復(fù)合破碎頂板巷道圍巖注漿加固技術(shù)實(shí)踐

白 偉

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司,陜西 渭南 715400)

0 引言

在礦山建設(shè)中,輔助運(yùn)輸系統(tǒng)巷道服務(wù)年限長(zhǎng)久,巷道長(zhǎng)期受壓變形嚴(yán)重,加之風(fēng)化及水濕侵襲圍巖表面需要反復(fù)修繕保護(hù),輔運(yùn)大巷復(fù)修過(guò)程中,復(fù)合頂板變形嚴(yán)重,補(bǔ)打支護(hù)過(guò)程易發(fā)生冒頂事故。因此,巷道復(fù)修具有很大的危險(xiǎn)性,也一直是安全工作研究的重點(diǎn)[1-3]。對(duì)于井巷復(fù)修雖然取得了一些成功經(jīng)驗(yàn),但施工頻繁且工期較長(zhǎng),嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)接續(xù),需要研究安全快速巷修新技術(shù),在保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,盡可能縮短施工時(shí)間,提高施工效率,對(duì)于礦區(qū)建設(shè)及快速維修技術(shù)的突破與發(fā)展,都具有十分重要的意義[4-5]。

在松軟破碎構(gòu)造圍巖中掘進(jìn)巷道時(shí),巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)打破松軟破碎圍巖體原有弱面非連續(xù)介質(zhì)的平衡狀態(tài),此時(shí)巷道圍巖便會(huì)發(fā)生變形,釋放大量的能量,進(jìn)而使得巷道圍巖中原本存在的圍巖弱面進(jìn)一步擴(kuò)展,產(chǎn)生新的裂隙[6]。松軟破碎圍巖體在動(dòng)壓擾動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)膨脹、破碎、松軟和大變形的現(xiàn)象,此時(shí)若不采取合適的支護(hù)手段,會(huì)使得巷道圍巖的變形更為劇烈,支護(hù)困難,可能會(huì)致使巷道在變形破壞后無(wú)法正常使用[7]。熊祖強(qiáng)等[8]結(jié)合研制的無(wú)機(jī)注漿材料結(jié)合層次分區(qū)注漿加固技術(shù)得到淺部止?jié){層加固注漿的良好效果。徐香慶等[9]通過(guò)研制新型注漿材料對(duì)松軟破碎圍巖進(jìn)行有效加固,保證了巷道的穩(wěn)定性。馮志強(qiáng)等[10]通過(guò)硅酸鹽對(duì)傳統(tǒng)注漿材料進(jìn)行改性研究,改進(jìn)了材料本身自燃的安全性能缺點(diǎn)同時(shí)增強(qiáng)了加固的物理特性。孫健等[11]定量分析工作面注漿加固后煤體彈性模量的提高對(duì)頂板沉降量的影響,得出工作面頂板沉降計(jì)算公式,分析得到煤體強(qiáng)度最適條件下采煤速率。吳懷國(guó)[12]對(duì)比了硅酸鹽改性聚氨酯加固材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料反應(yīng)時(shí)的溫度變化情況,并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

基于上述特征,針對(duì)松軟破碎構(gòu)造圍巖一種常用的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式為注漿加固,通過(guò)注漿加固有效的改善破碎圍巖的結(jié)構(gòu)和性能,整體提升破碎圍巖段的承載能力[13]。注漿加固時(shí),漿液在注漿壓力作用下進(jìn)入破碎圍巖內(nèi),會(huì)充填膠結(jié)圍巖內(nèi)部裂隙,提升圍巖體的整體性。注漿加固是通過(guò)提升圍巖自身的承載能力作為技術(shù)途徑,達(dá)到改善圍巖維護(hù)狀態(tài)的目的。象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷在掘成后使用至今約一年,在井底車(chē)場(chǎng)風(fēng)門(mén)后300m的范圍內(nèi),巷道來(lái)壓出現(xiàn)頂板下沉、錨網(wǎng)斷裂、漿皮脫落現(xiàn)象,礦方已經(jīng)補(bǔ)打加強(qiáng)錨索噴漿進(jìn)行支護(hù),但該區(qū)域變形仍然嚴(yán)重。根據(jù)分析,該巷道頂?shù)装逑鲁林饕上锏莱袎?、頂板破碎不完整?dǎo)致;該區(qū)域錨索施工密度較高,為了更好地治理頂板,特聯(lián)合渭南陜煤?jiǎn)⒊娇萍加邢薰狙邪l(fā)煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料SCPJG-2進(jìn)行注漿加固處理,注漿加固將該區(qū)域頂板連成整體,以提高其頂板抗壓強(qiáng)度,緩解頂板下沉情況。

1 項(xiàng)目概況

象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷采用圓弧拱型斷面,沿5號(hào)煤層直接頂破頂1.45 m施工,掘進(jìn)斷面21.6 m2,掘進(jìn)寬度5.5 m,掘進(jìn)高度4.45 m。南一輔助運(yùn)輸大巷井底車(chē)場(chǎng)位于南一下山采區(qū)東部,巷道南部以43 m煤柱與巷道東部21503綜采工作面采空區(qū)相鄰,西部以30 m煤柱與南一3號(hào)煤層回風(fēng)大巷相鄰。巷道北部對(duì)應(yīng)上方為李家溝村東部,巷道中部對(duì)應(yīng)上方為沙子廟村東部,巷道南部對(duì)應(yīng)上方為楊家圪嶗村西部,其余地區(qū)為山梁、溝谷、階地,無(wú)其他水體、建筑。

