特大斷面硐室注射新型地質(zhì)聚合物加強支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

李壘 LI Lei

（中煤第一建設(shè)有限公司第四十九工程處，邯鄲 056000）

0 引言

潞安化工集團有限公司王莊煤礦是一座年生產(chǎn)能力700萬噸以上的特級高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井。礦井采用立井、斜井多水平分區(qū)式開拓、上下山開采的方式。提升副立井兼作進(jìn)風(fēng)井，凈直徑7.0m，該項目的開采范圍地處山西省東南部，長治市西北10km，位于潞安礦區(qū)中段，王莊井田南部，安昌斷層與二崗山北斷層之間，東鄰漳澤水庫，西部與規(guī)劃的古城煤礦相鄰。東西寬約4km，南北長約7km，總面積26km。

圖1 井下?lián)Q裝站斷面圖

王莊煤礦+540水平延深井下?lián)Q裝站主要用途為起吊、組裝大采高支架及其維護(hù)，巷道設(shè)計總長度約619.275m，主體硐室掘進(jìn)斷面為95.37m，掘進(jìn)高度9.86m，掘進(jìn)寬度8.9m，屬于特大斷面硐室。錨網(wǎng)索噴支護(hù)工藝是目前應(yīng)用比較成熟，普遍用于該礦井下巷道支護(hù)的一種支護(hù)工藝，但是對于井下?lián)Q裝站這種地質(zhì)問題比較復(fù)雜、高地應(yīng)力、圍巖破碎等惡劣環(huán)境中進(jìn)行的特大斷面硐室掘進(jìn)巷道，單一的錨網(wǎng)索噴支護(hù)，已經(jīng)無法滿足支護(hù)要求，施工的巷道出現(xiàn)明顯下沉，局部出現(xiàn)噴漿層開裂，影響了巷道整體的安全穩(wěn)定。

為了攻克這一難題，我們依托科學(xué)理論為指導(dǎo)，經(jīng)過現(xiàn)場實際反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)向巖體內(nèi)注射由河南理工大開發(fā)研制的一種新型地質(zhì)聚合物能夠很好地起到加強支護(hù)的作用，通過向已經(jīng)錨網(wǎng)索噴支護(hù)完的巷道巖體內(nèi)注射新型地質(zhì)聚合物，既能夠高效發(fā)揮出錨網(wǎng)索噴支護(hù)的作用，又能提高圍巖自身的強度。因此，研究在地質(zhì)條件比較惡劣的環(huán)境中，施工巷道斷面特別大的單位工程，如何加強巷道支護(hù)保證巷道的穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。

1 施工工藝技術(shù)特點

①傳統(tǒng)加強巷道支護(hù)強度的辦法，普遍是采用縮小錨桿、錨索的間排距；采用強度級別更高的錨桿、錨索；增加噴漿層的厚度，這些方法不但增加了巷道造價成本，延長了施工工期，而且在這種地應(yīng)力比較高、圍巖破碎的特大斷面巷道內(nèi)，對增加巷道的支護(hù)強度，效果不是很好，加固完的巷道依然很快出現(xiàn)不同程度的噴漿層開裂和頂板下沉。

②圍巖注射新型地質(zhì)聚合物加固是一種改善圍巖結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)，提高圍巖整體性和自身承載能力、降低支護(hù)成本、提高支護(hù)效果的有效方法，是利用聚合物把圍巖的各種弱面充實、重新膠結(jié)起來，改善圍巖的物理力學(xué)性能，增強圍巖自身承載能力，從而提高圍巖整體穩(wěn)定性和力學(xué)性能。圍巖注射地質(zhì)聚合物加固與錨桿支護(hù)相結(jié)合，不僅改善圍巖巖性和應(yīng)力分布，而且提高圍巖承載力、大大減小巷道圍巖變形，顯著改善巷道維護(hù)狀況。

2 工藝原理

①注射地質(zhì)聚合物固化時，地質(zhì)聚合物漿液在泵壓的作用下，除了將一些較大的裂隙充填滿，還可以將一些充填不到的封閉裂隙和小裂隙壓縮，甚至使其閉合，使松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高了巖體強度，可以實現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。

