高原環(huán)境下馬麗散帷幕深孔注漿在過大斷層中的應(yīng)用

鐘長兵，馬成福，陳煥中

(青海江倉能源發(fā)展有限責(zé)任公司，青海西寧810000)

目前，在隧道施工［1］及煤礦行業(yè)處理頂板破碎帶［2］、綜采面煤壁加固［3］、過斷層［4－5］等都用到了帷幕注漿施工工藝，并且取得了成功，積累了成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。但是在有“世界第三極”之稱的青藏高原特有的低溫、低壓及有較大沖擊地壓的斷層中進(jìn)行帷幕注漿可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。江倉礦區(qū)位于青藏高原，在其四井田的斷層帶內(nèi)進(jìn)行巷道掘進(jìn)遇到了諸多帷幕深孔注漿難題，其一是如何在高原特有環(huán)境及沖擊地壓較大的斷層中實(shí)施帷幕注漿施工，其二是如何實(shí)現(xiàn)深孔注漿。

1 概況

江倉礦區(qū)四井田地處青藏高原東北部祁連山造山帶中部，海拔3850m，屬于高寒地帶。江倉礦區(qū)四井田采用斜井開拓，+3670m水平運(yùn)輸石門在磚紅色砂巖層中施工。原+3670m運(yùn)輸石門在施工至98m處遇見F8逆斷層，發(fā)生了大面積冒頂，涌出物主要為煤與水的混合物。在對冒空區(qū)處理期間又接連發(fā)生了幾次冒頂，多次的冒頂致使原+3670m運(yùn)輸石門掘進(jìn)工作面拱頂處形成了冒落漏斗，極大的安全隱患使得掘進(jìn)施工被迫中止。經(jīng)研究決定，作為替代方案在原石門開門處直線掘進(jìn)+3670m運(yùn)輸石門，見圖1。當(dāng)石門掘進(jìn)至77m處時(shí)，經(jīng)超前鉆探探知在前方25m處又遇到了F8斷層 (煤層)。F8斷層為逆斷層，井田內(nèi)總體產(chǎn)狀為:10～355°∠50～73°，是向斜南翼主干斷裂，由東到西長達(dá)20km以上，斷距約500m。該斷層對煤層破壞性很大，通過地質(zhì)資料和以往施工揭露的資料來看，F(xiàn)8斷層帶煤質(zhì)極松軟。

圖1 +3670m運(yùn)輸石門平面示意

深孔鉆探資料及原+3670m運(yùn)輸石門發(fā)生冒頂時(shí)的跡象表明斷層中含有大量的水，在巷道拱頂上方可能存在流塑性的凍融層，地質(zhì)情況異常復(fù)雜;同時(shí)，暴露體極易在短時(shí)間內(nèi)水化而迅速失去自穩(wěn)能力，形成流塑體后坍塌，進(jìn)而引發(fā)拱頂上方的凍融物涌出。因此，要通過此斷層帶必須采取特殊的方法進(jìn)行施工，否則，將重蹈原+3670m運(yùn)輸石門過斷層時(shí)發(fā)生的垮塌事故。

2 高原環(huán)境下帷幕深孔注漿

為了保證+3670m運(yùn)輸石門安全快速地通過此斷層帶，經(jīng)多方研究決定，在+3670m運(yùn)輸石門繼續(xù)掘進(jìn)至86m處后停止掘進(jìn)施工，然后以馬麗散材料實(shí)施大管棚超前預(yù)注漿，一次性地完成對斷層帶的帷幕深孔預(yù)注漿加固施工，以保證后續(xù)的掘進(jìn)施工在一個(gè)穩(wěn)固的加固帷幕圈內(nèi)順利進(jìn)行。

2.1 注漿工藝設(shè)計(jì)

為便于帷幕預(yù)注漿鉆孔的施工，首先在掘進(jìn)工作面做一個(gè)預(yù)注漿操作硐室，操作硐室長×寬×高分別為7000mm×7000mm×4700mm，然后從施工硐室進(jìn)行深孔注漿孔的施工。按設(shè)計(jì)的施工方案，沿石門巷道輪廓線布置2排深孔，第1排注漿孔布置在巷道輪廓線外部300mm處，第2排注漿孔在第1排孔中心線外310mm處，2排注漿孔呈三花眼布置。注漿孔的環(huán)向間距為200mm，注漿孔深度為20～25m，如圖2所示。

