過采空區(qū)巷道圍巖注漿加固技術(shù)實(shí)踐

徐付滿

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)滕東煤礦，山東 滕州 277500）

注漿加固是利用漿液來充填和固結(jié)被破壞了的或原有的裂隙面，提高巖體強(qiáng)度，充分發(fā)揮巖體的承載能力[1-2]。同時(shí)圍巖注漿可有效地封堵流水通道，隔離采空區(qū)積水和含水層的水，防止?jié)B透砌碹結(jié)構(gòu)進(jìn)入礦井。經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，我國煤礦已經(jīng)形成以錨固與注漿加固為核心的巷道支護(hù)成套技術(shù)，成為煤礦巷道首選的、安全高效的支護(hù)技術(shù)[3-4]。

1 工程概況

山東滕東煤礦開采的煤層，在兼并重組之前15號(hào)煤層已經(jīng)有部分區(qū)域資源開采完畢，形成了采空區(qū)，而礦井主要巷道均布置在15號(hào)煤層，使得主斜井井底車場(chǎng)繞道有70多米穿過老采空區(qū)。由于砌碹支護(hù)本身強(qiáng)度有限，巷道周圍均為垮落的破碎圍巖，在上覆巖層壓力的作用下，巷道變形十分嚴(yán)重，無法保證車場(chǎng)在整個(gè)礦井服務(wù)期間的穩(wěn)定；采空區(qū)中的砌碹巷道不但穩(wěn)定性差，同時(shí)受到老采空區(qū)內(nèi)積水的影響，頂板淋水嚴(yán)重，砌碹結(jié)構(gòu)受到侵蝕，存在巷道失穩(wěn)和透水的危險(xiǎn)，影響井下作業(yè)人員的生命安全。因此，過采空區(qū)段車場(chǎng)繞道必須采用圍巖注漿的方法同時(shí)解決巷道變形和透水的問題。

2 注漿參數(shù)確定

2.1 注漿材料

水泥—水玻璃漿液與傳統(tǒng)的單液水泥漿相比，凝膠時(shí)間可準(zhǔn)確控制在幾十秒至幾十分鐘范圍內(nèi)；結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa，高于單液水泥漿；凝結(jié)后結(jié)石率可達(dá)100%；結(jié)石體的滲透系數(shù)為10-3cm/s；可用于裂隙寬度為0.2mm以上的巖體或粒徑為1mm以上的砂層[5]。此外，與高水材料相比，注漿材料來源廣泛，價(jià)格便宜，對(duì)環(huán)境及地下水無污染。

基于以上分析對(duì)比，采空區(qū)中車場(chǎng)繞道破碎圍巖注漿固化、堵水材料選用水泥—水玻璃雙液注漿材料。

2.2 漿液配比

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以425號(hào)或525號(hào)普通硅酸鹽水泥為例，水泥－水玻璃漿液的適宜配方如下：水泥漿的水灰比為0.8:1～1:1；水泥漿與水玻璃的體積比1:0.5～1:0.8；水玻璃模數(shù)2.4～3.4，波美度22～40°。

綜合考慮凝膠時(shí)間以及抗壓強(qiáng)度兩方面，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定水泥水灰比為1:1，水玻璃濃度為40波美度，水泥漿與水玻璃的體積比1:0.5。

2.3 注漿壓力

注漿壓力主要由三部分組成，一是管路壓力損失p1；二是滲透壓力p2；三是注漿管水頭壓力差壓力損失p3。

（1）由粘性流體力學(xué)可知，注漿時(shí)的管路壓力損失p1：

式中：

L0-輸漿管長(zhǎng)度；

r1-輸漿管半徑；

V-流速；

μ1-注漿管摩擦阻力因數(shù)；

L1-注漿管長(zhǎng)度。

（2）滲透壓力p2要小于由弱面控制的圍巖體的抗拉強(qiáng)度σt。

（3）注漿管水頭壓力差壓力損失p3：

式中：

ε-漿液容重；

△h-注漿管長(zhǎng)度。

則破碎巷道注漿的極限壓力 ：

η0取 1.9×10-3Pa·s，V取 2.4m3/h，r1為0.75cm，L0為100m，L1為2.5m，μ1為0.2，σt取 1.5MPa，取0.01MPa，p取0。代入上式，計(jì)算可得，圍巖注漿壓力約為2.0MPa。

2.4 漿液擴(kuò)散半徑確定

漿液流型主要由注漿材料和水灰比決定，破碎圍巖注漿要求充填體有一定的強(qiáng)度又具有良好的流動(dòng)性和滲透性，同時(shí)盡可能降低成本。按施工方案配比的注漿材料，漿液流型可以考慮為牛頓流體。