②地質(zhì)聚合物對裂隙面的粘結(jié)作用，使裂隙端部的應(yīng)力集中大大削弱或消失，從而使巷道圍巖的破壞機制發(fā)生轉(zhuǎn)變，與原巖形成一個整體，從而在大構(gòu)造應(yīng)力下保持穩(wěn)定而不易產(chǎn)生破壞。

③對錨網(wǎng)索噴支護(hù)過的巷道，注射新型地質(zhì)聚合物，可以配合錨桿、錨索形成一個多層有效的組合拱，擴大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝過程

打眼———注漿管纏麻———安裝注漿管和閥門———用高壓膠管連接注射槍和注漿泵———將1根吸管插入裝有地質(zhì)聚合物的桶內(nèi)———開泵注漿———沖洗機具———停泵— —拆卸注射槍。

3.2 具體的施工步驟

①打眼下管，按設(shè)計鉆孔位置、參數(shù)和規(guī)定順序打注漿孔。采用Y27風(fēng)鉆造孔，鉆孔直徑Φ42mm，孔深：淺孔3m；深孔8m，打眼角度應(yīng)垂直于巷道輪廓線。打眼間排距均按2m×2m，淺孔注漿完畢后再按淺孔注漿順序進(jìn)行深孔注漿，深孔和淺孔采用三花布置（圖2）；打眼時，根據(jù)眼部高度作業(yè)人員分別站在地坪及事先用腳手架和木板等材料搭設(shè)工作臺上施工鉆眼，打好眼后，準(zhǔn)備下注漿鋼管。采用1.2寸無縫鋼管加工的魚鱗管做注漿管，注漿管口焊50mm長1寸帶絲扣管，絲扣上安裝1.5寸高壓閥門，向已打好的眼內(nèi)裝設(shè)注漿鋼管，安裝封孔器。作用是封堵眼口，安裝注漿閥門。防止注入的注漿材料溢出，造成漏液。用高壓膠管連接好注射槍和注漿泵，將連接泵的吸管插入攪拌好的注漿材料桶內(nèi)，然后準(zhǔn)備注漿。

圖2 注漿孔三花布置圖

②注漿人員連接注漿泵壓風(fēng)及注漿管路，開壓風(fēng)運轉(zhuǎn)注漿泵；開啟攪拌機觀察其運轉(zhuǎn)是否正常；運料工將注漿材料運至攪拌機附近。

③注漿系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)并確認(rèn)正常后，配料工將注漿材料按比例加入攪拌桶攪拌。

④將注漿管路與封孔器管連接，將封孔器停留在離孔口1m位置，將注漿管和注漿泵連接，開動注漿泵，封孔器封住注漿孔，開始注漿。待注漿壓力或注漿量達(dá)到設(shè)計結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)閉壓風(fēng)停泵。結(jié)束單孔注漿。

⑤在攪拌機中加入清水，開啟注漿泵進(jìn)行洗泵，至注漿管流出為清水時停止。

4 施工參數(shù)

①注漿參數(shù)：配比。水灰比為0.6:1。即3壺（10L）水，2袋（25kg）注漿料，2瓶（斤）灰色添加劑，0.25瓶（0.125kg）透明添加劑。注漿壓力為3-5MPa。

②注漿孔深度及間距：淺孔3m，深孔8m；淺、深注漿孔間排距分別為2m；注漿孔直徑45mm，用?42鉆頭打設(shè)。

③注漿管規(guī)格及長度：1.2寸無縫鋼管加工的魚鱗管，長度1.9m。

④封孔要求。麻繩浸蘸攪拌好的注漿料，纏繞孔口管密實；麻繩纏繞孔口管2道，淺部0.3-0.5m，深部0.8-1.2m。

⑤漿量的估計：根據(jù)注漿段工作面頂板的現(xiàn)場破壞情況定。

⑥單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：1）達(dá)到設(shè)計注漿壓力，并穩(wěn)壓十分鐘以上。2）雖未達(dá)到注漿壓力，但從周邊巖體竄漿，打木楔封堵漏液。3）注漿過程中發(fā)現(xiàn)異常情況，及時停泵處理。

