巷道斷層帶圍巖注漿加固技術應用

聶佳敏

（冀中能源段王煤業(yè)集團有限公司，山西 晉中 045400）

井工煤礦在開采過程中易受斷層、 陷落柱構造影響導致巷道頂板完整性差、圍巖承載能力低，巷道開挖后變形大、后期維護成本高。眾多學者[1-6]對構造區(qū)巷道的變形機理及控制技術進行了深入研究，并取得了較多研究成果。本文以冀中能源段王煤業(yè)集團有限公司某礦9714 工作面為工程背景，研究注漿加固技術應用于斷層構造影響區(qū)的巷道圍巖變形控制效果。

1 工程概況

9714 工作面開采9#煤層，工作面區(qū)段標高+724～+756 m，煤層埋藏深度+359～+460 m。工作面設計走向長度約1 200 m，傾向長度220 m，采用一次采全高采煤方法，采高控制在5 m。工作面北部為9713 工作面，東鄰七采區(qū)運輸大巷，南靠9715 設計工作面，西部為采空區(qū)。

9714 工作面切巷及順槽揭露多條斷層，其巷道掘進過程中存在頂幫破碎、頂板超高、巷道變形嚴重等問題，影響巷道的正常掘進和后期的安全使用。9714 工作面回風巷揭露了F2正斷層、F3正斷層、F4正斷層，其斷距分別為5.5 m、2.1 m、3.5 m。上述斷層影響范圍沿工作面走向長達800 m。本次注漿加固區(qū)段為距回風巷開口位置較近的F4斷層影響區(qū)，如圖1所示。

圖1 工作面內斷層分布

2 注漿孔布設方案

3.1 頂板潛孔注漿加固方案

巷道寬度5 m，設計注漿孔排距3 m，每排3個鉆孔，鉆孔間距1.8 m，中間鉆孔居中布置，兩側鉆孔往兩側偏角5°，孔深均為4 m，孔徑均為75 mm，如圖2所示。頂板注漿的巷道長度共計50 m，預計實施鉆孔50 個，鉆孔工程量累計200 m，封孔長度1～2 m，采用兩堵一注方式，鋼管兩端包裹棉紗，中部灌漿。

圖2 回風巷頂板注漿鉆孔布置剖面

3.2 巷道回采幫側中深孔鉆孔布置方案

根據(jù)9714 工作面地質資料，F(xiàn)4斷層影響區(qū)煤層傾角平均為4°，破碎帶影響范圍為50 m。在綜合考慮注漿擴散半徑的基礎上幫部注漿孔采用單排布置，鉆孔間距2 m，開孔高度距離頂板1 m，孔深20 m，仰角0°，孔徑75 mm，預計共施工26個孔，總鉆進工程量為520 m，如圖3所示。注漿管由4 根6 分無縫鋼管（2 m/ 根）以及12 m 的PVC 管共同組成，封孔長度4～6 m，采用兩堵一注方式，鋼管兩端包裹棉紗，中部灌漿。

圖3 中深孔布設

3 鉆孔分段施工工藝及裝備

采用TXU-200A 型煤礦用全液壓坑道鉆機，鉆頭直徑75 mm，最大鉆進深度150 m。為保證成孔質量及注漿效果，本次鉆孔施工采用三段式分段鉆進。

第一階段：套管安裝及固定。架設好鉆機，調整完鉆進角度后，首先使用Φ113 mm 鉆頭打孔4 m，退出鉆桿和鉆頭，插入套管（套管采用108 mm 直徑鋼管，兩節(jié)之間通過絲扣連接，外端一節(jié)焊法蘭盤，另外一片法蘭盤上焊上直通，用于連接高壓注漿管，如圖4所示），注雙液漿將套管固定牢固。

圖4 套管安裝及固定

第二階段：循環(huán)鉆進及注漿。套管固定完成，打開法蘭盤，將鉆機上的Φ113 mm 鉆頭更換為正常75 mm 鉆頭打鉆，繼續(xù)鉆進10 m，退出鉆桿和鉆頭，采用雙液注漿泵，通過法蘭盤進漿口注漿。

第三階段：鉆進成孔后下鋼管、注漿。打鉆成孔后，退出鉆桿，按要求下鋼管和PVC 管，利用鋼管進行注漿。

4 注漿材料及設備

雙液注漿材料主要成分為硫鋁酸鹽水泥、石膏，當水灰比為0.8:1 時，在注漿后2 h、1 d、3 d、7 d下的巷道圍巖單軸抗壓強度分別可達10.8 MPa、12.8 MPa、14.7 MPa、17.5 MPa。

單液注漿材料以42.5 硅酸鹽水泥為基料，超細粉磨到1 000 目以上，并加入一定的減水劑、早強劑、分散劑配制而成，具備良好的滲透性和施工特性，該材料水灰比為0.6:1。由于采用較小的水灰比，且超細粉基料提高了材料的活性，巷道圍巖強度增長迅速，1 d 單軸抗壓強度16 MPa 以上，3 d單軸抗壓強度25 MPa 以上，7 d 強度25 MPa 以上，滿足工作面快速推進的時效性要求。

根據(jù)兩類材料的力學性質及不同工藝對初凝時間的要求，頂板淺孔封孔、注漿采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1；幫部中深孔套管固定采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1；掃孔后一次注漿采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1；成孔后注漿采用單液注漿材料，水灰比0.6:1。在注漿過程中，必須注意觀察泵及巷道四周狀況，當煤壁漏漿嚴重時需換注雙液材料，待漏漿通道封堵后再次換注單液注漿材料。

5 注漿壓力設計

巷道頂板注漿終止壓力設計為4～6 MPa，當達到設計壓力，或者從一處反復漏漿無法封堵時，可以換孔，注漿量過小時應當開孔復注。

巷道幫部注漿終止壓力設計為10～15 MPa，當出現(xiàn)漏漿泄壓，難以達到注漿壓力時，可以換注雙液注漿材料，成功堵漏后換回單液注漿材料，交替注漿達到注漿壓力要求。

6 注漿效果評價

本次共設置3 組位移測站，本文以測站1 為例分析注漿區(qū)巷道的變形規(guī)律。如圖5所示巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭谧{后的20 d 內遞增速率較大，該時段的累計變形量分別占整個觀測周期總變形值的93%和82%，注漿20 d 后頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟恐饾u趨穩(wěn)，最大值分別為89 mm、176 mm，巷道變形量整體可控，未見網(wǎng)包等礦壓顯現(xiàn)行為。巷道淺部基點在注漿后的30 d 內位移呈遞增狀態(tài)，最終位移量為1.3 mm，深部基點在噴漿10 d 后變形量最終穩(wěn)定在0.5 mm，頂板巖層位移量較小，這表明水泥漿液對斷層影響區(qū)附近的破碎頂板裂隙進行了充分封堵，有效提高了頂板巖層的完整性及強度。

圖5 監(jiān)測斷面位移變化

7 結論

1）考慮不同區(qū)域巷道對注漿材料力學性能及凝固時間的要求，在頂板淺孔封孔、注漿采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1；幫部中深孔套管固定采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1，掃孔后一次注漿采用雙液注漿材料，水灰比0.8:1，成孔后注漿采用單液注漿材料，水灰比0.6:1。

2）巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭谧{后的20 d內遞增速率較大，注漿20 d 后頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟恐饾u趨穩(wěn)，最大值分別為89 mm、176 mm，監(jiān)測斷面深部基點、 潛部基點的最終位移量分別僅為0.5 mm、0.3 mm，這表明注漿加固技術能有效提高頂板巖層的完整性，改善破碎區(qū)巖體的力學性能。