圖2 注漿孔設(shè)計(jì)與布置

2.2 注漿深孔的施工

為了高效快速地進(jìn)行深孔施工，專門定制了2臺100型潛孔鉆機(jī)。使用直徑110mm的鉆頭，配用50mm高強(qiáng)度中空鉆桿。根據(jù)設(shè)計(jì)好的鉆孔方位及角度，在中腰線采用全站儀進(jìn)行放線，每800mm間距放置3條偏中線，并在鉆機(jī)上做好校準(zhǔn)位置。由于鉆孔處圍巖壓力大，且煤質(zhì)較松軟，鉆孔易塌孔，為此，將中空鉆桿預(yù)留在鉆孔內(nèi)做成超前管棚支護(hù)。

2.3 深孔帷幕注漿

帷幕注漿加固是利用注漿材料把圍巖的各種弱面充實(shí)，并把弱面充填體和四周巖體重新膠結(jié)起來，形成強(qiáng)度高，密實(shí)性好的帷幕狀結(jié)構(gòu)，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性和力學(xué)性能。但高原特有的環(huán)境以及深孔注漿對注漿材料有特別的性能要求。

25m深鉆孔打好后，分別通過鉆桿以及放置于鉆桿和孔壁之間的注漿管依次進(jìn)行注漿。如果在放置注漿管的過程中遇到塌孔現(xiàn)象，則借助錨固鉆機(jī)往孔內(nèi)推進(jìn)。按設(shè)計(jì)要求，注漿管的放置深度不小于8m，放置到位后立即進(jìn)行封孔和注漿。

2.3.1 注漿材料選擇

(1)高原環(huán)境對注漿材料反應(yīng)特性的影響由于施工場所處在高原地區(qū)，注漿材料的反應(yīng)特性會受到的不利影響有:高原低溫環(huán)境下，一般注漿材料的黏度急劇增加，使得材料的流動性和滲透性大大降低;高海拔地區(qū)的氣壓低，注漿材料反應(yīng)后的發(fā)泡系數(shù)比正常情況大，使得材料的抗壓、抗拉強(qiáng)度等降低;受高原機(jī)械降效的影響，一般注漿設(shè)備的注漿壓力不能滿足深孔注漿的要求。

(2)高原環(huán)境及深孔注漿對注漿材料的要求注漿材料需具備的性能有:良好的流動性和較長流動時(shí)間;優(yōu)異的滲透性是實(shí)施深孔帷幕注漿成功的關(guān)鍵因素;高海拔低氣壓下，注漿材料不因發(fā)泡倍數(shù)增大而導(dǎo)致抗壓、抗拉強(qiáng)度顯著降低。

(3)針對高原環(huán)境所做的注漿材料特性調(diào)整針對上述高原特有的環(huán)境對注漿材料反應(yīng)特性的不利影響和深孔注漿對注漿材料的特殊要求，對傳統(tǒng)化學(xué)注漿材料——馬麗散進(jìn)行了性能的適應(yīng)性調(diào)整，使得改性后的馬麗散材料在高原低溫環(huán)境下也具有良好的流動性和較長流動時(shí)間、優(yōu)異的滲透性和對高海拔低氣壓的適應(yīng)性等。

通過大量的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)以及材料性能調(diào)整，使改性馬麗散在零度左右開始反應(yīng)時(shí)間延長到了7～10min，具有較好的滲透性，并且其強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度較正常溫度時(shí)無明顯降低，詳見表1。

表1 不同溫度時(shí)改性馬麗散材料的反應(yīng)特性

2.3.2 高原環(huán)境下帷幕注漿采取的其他施工措施

(1)控制環(huán)境溫度 高原低溫增加馬麗散漿液的黏度、降低其滲透性。為此，設(shè)置井口熱風(fēng)爐使施工環(huán)境溫度控制在5℃左右，這樣可保證馬麗散漿液擁有良好的滲透性，能夠順利地沿深孔擴(kuò)散并注入圍巖的裂隙中。

(2)保證注漿壓力 受高原低壓的影響，氣動注漿泵的工作壓力不能正常控制。為此，在井下距離施工現(xiàn)場60m處設(shè)置1臺高壓儲氣罐，保證供風(fēng)壓力在0.5MPa以上，而泵的輸出注漿壓力可達(dá)到8MPa。強(qiáng)勁的泵壓也能幫助漿液沿?cái)鄬訋羁字苓厧r體裂隙擴(kuò)散和滲透。

(3)保證注漿量和注漿時(shí)間 由于低壓、低溫下馬麗散深孔注漿加固在國內(nèi)并無先例，盡管事前做出了詳細(xì)的施工方案，但仍然需要通過前兩個(gè)孔的注漿施工來摸索和確定注漿壓力、滲透半徑和注漿量等參數(shù)。為保證注漿效果，使?jié){液能在深孔周邊最大限度地均勻擴(kuò)散，注漿過程中每個(gè)注漿孔的注漿壓力在達(dá)到10～12 MPa后仍要維持注漿10min左右，直到漿液無法再注入時(shí)才停止。

