高地應(yīng)力掘進(jìn)工作面過地質(zhì)構(gòu)造帶超前注漿加固技術(shù)

陳建明

（陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

孟村煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井埋深大。在巷道掘進(jìn)過程中，在高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)條件的共同作用下，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，破碎的頂板圍巖在掘進(jìn)作業(yè)擾動(dòng)下很容易在支護(hù)前冒落，造成巷道成型差和巷道超高，降低了掘進(jìn)速度，給支護(hù)作業(yè)帶來很大的安全隱患。因此，對(duì)孟村煤礦掘進(jìn)巷道過地質(zhì)構(gòu)造帶提出了超前注漿加固的技術(shù)方案[1-3]，提前對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿，使其形成一個(gè)穩(wěn)定的整體，提高圍巖的自承能力，消除安全隱患，提高掘進(jìn)速度。

1 工程概況

孟村礦主采4#煤層，埋深390～620 m，煤層厚度3.70～26.02 m，401102 工作面采用綜采分層放頂煤采煤方法，割煤高度3.5 m，放煤高度8.1 m，采放比1:2.31。401102 工作面回風(fēng)巷為煤巷，頂?shù)装褰詾?#煤，斷面為矩形，寬度5.5 m，高度3.75 m。掘進(jìn)過程中，巷道迎頭左幫頂部至右?guī)偷撞砍霈F(xiàn)一條主要節(jié)理，層理紊亂，煤質(zhì)松軟破碎，此區(qū)域圍巖壓力較大，動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，破碎的圍巖在支護(hù)前掉落，導(dǎo)致巷道超高1.5 m，給巷道支護(hù)作業(yè)帶來很大的安全隱患。

2 注漿材料的選擇

現(xiàn)有的注漿材料主要分為三大類：無機(jī)注漿材料、有機(jī)注漿材料和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合注漿材料。

無機(jī)注漿材料包括水泥漿、超細(xì)水泥漿、粘土漿、水泥粘土漿、水泥水玻璃漿等。無機(jī)注漿加固材料具有材料來源廣、無污染、成本低、結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是漿液穩(wěn)定性差，容易沉淀和離析，材料顆粒大，難以注入到細(xì)小裂隙或孔隙中，擴(kuò)散半徑小，凝固時(shí)間長，凝固時(shí)間不易控制，施工時(shí)間長，早期強(qiáng)度低，結(jié)石體存在一定收縮[4]。

有機(jī)注漿材料主要包括丙烯酰胺類漿液、脲醛樹脂類漿液、聚氨酯類漿液、酚醛樹脂類漿液等。有機(jī)注漿材料具有強(qiáng)度高、黏度低、粘結(jié)力強(qiáng)、固結(jié)體強(qiáng)度高、滲透性能好、凝結(jié)時(shí)間短、凝固時(shí)間可調(diào)、可注入微小裂隙等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是反應(yīng)溫度高、儲(chǔ)存時(shí)間短、部分材料有異味等。

針對(duì)上述兩種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，又開發(fā)出了有機(jī)-無機(jī)復(fù)合注漿材料，在保證有機(jī)注漿材料優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上，降低了反應(yīng)溫度，提高了材料的阻燃性能，更適合用于巷道圍巖注漿加固使用[5]。本次注漿加固選用SCPJG-2 型礦用復(fù)合加固材料。SCPJG-2 型復(fù)合加固材料的性能指標(biāo)見表1。

3 注漿加固方案

3.1 漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑是確定鉆孔間距及鉆孔布置形式的依據(jù)。401102 回風(fēng)巷埋深大，地應(yīng)力高，導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造帶處節(jié)理發(fā)育，但是在高地應(yīng)力作用下，節(jié)理封閉，漿液注入困難，注漿壓力大，擴(kuò)散半徑小。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，漿液擴(kuò)散半徑確定為1.5 m。

3.2 注漿量

漿液注入量是衡量注漿加固效果好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。漿液注入量可用下式進(jìn)行估算。