表1 施工設(shè)備、材料明細(xì)表

圖3 ZSY80雙液注漿泵結(jié)構(gòu)示意圖

5 質(zhì)量要求

執(zhí)行《煤礦井巷工程質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)》、《煤礦井巷工程施工規(guī)范》外，在施工中還應(yīng)注意以下幾點：

①現(xiàn)場要有專人嚴(yán)格監(jiān)督，是否按照正確注漿順序進(jìn)行施工，必須先注射淺孔，進(jìn)行封堵，再按淺孔注射順序進(jìn)行深孔注射充填。②注漿壓力要達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)壓十分鐘后在進(jìn)行注漿，以達(dá)到注漿的預(yù)期效果。

6 安全、環(huán)保施工技術(shù)措施

①打點柱支護(hù)要牢固，下方用50mm厚×300mm寬×500mm長的木板墊底，上方用大頭木楔背實，點柱要垂直打設(shè)。

②作業(yè)前及作業(yè)過程中，要嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂制度，隨時用長柄工具將活矸處理掉，確保作業(yè)環(huán)境安全。

③打眼時如需要工作臺，要事先利用大板、腳手架等材料搭設(shè)可靠的工作臺，腳手架扣件必須上緊，確保牢固，大板用8#鐵絲雙股捆綁在腳手架上。腳手架后必須加支撐桿，并固定牢固。

④搭設(shè)腳手架時，腳手架下要固定在實底或用道木給腳手架穿鞋，不得直接將腳手架架在虛矸上。

⑤所有工作人員在工作臺上作業(yè)時，必須佩戴保險帶，保險帶生根在安全可靠位置。

⑥打眼時，嚴(yán)禁其他人員站立在釬桿兩側(cè)，以防斷釬傷人。

⑦打眼前、搭設(shè)工作臺前要先對開裂頂板進(jìn)行敲幫問道，在保證頂板安全的情況下進(jìn)行作業(yè)。

⑧作業(yè)過程中，必須設(shè)專人監(jiān)護(hù)幫部和頂板情況，并保證退路暢通，發(fā)現(xiàn)問題必須及時處理后方可繼續(xù)作業(yè)。

⑨作業(yè)點20m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%時，必須停止打眼，當(dāng)瓦斯?jié)舛认陆档?.8%以下時，方可繼續(xù)打眼。

⑩所用電纜及風(fēng)帶的敷設(shè)，必須掛設(shè)支護(hù)可靠地點，防止碰壞或砸壞。

?作業(yè)人員必須嚴(yán)格按要求使用氣泵，服從師傅指揮，搞好現(xiàn)場互聯(lián)保和個體行為自保，整個作業(yè)過程必須設(shè)專人監(jiān)護(hù)。

?打眼和注漿不得同時作業(yè)，防止互相影響。

?注漿壓力控制在3-5MPa。

?注漿壓力要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，防止壓力過大造成頂板破壞。

?點柱不但能起到支撐作用，也可起到信號作用（即現(xiàn)場施工人員在注漿時要及時觀察點柱支撐情況，如有頂板下沉壓力過大等危險情況時要及時撤出人員，報告相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及時采取措施，防止事故發(fā)生）。

?注漿開始后，非作業(yè)人員全部撤離作業(yè)地點。

?專用氣泵應(yīng)固定牢靠，防止因震動滑倒傷人或損壞設(shè)備。需要移動氣泵時，首先清理抬運路線，由一人專門托運風(fēng)帶，其他人負(fù)責(zé)運氣泵，一名班組長現(xiàn)場監(jiān)護(hù)指揮，確保抬運安全。