(4)超長封孔 由于深孔注漿的注漿壓力大，注漿時(shí)的封孔長度設(shè)定為3m，封孔材料為棉紗加馬麗散材料。因低溫時(shí)馬麗散材料反應(yīng)比較慢，規(guī)定封孔后15～20min后才開始注漿操作。

(5)快速封孔 每鉆好一個(gè)孔后，在最短時(shí)間內(nèi)完成封孔并馬上開始注漿，以防止斷層帶中的泥砂水從鉆孔中大量流出而破壞斷層帶的整體穩(wěn)定性，這是本施工中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

(6)高壓風(fēng)防鉆桿堵塞 為避免深孔鉆孔時(shí)高強(qiáng)度中空鉆桿發(fā)生堵塞，高壓風(fēng)必須在鉆孔過程中保持常通。

3 馬麗散帷幕深孔注漿在斷層煤巖體中的效果

整個(gè)深孔帷幕注漿施工過程持續(xù)約21d，共施工65個(gè)鉆孔，平均每孔注漿量300kg左右，共使用注漿材料約20t。在完成深孔帷幕注漿加固后繼續(xù)開始+3670m運(yùn)輸石門的掘進(jìn)，為了最大程度地減小外力對加固帷幕造成影響，掘進(jìn)過程中施工隊(duì)采取風(fēng)鎬掘進(jìn)模式，遵循多循環(huán)、少進(jìn)尺和及時(shí)支護(hù)的方針，確保安全順利通過F8斷層帶。

在巷道掘進(jìn)進(jìn)入F8斷層范圍內(nèi)以后，顯示加固圈內(nèi)頂板及兩幫巖體完整，能看到滲透入圍巖裂隙中固化后的馬麗散材料，其固化物具有很高的強(qiáng)度和韌性。由于深孔帷幕注漿成功形成了結(jié)實(shí)的加固保護(hù)圈，最終+3670m運(yùn)輸石門順利通過F8斷層帶，整個(gè)過程中未發(fā)生頂板冒落、涌水等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

由于F8斷層帶地處低溫、低壓的高原地帶，且具有煤質(zhì)松軟、涌水大、壓力大等特點(diǎn)，而且施工方案采取的是一次性深孔帷幕注漿加固，孔深達(dá)25m，傳統(tǒng)注漿材料的流動性和流動時(shí)間、滲透性、力學(xué)性能以及注漿過程等都受到了影響和挑戰(zhàn);本項(xiàng)目通過調(diào)整馬麗散化學(xué)注漿材料的反應(yīng)時(shí)間特性、滲透性和力學(xué)特性來適應(yīng)高原低溫、低壓條件下的超深孔注漿要求，并輔以增溫、保風(fēng)壓等施工措施，確保了改性馬麗散注漿材料在應(yīng)用于流塑性凍融層中的加固效果，使得+3670m運(yùn)輸石門安全、順利而快捷地通過了F8斷層帶，實(shí)現(xiàn)了高原特殊條件下和復(fù)雜地質(zhì)條件下的一次性超長帷幕注漿加固的成功，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，也為同類條件的礦山提供了借鑒。

［1］張 慶，鄒正盛，李利峰.雪峰山2號隧道帷幕注漿加固技術(shù)［J］.煤炭工程，2012，44(5):42－44.

［2］江中樂，孫 冰.帷幕注漿技術(shù)在豐紀(jì)果園煤礦堵水工程中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010，42(10):25－31.

［3］李金華.煤巷帷幕注漿施工技術(shù)［J］.煤炭工程，2011，43 (10):28－30.

［4］王勇濤，馬成福.高原環(huán)境下馬麗散和羅克休注漿初步研究［J］.煤炭工程，2011，43(3):42－43.

［5］鐘長兵，馬成福，高友光.高原凍土斜井高冒區(qū)注漿加固施工技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):39－42.

［6］王成善，丁學(xué)林.青藏高原隆升研究新進(jìn)展綜述［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13(6):526－531.

［7］周 橋，高 謙，許海濤.破碎帶工程圍巖超前錨桿加固外插角研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(12):1594－1598.

［8］宋維剛，宋生春，董 琳，等.青海東北部木里煤田江倉礦區(qū)構(gòu)造特征及其對煤系地層、煤層控制［J］.西北地質(zhì)，2008，41(3):79－85.

［9］王懷增，高憲彩，侯宜琦.綜采工作面過斷層對頂幫加固措施的改進(jìn)［J］.山東煤炭科技，2012(5):216－218.