店坪煤礦淋水頂板巷道超前注漿加固技術(shù)

賀麗敏

（云廈工程建筑有限公司，山西 霍州 034400）

1 工程概況

店坪煤礦9-205 綜采工作面位于9#煤層830 m水平南翼2 采區(qū)，9#煤層厚2.6～3.2 m，均厚2.8 m，工作面范圍內(nèi)煤層、煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.2～0.45 m。煤層傾角1°～5°，屬于近水平煤層。煤層頂板為砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，具體頂?shù)装鍘r性情況見表1。

目前在掘進(jìn)9-2052 巷，主要擔(dān)負(fù)著9-205 回采工作面的運(yùn)輸、回風(fēng)、行人等任務(wù)。9-2052 巷沿9#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1392 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬4.4 m，凈高2.8 m。巷道頂板上方主要含水層為石炭系山西組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，由三層灰?guī)r及1～3 層中粗砂巖組成，石灰?guī)r裂隙較發(fā)育，單位涌水量在0.009～0.078 L/s·m 之間，滲透系數(shù)在0.054～0.271 3 m/d 之間。受煤層開采影響，冒落裂隙帶發(fā)育，掘進(jìn)過程中頂板出現(xiàn)裂隙淋水，對(duì)圍巖及錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，圍巖變形嚴(yán)重，維護(hù)困難。因此，需采取超前預(yù)注漿技術(shù)對(duì)巷道已探明的富水區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿加固。

2 巷道破壞機(jī)理分析

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)分析得出，造成9-2052 巷圍巖變形破壞的主要原因在于：（1）巷道直接頂為泥巖，巖性較軟，且泥巖的礦物成分多為高嶺石及蒙脫石，遇水極易發(fā)生膨脹變形，直至崩解，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低；（2）巷道掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)力擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張發(fā)育，加重了水的流通，導(dǎo)致圍巖環(huán)境進(jìn)一步惡化；（3）礦井水多呈酸性，經(jīng)裂隙流動(dòng)經(jīng)過錨固區(qū)時(shí)，會(huì)對(duì)錨桿體造成腐蝕影響，并弱化錨固劑的錨固性能，從而導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效。

3 超前注漿工藝[1-6]

3.1 注漿設(shè)備及材料

本次注漿采用礦用雙液型注漿泵，注漿管為鋁塑材料，考慮現(xiàn)場(chǎng)頂板泥巖軟化及破碎程度，注漿單孔的孔深設(shè)置為10 m。

為保證注漿效果，選用水泥混合水玻璃作為漿液。該混合漿液具有滲透性強(qiáng)、凝結(jié)速度快、凝結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。其中水泥選用工業(yè)42.5R 型水泥，水玻璃的模數(shù)取值為2.8～3.1 之間。

3.2 漿液配比及注漿壓力

漿液的配比具體為水灰比及水玻璃摻量，可根據(jù)測(cè)試不同配比條件下的凝結(jié)塊體強(qiáng)度來確定合理的配比方案。強(qiáng)度測(cè)試中，共設(shè)置4 組塊體，水灰比分別為0.5、0.75、1 及1.5，其抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表2、表3。

由表2 可知，在水灰比相同的條件下，摻有水玻璃的漿液塊體抗壓強(qiáng)度普遍高于純水泥漿液塊體，且凝固周期短，早期強(qiáng)度也較高。摻有水玻璃時(shí)，水灰比為0.75:1 及1:1 時(shí)的效果較好，其最終抗壓強(qiáng)度分別為13.8 MPa 及11.5 MPa?？紤]到工作面巖層的滲透性及施工條件，確定采用1:1 的水灰比混合漿液。

表2 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表3 為水泥漿與水玻璃不同體積配比下的漿液試件強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由表3 可知，經(jīng)過28 d 的養(yǎng)護(hù)后，試件均達(dá)到最終強(qiáng)度。水灰比均為1:1 的情況下，水泥漿與水玻璃體積比為1:0.4 的漿液試件強(qiáng)度為15.6 MPa，體積比為1:0.5 的漿液試件強(qiáng)度為16.7 MPa，體積比為1:0.6 的漿液試件強(qiáng)度為15.9 MPa。三種比例下的漿液試件抗壓強(qiáng)度相差不大，但當(dāng)體積比低于1:0.6 或高于1:0.4 時(shí)，漿液試件的強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)大幅度的降低，注漿效果差。因此混合漿液合適的水泥漿及水玻璃體積配比應(yīng)為1:0.4～1:0.6 之間。