該地區(qū)5號(hào)煤層為半亮型煤,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸1～2層,夾矸巖性為泥巖,厚度為0.1～0.4 m,平均厚0.2 m。煤層厚度變化較大,5-1煤層含夾矸厚度1.0～3.2 m。5-1煤層底板厚度1.0～2.0 m。5-2煤層厚度0.6～1.2 m,局部含夾矸。煤層強(qiáng)度系數(shù)0.5～1.0。

偽頂為泥巖,黑色泥巖,塊狀破碎,厚度1.5 m,沉積不穩(wěn)定。巷道頂板為5號(hào)煤層直接頂,巖性變化較大;巷道南部、北部為淺灰色,中厚層狀細(xì)砂巖或中砂巖,厚度5.5～12.0 m;巷道中部、中偏南部為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,厚度1.5～8.0 m。直接頂頂板劃分為1b類(lèi),為中等穩(wěn)定型,基本頂穩(wěn)定性為中等穩(wěn)定,分類(lèi)為Ⅰ級(jí)。

5號(hào)煤層直接底,巖性為淺灰色中細(xì)砂巖,中厚層狀、泥質(zhì)膠結(jié),厚1.2～7.1 m。底板分類(lèi)為Ⅰ類(lèi),屬級(jí)軟類(lèi)型底板。

2 注漿材料及設(shè)備性能

2.1 注漿加固原理

注漿加固圍巖體是采用特殊漿液將圍巖內(nèi)部的脆弱部分,通過(guò)漿液的化學(xué)特性改變圍巖體的物理特征,利用膠結(jié)作用重新分布圍巖體內(nèi)的脆弱部分,將此部分重新排列整合為一個(gè)完整的高強(qiáng)度圍巖體,這樣的重新膠結(jié)排列使得圍巖體的整體性和其本身物理力學(xué)特性得到大大改善。試驗(yàn)表明,注漿加固圍巖體是一種高效提高圍巖體自身承載力的最切實(shí)有效的技術(shù)方法,此種方法可以有效避免支護(hù)失效現(xiàn)象的產(chǎn)生,有利于礦井安全生產(chǎn)。

2.2 注漿材料

注漿加固層位為破碎圍巖,由于破碎圍巖松軟低滲的特點(diǎn),需要材料滲透性好,與巖石粘結(jié)性強(qiáng),加固材料強(qiáng)度要高,綜合考慮本次注漿使用渭南陜煤?jiǎn)⒊娇萍加邢薰旧a(chǎn)的雙采煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料(SCPJG-2)。煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料SCPJG-2是由特殊的2種組分組合的材料產(chǎn)品,A組分特殊材料產(chǎn)品通過(guò)化學(xué)攪拌芯與B組分特殊材料產(chǎn)品迅速攪拌反應(yīng),產(chǎn)生強(qiáng)度高的聚合物體。此種聚合物粘結(jié)力較強(qiáng),聚合物通過(guò)吸附于煤巖體上產(chǎn)生耐高壓,抗剪切力和抗沖擊力,對(duì)強(qiáng)酸強(qiáng)堿具有高效的免疫力。聚合物具有較高的流動(dòng)性,易滲入煤巖體內(nèi)部,具有防水發(fā)泡特征,對(duì)煤巖體內(nèi)部的細(xì)小裂隙具有較好的填充性能。聚合物材料不揮發(fā)有毒有害氣體,具有很強(qiáng)的環(huán)保特性。特殊組分材料按照1∶1的體積比通過(guò)雙液注漿裝置經(jīng)過(guò)化學(xué)攪拌芯混合攪拌均勻后經(jīng)過(guò)注漿管注入煤巖體中。煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料性能效果如圖1所示。

圖1 材料加固效果示意

2.3 注漿設(shè)備

注漿加固設(shè)備采用ZZQ-0.9/5型氣動(dòng)注漿裝置,雙液注漿裝置注漿原理如圖2所示。供風(fēng)壓力不小于0.5 MPa,供風(fēng)氣量不小于4 m3/min。選用4′鋼管做注漿管,花管每根長(zhǎng)2 m,實(shí)管長(zhǎng)2 m?；旌掀魇褂萌ㄐ吞?hào)的人字混合器?？拐鹉蛪毫Ρ硎褂?60 Kgf/cm2(16 MPa)規(guī)格,型號(hào)為YK-1的壓力表。高壓膠管使用D=13 mm的雙層鋼絲膠管,耐壓值為5 MPa,進(jìn)風(fēng)管采用高壓膠管。

圖2 雙液注漿裝置注漿原理示意

3 注漿加固施工設(shè)計(jì)

