伊田煤業(yè)副斜井注漿堵水技術(shù)研究與應(yīng)用

王 剛

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041207）

1 工程概況

伊田煤業(yè)副斜井（材料斜井）為永久巷道，坡度-25°，其開口上方為高度約50 m 的山丘，山丘表面植被覆蓋，且有輸電線路鐵塔。該副斜井主要用于日常生產(chǎn)材料、設(shè)備運(yùn)輸及通風(fēng)任務(wù)，副斜井設(shè)計(jì)全長413 m，靠近地表段穿過含水中粗砂巖巖層，該永久巷道在前期使用過程中，由于噴漿層致密未出現(xiàn)巷道淋水現(xiàn)象。隨著永久巷道副斜井使用時間的增加，巷道表面噴漿層出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并且在圍巖應(yīng)力作用下原有噴漿層的完整性會持續(xù)受到破壞，頂板巖層內(nèi)的節(jié)理裂隙也將進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，導(dǎo)致頂板錨索鉆孔或橫梁安裝錨桿位置與裂隙貫通形成導(dǎo)水通道，在井筒表面混凝土噴層質(zhì)量較差的位置出現(xiàn)淋水、滲水現(xiàn)象。冬季副斜井巷道頂板淋水、滲水所產(chǎn)生的結(jié)冰現(xiàn)象，存在安全隱患。為保障巷道正常的行人及通車運(yùn)料等生產(chǎn)工作，需要對巷道進(jìn)行注漿堵水加固處理?，F(xiàn)場調(diào)研收集的典型的井筒淋水或滲水情況如圖1 所示。

2 注漿原理及注漿材料的選取

2.1 巷道注漿機(jī)理

1）提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和剛度的作用。圍巖中的裂隙被注漿材料充填，使裂隙的內(nèi)聚力和摩擦因數(shù)提高，改善其物理力學(xué)性能，進(jìn)而提高圍巖的整體強(qiáng)度和剛度，減小圍巖沿弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生破壞的幾率，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度，改善圍巖的物理力學(xué)性能和提高自身承受載荷能力[1]。

圖1 副斜井頂?shù)装辶芩驖B水現(xiàn)象典型圖

2）漿液固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用。漿液固結(jié)體具有良好的韌性和粘結(jié)性，能夠充填圍巖裂隙，形成骨架作用，提高巷道圍巖的殘余強(qiáng)度，減少圍巖破壞。

3）充填壓密及轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)制的作用。在漿液注入的過程中，會填充巷道圍巖淺部裂隙，由于壓力的作用，會貫通巖石內(nèi)部的小裂隙和封閉裂隙，減少巖石內(nèi)部的縫隙，削弱了巖石內(nèi)部的應(yīng)力集中，使巷道圍巖成為一體，提高了圍巖抵抗破壞的強(qiáng)度，有利于巷道圍巖穩(wěn)定。

4）注漿固化減小巷道圍巖松動圈作用[2]。減小了巷道圍巖松動圈的范圍，從而減少巷道圍巖的位移量，降低了作用在支護(hù)物上的載荷。

5）防風(fēng)化和堵水作用，注入漿液后填補(bǔ)圍巖縫隙，堵住水流通道，減小水流對圍巖的侵蝕作用，同時削弱風(fēng)流對巷道表面的風(fēng)化作用，對巷道的穩(wěn)定有重要作用。

6）注漿改善錨桿受力狀態(tài)，當(dāng)圍巖較為松散、破碎，尤其在富水巖層中，圍巖易遇水膨脹軟化，使錨桿和圍巖間的粘結(jié)性變差，易產(chǎn)生錨固體界面滑脫失穩(wěn)[3]，導(dǎo)致錨固強(qiáng)度降低。注入漿液后，由于漿液能夠充填密實(shí)裂隙，還具有堵水作用，使得錨桿作用機(jī)制充分發(fā)揮，降低水對錨桿錨固的影響，提高錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度，對巷道圍巖穩(wěn)定有重要作用。