表1 SCPJG-2 型復(fù)合加固材料的性能指標(biāo)

單個(gè)鉆孔的注漿量：

注漿段總注入量：

式中：Q 為單孔注漿量，m3；Q0為注漿段總注漿量，m3；R 為漿液擴(kuò)散半徑，m；H 為注漿鉆孔深度，m；η 為煤巖體裂隙率，一般取0.5%～3%；β 為漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，取0.9；m 為結(jié)石率，%；λ 為漿液損失系數(shù)，一般取1.1～1.3；N 為注漿鉆孔數(shù)，個(gè)。

根據(jù)401102 回風(fēng)巷地質(zhì)條件，漿液擴(kuò)散半徑為1.5 m，鉆孔深度6 m，煤巖體裂隙率1.5%，漿液損失率1.1，結(jié)石率100%。通過上式可以算出單個(gè)鉆孔注漿量：

SCPJG-2 型復(fù)合加固材料密度約為1200 kg/m3，單孔注漿量約為760 kg。每個(gè)循環(huán)3 個(gè)鉆孔，每循環(huán)共注漿2280 kg，控制深度6 m，每米注漿量為380 kg。

3.3 注漿壓力

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，孟村礦井最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力。最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，在26～38 MPa 之間，最大水平主應(yīng)力的大小約為垂直主應(yīng)力的1.66～2.10 倍，測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方位角集中在145°～171°之間，與中央大巷、工作面順槽等巷道軸向夾角為65°～81°，與盤區(qū)大巷軸向夾角為8°～35°。

401102 工作面回風(fēng)巷最大水平應(yīng)力取28 MPa，與回風(fēng)巷夾角取70°，最大水平主應(yīng)力的大小為垂直主應(yīng)力的2 倍，則最大水平主應(yīng)力在巷道垂線方向的分量為21.6 MPa，垂直應(yīng)力為14 MPa。為了保證漿液可以擴(kuò)散到深部圍巖裂隙內(nèi)，注漿壓力不應(yīng)小于14 MPa，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，選取本次終孔注漿壓力為14～18 MPa。

3.4 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

401102 回風(fēng)巷受地質(zhì)構(gòu)造帶的影響，掘進(jìn)速度慢，每天掘進(jìn)4 m。為了不影響掘進(jìn)速度，決定在檢修班進(jìn)行注漿作業(yè)。注漿加固范圍為巷道頂板以上2.5 m 以及巷道肩窩處向外1.5 m。401102回風(fēng)巷寬度5.5 m，共設(shè)計(jì)3 個(gè)鉆孔，第一個(gè)鉆孔距左幫500 mm 處打設(shè)，開口處距頂板300 mm，以15°仰角和15°擴(kuò)散角打設(shè)；第二個(gè)鉆孔間隔2000 mm，開口處距頂板300 mm，以15°仰角打設(shè)；第三個(gè)鉆孔距第二鉆孔間距2000 mm，開口處距頂板300 mm，以15°仰角和15°擴(kuò)散角打設(shè)；鉆孔直徑42 mm，鉆孔深度均為6000 m。

401102 回風(fēng)巷超前注漿加固鉆孔布置圖如圖1。

圖1 超前注漿加固鉆孔布置圖

4 施工工藝流程及注意事項(xiàng)

巷道超前注漿加固施工工藝流程圖如圖2。

圖2 巷道超前注漿加固施工工藝流程圖

4.1 勞動(dòng)組織

（1）施工時(shí)間。注漿施工在檢修班進(jìn)行，不影響巷道掘進(jìn)，三個(gè)注漿孔施工和注漿時(shí)間約為3 h。

（2）施工順序。為了減少鄰近鉆孔串漿，注漿采用順序施工，打一孔注一孔。

（3）施工人員。注漿施工共需要4 人，打孔注漿間隔進(jìn)行，注漿時(shí)1 人操作注漿泵，2 人進(jìn)行運(yùn)料、倒料，1 人觀察注漿情況及輔助。

