大巷注漿加固技術(shù)應(yīng)用

溫千峰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地煤礦， 山西 太原 030022)

煤炭開采過程中，井下大巷受回采影響，大巷圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)不斷增大，造成大巷圍巖承載能力不斷降低，需要向大巷圍巖裂隙中進(jìn)行注漿使?jié){液膠結(jié)硬化，提高破碎巖體內(nèi)聚力，降低軟化系數(shù)，從而縮小大巷圍巖破碎區(qū)范圍，提高大巷圍巖自身強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。同時(shí)，還能加強(qiáng)錨桿與圍巖的接觸與錨固，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，進(jìn)一步提高大巷圍巖穩(wěn)定性。

1 工程概況

端氏煤礦位于山西省晉城市，礦井目前正開采3號(hào)煤層，煤層埋深約650 m，厚度約5.15 m，采用一次采全高開采，大巷位于3號(hào)煤層以下8～10 m，在原支護(hù)方案下，軌道大巷受工作面回采影響變形破壞嚴(yán)重，頂板變形約870 mm，底板變形約520 mm，幫部變形約610 mm. 為保障大巷圍巖的穩(wěn)定性，提出并設(shè)計(jì)注漿加固和補(bǔ)打錨索的方案。

2 注漿參數(shù)計(jì)算

通過收集資料，對(duì)化學(xué)漿液、普通單液水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿和高水速凝材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇高水速凝材料作為大巷破碎圍巖注漿材料，并根據(jù)端氏煤礦大巷圍巖變形破壞情況設(shè)計(jì)注漿壓力為1 MPa，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算大巷圍巖徑向裂隙的范圍r和注漿孔深度L[1]：

r=(0.78+2.13γH/Rc)a

(1)

L=r-a

(2)

式中：

γ—巖石容重，kN/m3，取25；

H—大巷埋深，m，取650；

Rc—底板和兩幫單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，取44.1；

a—大巷半徑，取軌道大巷外接圓半徑，m，取3.37.

計(jì)算得：r=5.27 m，L=1.90 m.

注漿半徑是影響大巷圍巖注漿的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響破裂巖體的固結(jié)效果。根據(jù)達(dá)西定律[2]：

q=kgiA

(3)

Q=qt

(4)

(5)

(6)

(7)

A=πra

(8)

式中：

q—單位時(shí)間的注漿量，cm3/s；

r1—漿液擴(kuò)散半徑，cm；

a—柱狀注漿長度，cm；

k—巖層的滲透系數(shù)，cm/s；

Q—漿液流量，cm3/s；

kg—漿液在地層中的滲透系數(shù)，cm/s；

β—漿液黏度與水的黏度比；

A—滲透面積，cm2/s；

h—注漿孔深，m；

t—注漿時(shí)間，h；

n—巖層的孔隙率。

將式(3)—式(7)聯(lián)合可得：

(9)

將式(9)和式(8)聯(lián)立可得：

(10)

當(dāng)r=r0，h=H時(shí)；r=r1，h=h0時(shí)為邊界條件，則由式(10)可推出：

(11)

式中：

h0—注漿點(diǎn)的地下水壓力水頭，cm；

r0—注漿管半徑，mm；

H—地下水水頭和注漿壓力水頭距離，cm.

通過對(duì)式(11)積分和化解可得到注漿滲透半徑r：

(12)

因?yàn)榈叵滤^和注漿壓力水頭距離H與注漿點(diǎn)的地下水壓力水頭h0之差為注漿孔深h，即：

H-h0=h

(13)

將式(13)代入式(12)得：

(14)

參照端氏煤礦地質(zhì)條件資料，判斷巖層的孔隙率n為0.3，巖層的滲透系數(shù)為0.035 m/s，注漿孔深為2.0 m，注漿時(shí)間為1 h，漿液黏度與水的黏度比為3，注漿管半徑為0.02 m，代入式(14)計(jì)算得出漿液滲透半徑為1.53 m. 同時(shí)，在考慮上述注漿滲透半徑及一般情況下注漿孔布置情況，設(shè)計(jì)大巷注漿孔排距為2 m，全斷面一共布置5個(gè)注漿孔。