2.2 材料選取

2.2.1 堆噴材料

本次堆噴作業(yè)所使用的材料主要為普通噴漿材料內(nèi)摻JCT-1 噴射混凝土外加劑，JCT-1 噴射混凝土外加劑是一種集促凝、早強(qiáng)、減水為一體的多效多功能型外加劑，呈灰白色粉末狀，無毒無味，不燃，容重為200～300 kg/m3，密度為2.1～2.3 g/cm3，粒徑為0.3～0.5μm，在使用過程中對人體無不良影響。使用JCT-1 噴射混凝土外加劑可降低水泥的標(biāo)號和摻量，可廣泛使用于礦山巷道、密閉墻等地下工程的支護(hù)襯砌，可一次成型成巷。

2.2.2 注漿材料

本次注漿所用的材料為自行配比而成的復(fù)合材料，主要由水、425 號普通硅酸鹽水泥、JCT-2 注漿外加劑以及JCT-3 固化劑組成。JCT-2 注漿外加劑是一種超細(xì)粉磨的無機(jī)灰白色粉狀材料，該外加劑加入水泥漿液中后，由于布朗運(yùn)動活潑，能夠改變水泥顆粒表面的電位、電荷，增大顆粒的濕潤角，使其充分水化，形成小顆?；驘o顆粒溶液。綜合上述材料特征本次注漿材料具有經(jīng)濟(jì)便宜、粘度高，凝固時間短等優(yōu)點(diǎn)；JCT-3 固化劑是采用無機(jī)、有機(jī)材料合成而研制開發(fā)的高效環(huán)保型無氯、無堿液體固化劑，能夠顯著的促進(jìn)水泥水化與混凝土強(qiáng)度提高。

2.2.3 封孔材料

封孔是注漿能否順利進(jìn)行和保證注漿堵水效果的關(guān)鍵，必須保證注漿鉆孔的孔口封孔牢固，防止?jié){液從注漿孔口流出。考慮副斜井注漿堵水實(shí)際施工方便和經(jīng)濟(jì)成本等原因，本次注漿堵水鉆孔使用的封孔材料為麻繩和樹脂藥卷錨固劑，封孔方法為用麻繩蘸取攪拌均勻的樹脂錨固劑并緊緊纏繞在注漿花管上（纏繞長度為0.5 m 左右），然后用力塞入注漿鉆孔內(nèi)，樹脂錨固劑凝固實(shí)現(xiàn)封孔目的。

3 注漿加固堵水方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿方案設(shè)計(jì)

（1）注漿孔布置：注漿孔的布置主要考慮注漿孔的深度、間距、排距和堵水效果等[4]。目的主要是封堵副斜井含水層導(dǎo)水通道和巷道淺部圍巖的導(dǎo)水裂隙，防止?jié)B流水對巷道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖蝕以及消除冬季淋水結(jié)冰安全隱患，副斜井第一階段頂孔淋水點(diǎn)的注漿鉆孔垂直布置在淋水點(diǎn)錨索周圍約1 m范圍，圍繞頂板錨索間隔120°環(huán)向布置3 個鉆孔，第一階段、第二階段注漿鉆孔布置方式見圖2、圖3。

圖2 第一階段注漿孔布置示意圖

圖3 第二階段注漿孔布置示意圖

在現(xiàn)場施工時，注漿堵水加固范圍、注漿深度、間排距等參數(shù)設(shè)置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件或探放水結(jié)果進(jìn)行調(diào)整；堵水鉆孔施工數(shù)量和位置可根據(jù)井筒圍巖的滲水量大小、錨桿、錨索、起吊橫梁位置適當(dāng)調(diào)整，但必須保證注漿加固堵水效果。

若上述注漿堵水方案實(shí)施后，井筒表面仍存在滲水或淋水情況時，則進(jìn)一步采取堆噴封堵方案。

3.2 堆噴方案設(shè)計(jì)

若副斜井注漿完畢后，井筒表面圍巖淋水及滲水的問題已被解決，便不再實(shí)施堆噴作業(yè)；若注漿堵水方案實(shí)施完畢后，井筒圍巖表面仍存在著淋水或滲水情況時，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)一步采取堆噴方案[5]。