4.2 注意事項(xiàng)

（1）采用封孔器封孔，封孔深度2 m，注漿管使用DN15 鋼管，每節(jié)長度1 m，每個(gè)鉆孔使用4根注漿管，花管實(shí)管相結(jié)合，注漿管結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 注漿管結(jié)構(gòu)示意圖

（2）超前注漿采用高壓注漿，注漿前一定要保證注漿管路連接牢靠，防止管路脫落傷人。

（3）SCPJG-2 型復(fù)合加固材料配比為1:1（體積比），施工時(shí)要嚴(yán)格按照該配比施工。

（4）漿液凝固時(shí)間短，注漿時(shí)應(yīng)連續(xù)泵注，停泵時(shí)間不超過30 s。

（5）若有漿液從煤壁裂縫中流出時(shí)，停泵10～20 s，待漿液凝固后繼續(xù)注漿。

（6）注漿時(shí)要隨時(shí)觀察注漿壓力情況，壓力發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)停泵處理，達(dá)到終孔壓力后，及時(shí)停泵。

5 超前注漿效果觀測(cè)

對(duì)于超前注漿加固的施工效果，分別從注漿擴(kuò)散半徑、巷道成形、掘進(jìn)速度等方面進(jìn)行檢驗(yàn)。

5.1 漿液擴(kuò)散半徑

注漿時(shí)，漿液滲出范圍一般距孔口2 m 以內(nèi)，最遠(yuǎn)處距孔口4 m。通過鉆孔窺視儀進(jìn)行鉆孔觀測(cè)，在距離注漿鉆孔1.5 m、2 m、2.5 m 處分別施工平行觀察孔進(jìn)行觀測(cè)。3 處觀察孔均可看到漿液滲透到裂隙內(nèi)，1.5 m、2 m 處觀察孔裂隙充填飽滿，漿液充填痕跡縱橫交錯(cuò)，充填效果較好。2.5 m 處觀察孔僅可看到較大裂隙充填痕跡，微小裂隙充填不明顯。因此可以確定復(fù)合加固材料的擴(kuò)散半徑在2 m 以上，后期可以根據(jù)此擴(kuò)散半徑優(yōu)化注漿鉆孔的設(shè)計(jì)。

5.2 巷道成形情況

注漿后，巷道最大超高0.4 m，巷道成形情況明顯好轉(zhuǎn)，超高現(xiàn)象明顯減少。

5.3 掘進(jìn)速度

注漿前，由于破碎頂板圍巖的影響，綜掘機(jī)割煤時(shí)要注意頂板破碎圍巖，同時(shí)要施工超前錨桿支護(hù)，影響了掘進(jìn)時(shí)間，每個(gè)圓班掘進(jìn)進(jìn)尺為4 m。注漿后，頂板圍巖固結(jié)為一個(gè)整體，提高了綜掘機(jī)割煤速度，取消了超前錨桿支護(hù)，減少了支護(hù)時(shí)間，每個(gè)圓班掘進(jìn)進(jìn)尺增加至4.5～5 m，進(jìn)尺提高12%～20%。

6 結(jié)論

復(fù)合加固材料具有溫度低、強(qiáng)度高、粘結(jié)性強(qiáng)、流動(dòng)性好、漿液擴(kuò)散半徑大、可以滲透到圍巖體微小裂隙內(nèi)、遇水不影響材料性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種加固效果好、適用范圍廣的注漿加固材料。

采用高壓注漿的方式，漿液擴(kuò)散半徑2 m 以上，裂隙充填飽滿，漿液可滲透至微小裂隙內(nèi)，加固效果好。

超前注漿加固技術(shù)不僅不影響巷道正常掘進(jìn)施工，同時(shí)提高掘進(jìn)速度12%～20%，對(duì)類似條件巷道掘進(jìn)具有很好的借鑒。