基于新型注漿材料的巷道底鼓控制技術(shù)

曹璐

（晉城宏圣科威礦用材料有限公司，山西 晉城 048000）

0 前言

我國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó)，煤礦在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用[1,2]，2016年國(guó)家能源局發(fā)布“能源發(fā)展”十三五“規(guī)劃”明確指出至十三五末煤炭消耗量控制在41億t以內(nèi)，約占我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的58%以內(nèi)，可見未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主[3,4]。隨著我國(guó)煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不向深部開采，我國(guó)煤礦正以每年8～12 m的速度向下延伸。

隨著我國(guó)煤礦開采深度的逐漸增加以及工作面掘進(jìn)與回采中遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造[5]。在疊加應(yīng)力作用下巷道會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的巷道變形，其中尤以巷道底鼓最為嚴(yán)重，巷道底鼓發(fā)生后斷面收縮變小，嚴(yán)重影響通風(fēng)、行人以及運(yùn)輸安全。制約煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展[6]。

疊加應(yīng)力巷道底鼓的控制技術(shù)一直是動(dòng)壓巷道支護(hù)的重難點(diǎn)。我國(guó)眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[7-11]。主要通過(guò)分析巷道變形特征提出了巷道治理措施，實(shí)施技術(shù)措施后，巷道變形明顯得到控制，起到了非常好效果[12,13]。但對(duì)于向斜構(gòu)造區(qū)巷道疊加應(yīng)力影響下底鼓缺少研究，巷道受水平構(gòu)造集中應(yīng)力以及疊加應(yīng)力影響，其受力狀態(tài)是復(fù)雜多變的，采用以往單純的淺部注漿難以控制巷道變形，導(dǎo)致巷道變形控制失效[14,15]。本文以山西郭莊礦巷道為試驗(yàn)巷道，對(duì)其在疊加應(yīng)力影響下巷道底鼓進(jìn)行控制，并對(duì)其控制后巷道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 工程概況及破壞分析

1.1 工程概況

山西九鑫煤礦坐落于晉城境內(nèi)，礦井生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，主采3號(hào)煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可以開采，煤層平均厚度5.1 m。礦井共布置回風(fēng)大巷、軌道大巷、膠帶大巷3條巷道，基本上呈東西方向布置。其中，回風(fēng)大巷緊挨回采工作面，受采動(dòng)影響嚴(yán)重，導(dǎo)致回風(fēng)巷道圍巖破碎，同時(shí)，受向斜構(gòu)造的影響，回風(fēng)大巷嚴(yán)重變形，原碹體支護(hù)被嚴(yán)重破壞，變形嚴(yán)重，頂板下沉量大，管理困難。底板鼓起比較嚴(yán)重，整體底鼓達(dá)到1.8 m之大。需要對(duì)巷道進(jìn)行加固治理，保證巷道的正常使用。

1.2 破壞原因

當(dāng)巷道開挖之前應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，應(yīng)力分布均勻。當(dāng)巷道開挖后原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分析。當(dāng)巷道形成后不受采動(dòng)影響時(shí)，圍巖中的應(yīng)力均勻分布，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巷道一側(cè)受到工作面采動(dòng)影響后，距離工作面較近的巷道區(qū)域受到較大影響，在圍巖中形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到疊加應(yīng)力的影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來(lái)越明顯，應(yīng)力值也不斷增大，影響范圍也逐漸變大，導(dǎo)致回風(fēng)大巷圍巖發(fā)生破碎，同時(shí)，原砌碹支護(hù)設(shè)置屬于被動(dòng)支護(hù)，圍巖與碹體被分開，不能很好的融為一體，起不到支護(hù)的作用，由于被分開，兩者之間必然會(huì)產(chǎn)生空幫，造成碹體被破壞，支護(hù)失效，支護(hù)能力大大降低。為了保證工作面的正常使用，需對(duì)其進(jìn)行重新支護(hù)保證其回風(fēng)大巷正常使用。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 控制措施