在進(jìn)行井筒表面堆噴作業(yè)前，首先把井筒頂表面需要堆噴區(qū)域原有的混凝土噴層剝離，然后打短錨桿掛設(shè)10 號金屬網(wǎng)。當(dāng)金屬網(wǎng)固定后，進(jìn)行堆噴混凝土作業(yè)，堆噴層設(shè)計(jì)厚度為100 mm，但必須確保堆噴后井筒輪廓與原有輪廓一致。

3.3 注漿堵水效果評估

注漿的目的在于加固圍巖和堵水，動水條件下的裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿試驗(yàn)主要研究注漿的堵水效果。堵水率（簡稱SE）：其表達(dá)式為：

式中：SE為堵水率；Q0為初始動水流量；Qg為注漿結(jié)束后穩(wěn)定后的動水流量；

根據(jù)堵水率的計(jì)算值將注漿效果評估劃分為6個等級[6]，見表1。

表1 堵水效果評估等級劃分

3.4 施工技術(shù)要求及安全技術(shù)措施

3.4.1 施工技術(shù)要求

注漿前仔細(xì)檢查注漿泵、管路及系統(tǒng)其他閥門是否處于接通狀態(tài)。接通注漿系統(tǒng)后，先用清水進(jìn)行試注，然后將吸漿管插入配制好的漿液桶中開泵注漿。在注漿過程中要密切觀察注漿泵壓力的變化情況，調(diào)整注漿速度，并記錄注漿時間、注漿量和注漿壓力等參數(shù)。同時安排專人觀察注漿范圍內(nèi)是否有漏漿現(xiàn)象發(fā)生，如果有少量漏漿現(xiàn)象，用水泥配少量速凝劑或黃泥及時封堵；如果漏漿量大，可暫停注漿，等待漏漿處漿液初凝后再注。在暫停注漿前，注漿泵要吸清水清洗管路或暫接在其他注漿孔上。

3.4.2 安全技術(shù)措施

1）堆噴或注漿施工前，必須由施工負(fù)責(zé)人首先進(jìn)入施工地點(diǎn)，進(jìn)行安全巡視，將不安全情況及時反映給施工地點(diǎn)的所有施工人員，并安排專人及時處理，同時檢查施工地點(diǎn)的有害氣體濃度，確認(rèn)安全后，方可施工。

2）堆噴施工時將噴漿機(jī)安設(shè)在頂幫圍巖穩(wěn)定安全的地點(diǎn)，接好壓風(fēng)、壓水管路，輸料管路平直不得有急彎，接頭嚴(yán)密，不得漏風(fēng)，嚴(yán)禁將非抗靜電的塑料管做輸料管使用。

3）堆噴過程中，如發(fā)生堵管、停風(fēng)停電等故障時，應(yīng)立即關(guān)閉水源，防止水流入輸料管；將噴頭向下放置，用敲擊法疏通料管。

4）注漿前，首先要對注漿管路進(jìn)行檢查、沖洗，確保管路暢通；注漿過程中，跟班隊(duì)干要嚴(yán)格按照漿液配比標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整漿液的比重等參數(shù)，并認(rèn)真做好記錄。

5）注漿過程中要有人巡視管路，當(dāng)注漿管路發(fā)生故障時，要快速處理，若需較長時間，應(yīng)及時將管路沖洗干凈，防止管路堵塞。

6）注漿結(jié)束后，應(yīng)及時將管路沖洗干凈，以免沉淀堵塞管路。

4 工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

4.1 工業(yè)性試驗(yàn)概述

根據(jù)潞安伊田煤業(yè)副斜井注漿堵水加固設(shè)計(jì)方案，在副斜井距井口65～85 m 范圍內(nèi)進(jìn)行注漿堵水與堆噴作業(yè)。

技術(shù)人員對副斜井65～85 m 范圍內(nèi)滲漏水情況進(jìn)行調(diào)研分析，針對滲漏水點(diǎn)的注漿堵水作業(yè)；進(jìn)行副斜井注漿堵水現(xiàn)場施工，共注漿60 個鉆孔，使用JCT-2 注漿外加劑1 t，JCT-3 固化劑10 t，注漿花管60 套，配套球形閥60 個，水泥（包括損耗）約8 t。