?卸壓作業(yè)程序：先停泵-打開卸壓閥-拔開高壓管。

?打眼間距在2m以內(nèi)眼位不許提前打設(shè)。

?注漿過程中，負(fù)責(zé)觀察漏漿人員應(yīng)密切關(guān)注頂板變化情況，發(fā)現(xiàn)頂板異?；螯c柱急劇變形應(yīng)及時撤離，并通知停止注漿。負(fù)責(zé)觀察漏漿人員以1-2人為宜，其余工作人員應(yīng)站在警戒區(qū)域以外。

?深孔注漿完成后，注漿施工要緩慢推進(jìn)。由于地質(zhì)聚合物完全凝固并達(dá)到強度需要1-2天時間，因此注漿推進(jìn)循環(huán)時間須確保2天以上。嚴(yán)禁未注漿區(qū)域站人或從事任何作業(yè)。

?施工過程中如遇錨桿、錨索失效情況，要及時補打錨桿、錨索并及時預(yù)緊達(dá)設(shè)計要求。

?補打錨桿、錨索前要先檢查巷道規(guī)格，如規(guī)格不夠要先進(jìn)行處理達(dá)設(shè)計要求后再補打錨桿、錨索。

?準(zhǔn)備好防護(hù)用品：塑膠手套3套、清水等。備料和開泵人員戴好塑膠手套，作好勞動保護(hù)。

?作業(yè)過程中，人員必須愛護(hù)設(shè)備，不得隨意浪費材料。

?注漿時，電纜、管路要用破風(fēng)筒布保護(hù)起來。防止注漿液粘著在上面。

?注漿過程中必須詳細(xì)觀察注漿孔周圍漏漿情況，發(fā)現(xiàn)漏漿嚴(yán)重時，可停泵2-3分鐘后再注漿，也可換孔注漿。

?每次停泵時間超過5分鐘時，必須及時用清水將注漿泵及管路清洗干凈。

?施工用材料要分類堆放整齊、標(biāo)識清楚。

?作業(yè)完畢，作業(yè)人員必須清理好現(xiàn)場，保證巷道文明生產(chǎn)。

7 效益分析

注射新型地質(zhì)聚合物加強巷道支護(hù)強度，避免了更改錨網(wǎng)索噴支護(hù)的參數(shù)，節(jié)省了所用錨桿、錨索的數(shù)量以及噴漿的方量，大大節(jié)省了打設(shè)錨桿、錨索的施工時間和噴射混凝土的時間，提高了施工速度，降低了生產(chǎn)成本，減少了設(shè)備的租賃費用和人工費用；同時在社會上的影響增大，提高了企業(yè)在工程項目投標(biāo)的競爭力量。而且鋼材本身就是一種消耗不可再生資源的成品，注射新型地質(zhì)聚合物，可以避免消耗更多的鋼材，這符合國家關(guān)于建筑節(jié)能工程的有關(guān)要求。

8 結(jié)束語

特大斷面硐室注射新型地質(zhì)聚合物加強支護(hù)技術(shù)，在山西省王莊煤礦+540m水平延深井下?lián)Q裝站巷中成功應(yīng)用。2019年08月井下?lián)Q裝站開始施工于2020年06月完成最大斷面支架換裝硐室的掘進(jìn)支護(hù)工程，支架換裝硐室斷面形式為直墻半圓拱，巷道設(shè)計總長度約619.275m，主體硐室掘進(jìn)斷面為95.37m，通過向已經(jīng)錨網(wǎng)索噴支護(hù)過的硐室巷道內(nèi)注射新型地質(zhì)聚合物，巷道的穩(wěn)定性得到很大改善，通過技術(shù)人員利用科學(xué)的觀測法進(jìn)行了實際觀測，觀測結(jié)果證明在一定時間內(nèi)硐室巷道頂幫沒有再出現(xiàn)噴漿層開裂，頂板繼續(xù)下沉現(xiàn)象。

綜上所述，在特大斷面硐室巷道內(nèi)注射新型地質(zhì)聚合物，能夠?qū)崿F(xiàn)加強巷道支護(hù)的目的，保證巷道整體的穩(wěn)定性。因此該工法在同行業(yè)中具有廣泛推廣和應(yīng)用的價值。