采用砌碹技術(shù)很難控制住巷道變形，當(dāng)在砌碹的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿時(shí)，圍巖變形量明顯降低。砌碹支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，砌碹與圍巖不能很好的融為一個(gè)整體，不能夠提高圍巖的承載能力，圍巖破碎區(qū)范圍沒(méi)有減少。而在原有的砌碹支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿加固后，巷道圍巖裂隙充滿漿液形成一個(gè)整體，圍巖破碎區(qū)范圍明顯減少，漿液使得圍巖與碹體很好的結(jié)合在一起，圍巖破碎區(qū)范圍減少，使得碹體能夠承壓均勻，提高了碹體承載壓力的能力。而在極破碎區(qū)域采用注漿+錨桿、錨索支護(hù)后，圍巖變形量進(jìn)一步降低，很好的控制圍巖變形。因此，綜合該煤礦地質(zhì)條件，對(duì)巷道采用錨桿、錨索+注漿的技術(shù)措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制，對(duì)底板進(jìn)行卸壓槽進(jìn)行處理。

2.2 新型加固材料

新型注漿材料以硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰、石膏為原材料進(jìn)行配比，得出的最佳配比為，硫鋁酸鹽水泥熟料50份，石灰6.25份，石膏43.75份，其中硫鋁酸鹽水泥熟料為A液，石灰和石膏的混合液為B液。并添加相應(yīng)的緩凝劑、減水劑、增稠劑和速凝劑。得出最終的新型無(wú)機(jī)注漿加固材料配比[12]。

2.2.1 凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度

漿液抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間是注漿材料的基本性能，是保證注漿加固的主要條件，其抗壓強(qiáng)度與凝結(jié)時(shí)間如圖1所示。

由圖1可知，隨著水灰比的變大，漿液的凝結(jié)時(shí)間逐漸增大，在0.8∶1之前，漿液凝結(jié)時(shí)間增速緩慢，當(dāng)水灰比大于0.8∶1時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間增速明顯提高，其漿液凝結(jié)時(shí)間區(qū)間較大，能夠適應(yīng)破碎圍巖深、淺部注漿時(shí)間的要求。隨著水灰比的不斷增大，漿液的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，在0.5∶1時(shí)漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到16 MPa以上，當(dāng)水灰比增加到0.9∶1時(shí)，漿液的抗壓強(qiáng)度保持在較高水平12 MPa，基本上能夠滿足圍巖加固的要求。

圖1 不同水灰比下漿液凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度

2.2.2 結(jié)石體干縮率和泌水率

漿液結(jié)石體干縮率和泌水率是保證漿液結(jié)石體具有較好的穩(wěn)定性，低漿液結(jié)石體干縮率和泌水率能夠有效控制圍巖穩(wěn)定，不同水灰比下漿液結(jié)石體干縮率和泌水率如圖2所示。

圖2 不同水灰比下漿液干縮率和泌水率

由圖2可知，漿液干縮率隨水灰比的增大而減少，2 h時(shí)漿液干縮率明顯小于4 h，漿液的干縮率不但與水灰比有關(guān)，還與時(shí)間存在一定關(guān)系，漿液最大干縮率小于5%，能夠很好的保證漿液的穩(wěn)定性；隨著漿液的不斷變大漿液泌水率不斷增大，在水灰比0.8∶1之前，漿液泌水率增加緩慢，當(dāng)水灰比大于0.8∶1時(shí)，漿液泌水率增速變大，當(dāng)水灰比2.0∶1時(shí)達(dá)到了區(qū)間最大值，但其泌水率小于5 %，泌水率較小，能夠很好的保證漿液的穩(wěn)定性。

2.2.3 反應(yīng)溫度

當(dāng)新型材料的雙液進(jìn)行混合后，漿液發(fā)生化學(xué)、生物反應(yīng)，必然產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，容易引起火災(zāi)事故，國(guó)家煤礦安監(jiān)局“煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法（試行）”明確指出，煤巖體加固、充填密閉、噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料各液態(tài)組分的閃點(diǎn)應(yīng)高于100℃，因此，對(duì)其反應(yīng)溫度進(jìn)行分析，反應(yīng)溫度如圖3所示。

圖3 不同水灰比下漿液反應(yīng)溫度曲線

由不同水灰比下漿液反應(yīng)溫度曲線可知，漿液混合后，漿液迅速發(fā)生化學(xué)生物反應(yīng)，產(chǎn)生大量的水化熱，溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，同時(shí)，隨著漿液水灰比的逐漸增大，漿液反應(yīng)溫度不斷降低，當(dāng)水灰比為0.5∶1時(shí)，產(chǎn)生的熱度最高，為55℃。相較于傳統(tǒng)的化學(xué)漿液反應(yīng)溫度，該新型材料的反應(yīng)溫度較低，采用該材料直接對(duì)煤巖體進(jìn)行加固，不會(huì)發(fā)生漿液產(chǎn)生的大量熱導(dǎo)致煤體自燃。