表3 不同水泥與水玻璃體積比下的抗壓強(qiáng)度

基于以往煤礦巷道注漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤巷圍巖注漿壓力一般1～3 MPa 之間，當(dāng)注漿壓力高于3 MPa時(shí)，會(huì)引起圍巖劈裂破壞，加重了頂板的破碎程度，并導(dǎo)致漿液漏失。因此，本次注漿的初始?jí)毫?yīng)保持在0.8～1 MPa 之間，淺孔注漿壓力為2.5 MPa，深孔注漿壓力為3.0 MPa。

3.3 注漿孔布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在巷道掘進(jìn)面正頭布置超前注漿鉆孔，共布設(shè)9 個(gè)鉆孔，并依次進(jìn)行編號(hào)為1#～9#。為使?jié){液充分?jǐn)U散，注漿孔采用三角形布置，即上排布置5 個(gè)孔，下排布置4 個(gè)孔，相鄰孔間距均為1000 mm。為達(dá)到注漿預(yù)加固的目的，1#～5#注漿孔的仰角為15°，6#～9#注漿孔的仰角為10°；同時(shí)，1#、5#、6#、9#注漿孔與掘進(jìn)方向呈15°夾角向頂板外擴(kuò)散，2#、4#、7#、8#注漿孔與掘進(jìn)方向呈10°夾角向頂板外擴(kuò)散，3#鉆孔則平行于掘進(jìn)方向。具體布置方案如圖1。

圖1 注漿孔布置方案（mm）

3.4 注漿量

注漿量可通過下式計(jì)算：

Q=π·R2·L·z·α·η（1）

式中：Q為單孔注漿量，m3；R為漿液擴(kuò)散半徑，根據(jù)選用漿液性質(zhì)，取5.5 m；L為注漿孔孔深，取10 m；z為巷道圍巖的裂隙密度，取0.07；α為漿液充填率，取0.85；η為漿液漏失率，取1.3。

通過計(jì)算得出單孔的注漿量為73 m3，則9 個(gè)孔的總注漿量為657 m3。

3.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

為使得注漿效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，需使得每個(gè)孔注漿時(shí)的終孔壓力達(dá)到要求，漿液才能完全擴(kuò)散并充填圍巖裂隙。一般終孔壓力達(dá)到2～3 MPa 時(shí)，可結(jié)束注漿，也可在注漿泵流量穩(wěn)定在11 L/min 并持續(xù)25 min 后停止注漿。

4 支護(hù)效果分析

為分析評(píng)價(jià)圍巖控制方案的效果，采用十字布點(diǎn)法對(duì)注漿段巷道圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2。

圖2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖2 可知，巷道掘進(jìn)通過頂板富水區(qū)初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形于30 d 后趨于平穩(wěn)，其頂?shù)装遄畲笠平考s為40 mm，兩幫最大移近量約為32 mm，圍巖變形量較小，滿足礦井安全生產(chǎn)需求。說明該方案可以較好地隔絕含水層裂隙水，加固破碎頂板，同時(shí)保證錨固結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用，取得了良好的圍巖控制效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)分析得出，造成9-2052 巷圍巖變形破壞的主要原因在于：巷道直接頂為泥巖，遇水易發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低；同時(shí)裂隙發(fā)育導(dǎo)致酸性礦井水流經(jīng)錨固區(qū)，腐蝕錨桿體及錨固劑，從而導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效。

（2）通過理論分析及配比試驗(yàn)，確定出合理的漿液水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比應(yīng)為1:0.4～1:0.6 之間，并對(duì)注漿壓力及注漿孔布置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)注漿加固段的圍巖位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明：巷道頂?shù)装遄畲笠平考s為40 mm，兩幫最大移近量約為32 mm，圍巖變形量較小，控制效果顯著。