3 注漿加固施工工藝

3.1 施工前準(zhǔn)備

1) 備齊施工時(shí)所需的工器具，形成施工地點(diǎn)所需要的風(fēng)、水管路、充填使用的攪拌桶和充填泵、開關(guān)、電纜等。

2) 充填設(shè)備。充填選用一臺(tái)2或3個(gè)注漿缸的充填泵，制漿采用兩臺(tái)攪拌桶，配套高壓管。

3) 將速凝注漿加固材料提前運(yùn)送至施工地點(diǎn)合適位置碼放整齊，并做好防潮保護(hù)措施以防結(jié)塊失效。

3.2 施工工藝

速凝注漿加固材料的兩種組份(先分別按水灰比0.3∶1、0.35∶1拌漿)以1∶1的比例，經(jīng)過雙回路泵和軟管輸送到使用地點(diǎn)。

3.3 使用方法

1) 使用前先按要求分別連接好泵的兩組份進(jìn)料管、循環(huán)管、出料管、混合槍及出料延長管和泵的進(jìn)氣管、攪拌桶的進(jìn)氣管等。

2) 檢查泵的進(jìn)氣壓力及氣源輸出量是否達(dá)到要求：壓縮空氣壓力為(0.5～0.7) MPa，氣源輸出量約為3 m3/min.

3) 在倒入注漿材料前，檢查攪拌桶內(nèi)是否干凈、攪拌是否正常，確認(rèn)完好后，用水試泵，檢查泵的兩組份混合桶的循環(huán)系統(tǒng)、管道及混合器和槍是否通暢，并測(cè)試比例是否正常。

4) 一切正常后，開啟混合槍上兩組份的進(jìn)料閥，開啟泵上兩組份的出料閥，關(guān)閉循環(huán)閥，開始正式施工。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

以破壞較為嚴(yán)重的軌道大巷補(bǔ)打錨索為例，軌道大巷掘進(jìn)寬為5.5 m，掘進(jìn)高4.15 m，原支護(hù)方案采用錨噴支護(hù)，錨噴厚為150 mm，錨桿直徑為20 mm，錨桿長2.4 m，錨索直徑為21.8 mm，長6.2 m，頂錨桿(索)間距1 500 mm，排距1 000 mm，幫錨桿間距900 mm，排距1 000 mm. 根據(jù)煤礦地質(zhì)條件及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出大巷補(bǔ)打錨索加固方案：每兩排錨桿頂板補(bǔ)打兩個(gè)錨索，兩幫分別補(bǔ)打兩根錨索，錨索排距為2 m. 結(jié)合注漿加固技術(shù)，在原軌道大巷支護(hù)基礎(chǔ)上對(duì)大巷進(jìn)行加固，其加固示意圖見圖1.

圖1 軌道大巷加固示意圖

錨注加固后，對(duì)大巷進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和為期150天的大巷圍巖變形觀測(cè)，其礦壓觀測(cè)結(jié)果見圖2.

圖2 錨注加固段大巷圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線圖

由圖2可知，在錨注加固60～80天后，軌道大巷圍巖變形都達(dá)到穩(wěn)定值，頂?shù)装搴蛶筒孔冃瘟糠謩e為104 mm、122 mm和174 mm. 總的來說，錨注加固后，隨著時(shí)間的延長，巷道圍巖變形不斷增大，但一定時(shí)間后，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定值，說明注漿加固后，大巷整體上承載能力有所提高，安全程度有所改善，能夠滿足大巷圍巖穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié) 論

根據(jù)端氏煤礦地質(zhì)條件及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已變形大巷提出錨注加固+補(bǔ)打錨索加固的方案。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用注漿和補(bǔ)打錨索聯(lián)合加固60～80天后，巷道變形基本達(dá)到穩(wěn)定，頂?shù)装搴蛶筒孔冃畏謩e減少約766 mm、398 mm、436 mm，大巷整體承載能力得到了提高，安全程度得到了改善，能夠滿足大巷圍巖穩(wěn)定性的要求。