漿液擴(kuò)散的理論模型見圖1。

圖1 球形擴(kuò)散理論模型

注漿量滿足：

式中：

kp-滲透系數(shù)，，φ為孔隙率；

ηp-水的粘度；

η(t)-t時(shí)刻漿液 粘度，，η0為漿液初始粘度，k為粘度增長(zhǎng)指數(shù)。

代入上式得：

式中：

C-積分常量。

根據(jù)注漿時(shí)的邊界條件：當(dāng)P=P0時(shí)，l=R；當(dāng)P=P1時(shí)，l=L有：

上式即為牛頓體漿液在破碎圍巖中的擴(kuò)散公式。

不考慮漿液粘度的時(shí)變性時(shí)，即k=0，并考慮到1/l0＞＞1/l1，即為計(jì)算牛頓體漿液擴(kuò)散半徑的Maag公式：

計(jì)算得出不同的孔隙率和注漿壓力下的注漿擴(kuò)散半徑，見表1。

表1 不同的孔隙率和注漿壓力下的注漿擴(kuò)散半徑

參照類似地質(zhì)條件資料，判斷破碎巖體的孔隙率為0.3左右，注漿壓力2.0MPa左右。根據(jù)上表，可以確定注漿的有效擴(kuò)散半徑在2.1m左右，現(xiàn)場(chǎng)注漿孔布置按照2.0m的注漿擴(kuò)散半徑布置。

2.5 注漿量的確定

每個(gè)注漿孔的注漿量：

式中：

Q-每個(gè)注漿孔的注漿量，m3；

A-漿液消耗系數(shù)，1.2～1.5；

H-鉆孔長(zhǎng)度方向加固區(qū)厚度，m；

L-漿液有效擴(kuò)散半徑，m；

β-圍巖的裂隙率；

λ-漿液的充填系數(shù)。

根據(jù)破碎巖體的松散程度及孔隙率確定注漿量。參照類似地質(zhì)條件資料判斷破碎巖體的孔隙率為0.3左右，注漿半徑取5.0m，預(yù)計(jì)每米注漿量為20m3，每噸注漿材料能充填2.5m3，因此每米所需的注漿材料約為8t。

3 注漿施工

3.1 注漿設(shè)備

注漿采用雙液注漿設(shè)備，注漿管采用Φ20mm鋼管制作，長(zhǎng)1.5m，外端加工30mm螺紋，注漿封孔長(zhǎng)度為1.20m，在里段1.20m和1.35m位置處分別打直徑6mm的孔。注漿管注漿后作錨桿使用，注漿管加工圖如圖2所示。

圖2 注漿管（單位：mm）

3.2 注漿孔布置

注漿分兩次進(jìn)行，第一次頂板大范圍注漿，第二次全斷面小范圍注漿。在注漿中遵循兩個(gè)基本準(zhǔn)則：一是注漿的漿液對(duì)圍巖不造成劈裂；二是在不造成圍巖劈裂的情況下盡可能提高注漿壓力。注漿方式采取柱面擴(kuò)散方式。

為了提高注漿效果，在確定注漿孔間排距時(shí)，既要考慮最大程度地發(fā)揮每個(gè)注漿孔的有效作用，減小巷道加固維護(hù)工程成本，又要保證注漿后漿液在滲透半徑范圍內(nèi)有一定程度交叉。根據(jù)注漿工程實(shí)踐及理論分析，在巷道頂板兩側(cè)布置鉆孔，單側(cè)每隔3m布置鉆孔，孔徑42mm，孔深5.0mm，位置與拱頂呈36°夾角，鉆孔成等邊三角形布置，如圖3。

圖3 注漿孔布置

圖4 注漿孔三維效果圖

第二次小范圍注漿時(shí)，注漿孔布置為：?jiǎn)蝹?cè)每3m布置1排，單側(cè)每排3個(gè)孔，頂部注漿孔布置與拱頂呈45°夾角，幫部注漿孔間距1000mm，孔徑42mm，注漿孔深2400mm，與第一次注漿鉆孔錯(cuò)開，最后在頂板中線上打鉆孔，每3m布置一個(gè)注漿孔。注漿孔三維效果圖如圖4。

4 圍巖觀測(cè)及效果分析

為了檢驗(yàn)注漿加固效果，注漿后在巷道中布置了位移觀測(cè)點(diǎn)。安裝完15d內(nèi)每天觀測(cè)一次，以后每5d觀測(cè)1次。觀測(cè)數(shù)據(jù)整理分析如圖5。

從圖5可知，注漿后巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在76mm，兩幫移近量穩(wěn)定在22mm，頂板再無滲水現(xiàn)象，說明注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)是合理的。通過注漿，提高了巷道圍巖的整體穩(wěn)定性和自承載能力，凝固后的漿液固結(jié)體將封閉圍巖的裂隙，使破碎煤巖體形成一個(gè)整體，提高承載能力，增大圍巖的強(qiáng)度，大大減小了巷道變形。

圖5 注漿加固后巷道變形量

5 結(jié)論

注漿參數(shù)是注漿加固順利實(shí)施和取得良好效果的關(guān)鍵。本文以山東滕東煤礦過采空區(qū)巷道為例，詳細(xì)分析了注漿壓力、注漿半徑和注漿量等參數(shù)的確定方法。實(shí)踐結(jié)果表明，注漿提高了圍巖承載能力和整體穩(wěn)定性，巷道的變形得到了有效控制，解除了巷道的失穩(wěn)和透水問題，保證了巷道的服務(wù)年限。注漿加固過采空區(qū)巷道的成功實(shí)踐，為其他破碎巷道注漿施工提供了參考，具有廣闊的應(yīng)用前景。