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)及現(xiàn)場施工

現(xiàn)場注漿堵水作業(yè)過程中的堵水效果與滲漏水情況進(jìn)行注漿鉆孔布置位置及深度進(jìn)行及時調(diào)整，對頂板錨索附近的主要漏水點(diǎn)進(jìn)行深淺孔組合注漿加固，及時對現(xiàn)有滲漏水點(diǎn)注漿堵水后導(dǎo)致井筒壁后水壓升高，巷道圍巖薄弱點(diǎn)處出現(xiàn)新的滲漏水點(diǎn)進(jìn)行打孔、注漿達(dá)到堵水效果?，F(xiàn)場注漿作業(yè)打設(shè)工作平臺如圖4 所示。

圖4 副斜井注漿堵水作業(yè)所搭設(shè)工作平臺

注漿施工時現(xiàn)場施工人員具有豐富的注漿施工經(jīng)驗(yàn)，在伊田煤業(yè)材料庫的配合下自主加工的注漿連接件能夠大大的減少注漿施工中的勞動量，加快注漿速度，注漿施工的連接件為四通，該四通的第一、二端頭連接2 條進(jìn)漿膠管，第三端頭連接泄壓閥，第四端頭通過膠管與注液槍連接。因此，單孔注漿只需拆裝第四端頭的膠管與注液槍。

4.3 現(xiàn)場效果分析

距副斜井井口35 m 處底板涌水點(diǎn)進(jìn)行深挖找到水源后，進(jìn)行注漿聚流，采取人為開挖溝槽方式將該處動水水源引致巷道左側(cè)排水溝，避免水流在巷道底板表面流動；距井口50 m 處硐室底板涌水點(diǎn)進(jìn)行深淺孔組合注漿后停止涌水；伊田煤業(yè)副斜井距井口65～85 m 范圍內(nèi)注漿堵水作業(yè)完成后，該范圍無明顯淋水、滴水、滲水現(xiàn)象發(fā)生，如圖5 所示為副斜井距井口65 m 處右肩漏水情況及注漿堵水后的堵水效果。

圖5 副斜井距井口65m 處右肩注漿堵水前后對比圖

根據(jù)堵水率計(jì)算公式：

可以得到本次伊田煤業(yè)副斜井靠近地表段注漿堵水的堵水率在90 %以上，注漿堵水效果較好，達(dá)到了預(yù)期要求，頂板淋水和井筒表面原有滲水點(diǎn)基本消失，可以消除冬季結(jié)冰的安全隱患。

5 結(jié) 論

分析研究伊田煤業(yè)副斜井靠近地表段巷道圍巖滲漏水原因，提出具體的一種注漿加固+堆噴的聯(lián)合堵水方案，現(xiàn)場注漿堵水作業(yè)過程中的堵水效果與滲漏水情況進(jìn)行注漿鉆孔布置位置及深度進(jìn)行及時調(diào)整，對頂板錨索附近的主要漏水點(diǎn)進(jìn)行深淺孔組合注漿加固，及時對現(xiàn)有滲漏水點(diǎn)注漿堵水后導(dǎo)致井筒壁后水壓升高，巷道圍巖薄弱點(diǎn)處出現(xiàn)新的滲漏水點(diǎn)進(jìn)行打孔，注漿達(dá)到堵水效果。

距副斜井井口35 m 處底板涌水點(diǎn)進(jìn)行深挖找到水源后，進(jìn)行注漿聚流，采取人為開挖溝槽的方式將該處動水水源引致巷道左側(cè)排水溝，達(dá)到避免水流在巷道底板表面流動的目的；距井口50 m 處硐室底板涌水點(diǎn)進(jìn)行深淺孔組合注漿后停止涌水；伊田煤業(yè)副斜井距井口65～85 m 范圍內(nèi)注漿堵水作業(yè)完成后，該范圍內(nèi)無明顯淋水、滴水、滲水現(xiàn)象的發(fā)生，通過理論計(jì)算得到本次伊田煤業(yè)副斜井靠近地表段注漿堵水的堵水率在90 %以上，注漿堵水效果較好，達(dá)到了預(yù)期要求，頂板淋水和井筒表面原有滲水點(diǎn)基本消失，可以消除冬季結(jié)冰的安全隱患。