1307工作面深孔超前預(yù)注漿工藝技術(shù)研究

王耀東

（山西晉煤集團(tuán)天安公司， 山西 晉城 048006）

引言

隨著礦井采掘深度的不斷增加，巷道斷層、陷落柱等地質(zhì)異?，F(xiàn)象逐漸成為影響礦井采掘銜接的主要因素之一。在巷道采掘過程中，往往存在多種地質(zhì)異常并存現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜地質(zhì)因素進(jìn)行超前處理，即通過補(bǔ)強(qiáng)、注漿、防風(fēng)化[1]等方式提高頂?shù)装鍑鷰r整體塑性，保證巷道掘進(jìn)安全。以岳城煤礦1307工作面為例，回采時(shí)對(duì)DX214陷落柱前后進(jìn)行了注漿補(bǔ)強(qiáng)，有效遏制了巷道圍巖的進(jìn)一步變形。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

岳城煤礦1307工作面為該礦西翼第三個(gè)工作面。該工作面長(zhǎng)度756 m，可采長(zhǎng)度708 m，煤層平均厚度4.66 m，采高3 m，煤層傾角1°～9°，工作面主要構(gòu)造為陷落柱和正斷層。其工作面位置見圖1。

圖1 1307工作面及DX214陷落柱位置圖

2 注漿方案

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 注漿壓力

注漿壓力作為注漿工程中重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，它主導(dǎo)了漿液在破碎巖體中的充填、擴(kuò)散以及壓密整個(gè)過程，對(duì)注漿質(zhì)量的提高以及注漿作業(yè)效率提升有著較大影響，注漿壓力選取主要與地層巖性、水文地質(zhì)條件、注漿材料性質(zhì)等因素有關(guān)。

1）若注漿區(qū)域有較大涌水，按照現(xiàn)場(chǎng)靜水壓力計(jì)算，初始注漿壓力必須高于此位置的靜水壓力，一般為靜水壓力的2～3倍，最大可達(dá)3～5倍[2]。

式中：P'為注漿處靜水壓力，MPa；P為設(shè)計(jì)注漿壓力，MPa。

2）根據(jù)注漿地層深度計(jì)算：

式中：P為設(shè)計(jì)注漿壓力，MPa；H為注漿處深度，m；K為由注漿深度確定的壓力系數(shù)。壓力系數(shù)K的取值如表1所示。

“楊曉梅”——或者應(yīng)該叫做“娟兒”——面如死灰。楊年喜一口菜填進(jìn)嘴里，卻再也無法下咽，他瞪圓了眼睛，看著老太太。

表1 壓力系數(shù)與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

岳城礦3號(hào)煤層埋深大于500 m，注漿壓力系數(shù)K值取0.017，根據(jù)注漿地層深度計(jì)算的最低設(shè)計(jì)注漿壓力為8 MPa，加之注漿過程因?yàn)檎扯茸兓推渌蛩氐淖饔枚斐勺{壓力的損失，最終注漿壓力選取 10～15 MPa。

2.1.2 注漿速度

礦井地層巖體的孔隙率與注漿設(shè)備參數(shù)是注漿速度選取的關(guān)鍵，根據(jù)工業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)地1307工作面DX214陷落柱的巖性及實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)注漿速度范圍為10～30 L/min。

2.1.3 單孔注漿量

1）漿液擴(kuò)散半徑的選取。如下頁圖2為注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑之間的關(guān)系，此圖所反映出的函數(shù)關(guān)系為雙液漿現(xiàn)場(chǎng)注漿工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。其中雙液漿正常水灰比為0.8∶1，因此取最低值3 m為漿液擴(kuò)散半徑。

圖2 不同水灰比下注漿壓力、水灰比漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系圖

2）單孔注漿量計(jì)算[3]。單孔注漿量計(jì)算公式為：

式中：Q為單孔注漿量，m3；λ為注漿損失系數(shù)，一般取 1.15～1.30，此處取 1.2；R為漿液擴(kuò)散半徑，m；h為注漿孔深，取11.1 m；n為巖層裂隙率0.5%～3%，取2%；γ為裂隙內(nèi)漿液有效充填系數(shù)，取0.8。此處R取3 m即可。將各參數(shù)代入式中，得出單孔注漿量Q為6 m3。隨著前期注漿的飽和，后期鉆孔注漿量會(huì)逐漸減少。同時(shí)每孔的實(shí)際注漿量需根據(jù)注漿壓力來確定，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要嚴(yán)格控制注漿壓力，當(dāng)注漿出現(xiàn)較大程度的跑漿時(shí)，立即停止注漿。

2.1.4 注漿孔的設(shè)計(jì)

超前預(yù)注漿加固巷道頂板采用拱形布孔，形成拱形殼體圍巖結(jié)構(gòu)，頂板、兩幫及底板鉆孔離巷道輪廓線均為0.5 m。具體鉆孔布置如圖3所示。

圖3 超前注漿加固鉆孔布置（單位：mm）

如圖3所示1—5號(hào)注漿孔注漿加固后形成頂板圓弧拱形殼體，在一定程度上隔離了深部圍巖應(yīng)力的傳播，同時(shí)也保持巷道周圍淺部煤巖體的穩(wěn)定與巷道斷面的成形，保障巷道圍巖頂板的穩(wěn)定性；7號(hào)注漿孔注漿用于控制施工過程中巷道迎頭的穩(wěn)定性，確保巷道迎頭施工的安全性；6號(hào)、8號(hào)鉆孔注漿控制巷道開挖后兩幫巖體穩(wěn)定的穩(wěn)定性，抵抗巷道腰部高應(yīng)力值產(chǎn)生的彈塑性破壞；9號(hào)—11號(hào)鉆孔注漿主要用于控制巷道底板的穩(wěn)定性，防止高應(yīng)力集中致使底鼓量無限制增大；兩個(gè)檢查孔用于鉆孔取芯，觀測(cè)漿脈發(fā)展情況，確定注漿效果，陷落柱中有水時(shí)從檢查孔可得知注漿堵水效果，因此其檢查孔主要用于注漿效果評(píng)價(jià)。

