì)薄弱的部分，采用適宜配比C-S漿液對(duì)破碎煤巖進(jìn)行注漿充填，提高了斷層破碎地層整體黏結(jié)力，為巷道掘進(jìn)前提供超前管棚支護(hù)，有效解決了斷層帶煤巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)的自承載能力小、瓦斯超限及涌水的控制技術(shù)難題。