2.3 注漿參數(shù)

巷道2 200 mm范圍內(nèi)圍巖破碎極其嚴(yán)重，圍巖裂隙發(fā)育度較高，裂隙開度較大，該部分破碎圍巖需要通過(guò)凝結(jié)時(shí)間較短的漿液，在短時(shí)間凝結(jié)，防止?jié){液沿著裂隙由圍巖表面漏出，形成的止?jié){層也為深部注漿提供了技術(shù)支持。在2 200 mm范圍內(nèi)選用水灰比為0.8∶1的漿液，配合注漿壓力1～1.5 MPa進(jìn)行注漿，對(duì)于深部注漿，需要漿液得到有效擴(kuò)散，同時(shí)需要保證漿液的抗壓強(qiáng)度，采用水灰比為1.1∶1的漿液，同時(shí)配合注漿壓力為4.5～5 MPa的注漿壓力進(jìn)行注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力以及注漿流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，停止注漿[13]。

3 效果檢驗(yàn)

3.1 注漿效果檢驗(yàn)

對(duì)注漿前后圍巖進(jìn)行分段注水實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，該系統(tǒng)為雙栓塞注水裝置如圖4所示[3]。

圖4 分段注水系統(tǒng)特征

其測(cè)試原理是工作面注漿前裂隙處于發(fā)育狀態(tài)，而當(dāng)注漿后裂隙被漿液填充，裂隙發(fā)育程度下降，鉆孔漏失量降低，通過(guò)對(duì)比注漿前后鉆孔漏失量對(duì)比漿液加固圍巖裂隙的效果，測(cè)試開始前先對(duì)分段注水裝置密閉性進(jìn)行測(cè)試，對(duì)封閉膠囊加壓，看壓力表，若壓力表在半小時(shí)內(nèi)沒(méi)有降低，則說(shuō)明該系統(tǒng)密閉效果符合要求，測(cè)試開始后，采用5 MPa的膠囊封堵壓力，采用1 MPa的壓力對(duì)測(cè)試段進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試長(zhǎng)度選擇為1 m，每段測(cè)試15 min，每5 min鐘讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，讀取3次數(shù)據(jù)，最后取平均值，得出數(shù)據(jù)見表1。

表1 分段注水試驗(yàn)對(duì)比

由分段注水試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知，巷道圍巖注漿前，圍巖鉆孔漏失量基本在200 L以下，當(dāng)對(duì)巷道圍巖注漿后，圍巖鉆孔漏失量保持在45 L以下，注漿后的鉆孔漏失量降低到注漿前的0.22，說(shuō)明注漿后，漿液結(jié)石體將破碎圍巖凝結(jié)形成一個(gè)完成的整體，巷道圍巖裂隙發(fā)育度大大降低，鉆孔漏失量減少，新型注漿材料對(duì)于破碎圍巖的加固具有一定的效果。

3.2 巷道變形監(jiān)測(cè)

巷道注漿加固后采用十字交叉法對(duì)巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14,15]，十字交叉法測(cè)試原理是在巷道圍巖以及頂?shù)装宸謩e安裝測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)處打入鉚釘，并連接上測(cè)試線，當(dāng)進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候連接兩點(diǎn)，測(cè)試兩點(diǎn)之間的距離讀取數(shù)據(jù)，采用十字交叉法得出的巷道變形曲線如圖5所示。

圖5 巷道變形量

巷道注漿治理后兩幫移近量為59 mm，底鼓量為46 mm，巷道位移量很小，不影響巷道的正常使用，均得到有效控制，注漿加固后破碎圍巖在漿液的固結(jié)作用下形成一個(gè)整體，使得治理中的錨桿發(fā)揮了作用，有效的控制了巷道的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

1）巷道發(fā)生變形是由于工作面采動(dòng)影響后，在圍巖中形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，受到疊加應(yīng)力的影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來(lái)越明顯，應(yīng)力值也不斷增大，影響范圍也逐漸變大，導(dǎo)致回風(fēng)大巷圍巖發(fā)生破碎。

2）新型注漿加固材料為雙液注漿材料，一種單液為硫鋁酸鹽水泥50份，另一種為石膏和石灰混合料，其含量分別是43.75份和6.25份；結(jié)石體干縮率和泌水率小，漿液具有很好的穩(wěn)定性；固結(jié)煤8 h強(qiáng)度可達(dá)13.1 MPa。

3）巷道治理后兩幫移近量和底鼓量分別是59 mm和46 mm，有效控制了巷道的變形。