2.2 加固工藝

2.2.1 注漿原則

為了達(dá)到較為理想的注漿效果，超前深孔注漿堅(jiān)持先遠(yuǎn)后近、先外后內(nèi)的原則，漿液濃度堅(jiān)持先稀后濃的原則；柱體內(nèi)有水時(shí)，應(yīng)先注無水區(qū)域，后注涌水區(qū)域；注漿順序靠后的鉆孔可作為檢查孔。

2.2.2 注漿水灰比

1）聯(lián)邦雙液注漿材料。本次工程注漿加固確定采用的注漿材料為聯(lián)邦雙液注漿材料，聯(lián)邦加固Ⅰ、Ⅱ號(hào)注漿材料在混合之前稀釋6 h內(nèi)漿液不發(fā)生變性，兩種漿液混合后凝固時(shí)間為3～10 min，凝固后1～8 h內(nèi)漿液巖體強(qiáng)度可達(dá)到8～15 MPa以上，可用于采煤工作面、掘進(jìn)工作面圍巖強(qiáng)度要求較高場(chǎng)所，尤其是煤巖體表面淺層區(qū)域的注漿加固。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，雙液注漿材料的正常注漿水灰質(zhì)量比為0.8∶1，注漿過程中漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)降低漿液水灰質(zhì)量比，最低控制在0.7∶1，注漿封孔水灰質(zhì)量比為0.7∶1。

2）聯(lián)邦單液注漿材料。聯(lián)邦單液注漿材料注漿加固24 h后漿液巖體強(qiáng)度可達(dá)25 MPa以上，3 d后漿液巖體抗壓強(qiáng)度可達(dá)35 MPa以上，最終抗壓強(qiáng)度可達(dá)50 MPa以上，單液注漿材料正常注漿設(shè)計(jì)水灰比為0.6∶1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，陷落柱破碎帶無明顯涌水、滲水，無漏漿嚴(yán)重等現(xiàn)象時(shí)選用雙液注漿材料，若存在異常充水構(gòu)造帶，選用單液注漿材料。

2.2.3 注漿工藝

由于1307工作面DX214陷落柱對(duì)于43211、

43212巷的影響長(zhǎng)度達(dá)到100 m，一次性超前注漿很難實(shí)現(xiàn)，而且施工周期長(zhǎng)，注漿效果及施工質(zhì)量都將受到極大影響，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用分段前進(jìn)式超前注漿施工工藝。分段前進(jìn)式深孔超前注漿是鉆、注交替作業(yè)的一種注漿方式，按照設(shè)計(jì)要求，每循環(huán)加固長(zhǎng)度為20 m，后續(xù)注漿段均預(yù)留2 m注漿巖層，用來保障鉆孔的施工安全。其施工方式如下頁圖4所示。

2.3 封孔方式

超前預(yù)注漿加固施工中，每個(gè)鉆孔施工完成后進(jìn)行插管作業(yè)，內(nèi)側(cè)為PVC管（直徑30 mm），外側(cè)為6分注漿鋼管，其中注漿鋼管的內(nèi)側(cè)和孔口兩根表面焊接鐵絲，且內(nèi)側(cè)鋼管一端需要打?qū)Υ┛?，便于與PVC管連接，另外，內(nèi)側(cè)PVC管打?qū)Υ┥錆{孔。在焊鐵絲鋼管上纏繞棉紗，并向中部空間注聯(lián)邦雙液材料進(jìn)行封孔，封孔采用聯(lián)邦雙液注漿材料進(jìn)行，封孔長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在2～5 m之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，初步確定封孔長(zhǎng)度為3 m。封孔示意圖見圖5。

圖5 注漿孔封孔示意圖

2.4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在陷落柱DX214前后采用錨網(wǎng)帶補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，巷道頂板錨桿間距縮小至0.9 m，排距為1 m，巷道兩幫錨桿間距1.1 m，排距為1 m。

過陷落柱期間采用架棚支護(hù)，其參數(shù)見表2。

表2 架棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

架棚施工要求：柱窩深度為200 mm（誤差為±50 mm），柱窩棚腿距幫不大于450 mm，棚腿扎角350～450 mm（1 m扎角不小于120 mm，允許偏差±17 mm，控制在350～450 mm之間）。

3 效果評(píng)價(jià)及結(jié)論

工作面回采期間，在陷落柱內(nèi)建立測(cè)站，分別選取1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)錨桿和1號(hào)、2號(hào)錨索，對(duì)過陷落柱前后巷道變形量和支護(hù)體受力情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得其數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線如圖6、圖7所示。

圖6 回采期間巷道變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線

圖7 回采期間支護(hù)體受力監(jiān)測(cè)曲線

由上圖可知，工作面回采過陷落柱期間，巷道頂、底板移近量最大值為280 mm、兩幫收斂量最大值為400 mm，錨桿最大受力178 kN，錨索最大受力409 kN，均符合工作面設(shè)計(jì)要求，說明通過超前預(yù)注漿+架棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式，能夠有效控制圍巖的整體塑性，保證快速通過陷落柱構(gòu)造區(qū)域。