3.1 漿液的擴(kuò)散半徑

根據(jù)其他礦山注漿經(jīng)驗(yàn),煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料在“三軟”煤層中的擴(kuò)散半徑一般為1.5～2.0 m(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整)。

3.2 鉆孔布置

根據(jù)大巷頂板變形情況,本次試驗(yàn)為30 m。本次注漿采用打孔注漿的方式,根據(jù)象山南一5號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷注漿經(jīng)驗(yàn),煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料的擴(kuò)散半徑一般為2～3 m,因此設(shè)計(jì)鉆孔排距約為3 m,每排布置3個(gè)鉆孔,鉆孔間距為2 m。設(shè)計(jì)注漿鉆孔直徑為42 mm,鉆孔深度6 m,注漿管采用4′鋼管,注漿管長(zhǎng)度4 m,孔口處2 m注漿管為實(shí)管,孔內(nèi)2 m注漿管為花管。封孔采用封孔器封孔。巷道注漿鉆孔布置如圖3所示,封孔示意如圖4所示。

圖3 南一輔助運(yùn)輸大巷頂板注漿加固方案示意

圖4 注漿管及封孔示意

為保證實(shí)際注漿效果,達(dá)到穩(wěn)定巷道的作用,預(yù)注漿單孔注漿量約為500 kg,累計(jì)施工鉆孔30個(gè),共計(jì)15 t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,施工地點(diǎn)供風(fēng)能力不低于3 m3/min,供風(fēng)壓力不小于0.5 MPa,注漿壓力不小于10 MPa?；瘜W(xué)漿液的注漿歷時(shí)主要取決于不同類(lèi)型材料的膠凝時(shí)間。從目前現(xiàn)有的注漿材料特性及現(xiàn)場(chǎng)注漿經(jīng)驗(yàn)積累來(lái)看,從開(kāi)始注漿到漿液完全擴(kuò)散或滲透到被注載體中所需要的時(shí)間為一般為10～20 min。

3.3 注漿順序

根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)作業(yè)條件期間環(huán)境變化來(lái)設(shè)計(jì)注漿孔的注漿順序。在注漿期間隨時(shí)觀察注漿孔的流漿量,動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿方式,對(duì)于一些圍巖體裂隙較為發(fā)育的注漿孔,依據(jù)流漿量可以臨時(shí)采用間隔跳躍的注漿形式,避免漿液流串影響注漿效果,提高均孔的注漿量;采用先外圍注漿再對(duì)內(nèi)圈注漿來(lái)加固面積較大的區(qū)域;使用深孔+淺孔配合的方式對(duì)較為破碎的圍巖區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿效果較好;一般在圍巖體較為發(fā)育的區(qū)域,先使用淺孔注漿,利用漿液的擴(kuò)散效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)“止?jié){幕”,杜絕漏漿嚴(yán)重的現(xiàn)象產(chǎn)生,再向較深部注漿,形成新的更深的“止?jié){幕”層層累加對(duì)深部圍巖體進(jìn)行加固,保證漿液逐步擴(kuò)散到設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)的圍巖體裂隙中,達(dá)到整體加固的效果。

4 效果性評(píng)價(jià)

圖5為巷道頂板注漿擴(kuò)散效果示意,可見(jiàn)擴(kuò)散后的漿液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)作用后將圍巖體與支護(hù)頂板的錨桿粘合為一個(gè)整體,提高了圍巖體的完整性,提高了巷道頂板的穩(wěn)定性,為未施工區(qū)域加強(qiáng)錨桿施工提供了較為穩(wěn)定的錨固環(huán)境,可以較好地管理巷道頂板。圖6中圓圈所示注漿加固的漿液充滿(mǎn)破碎圍巖內(nèi)的裂隙通道,使得圍巖破碎范圍大大降低,增強(qiáng)了圍巖的整體穩(wěn)定性。符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求下的巷道成型輪廓,減少因施工產(chǎn)生的浮矸、落矸量,縮短處理矸石的時(shí)間,降低循環(huán)維修周期,提高維修效率和施工速度。

圖5 巷道頂板注漿擴(kuò)散效果示意

圖6 注漿加固圍巖后效果示意

5 結(jié)語(yǔ)

注漿對(duì)裂隙巖體膠結(jié)加固的本質(zhì)是通過(guò)漿液擴(kuò)散沉積形成固結(jié)體充填破碎巖體的裂隙,改善巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性。同時(shí),膠結(jié)作用的發(fā)揮提高了裂隙巖體的抗剪切能力,增加了整體的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)踐表明,將注漿加固機(jī)制與巖體錨固機(jī)制結(jié)合起來(lái),可以顯著增加巖體的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性。象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷的圍巖質(zhì)地較為松軟且裂隙發(fā)育,依據(jù)南一輔助運(yùn)輸大巷頂板注漿加固現(xiàn)場(chǎng)情況,注漿加固可提高錨桿錨固效應(yīng),改善圍巖物理力學(xué)參數(shù),增強(qiáng)圍巖體自承力,在巖體內(nèi)部形成承載結(jié)構(gòu)并提升頂板管理水平,為后續(xù)該礦區(qū)類(lèi)型條件下的巷道圍巖加固提供了借鑒。