底鼓巷道高性能注漿加固材料試驗研究及應用

2015-08-31 07:50:50張玉競宋勤法姜彥軍姚丙傲何小軍

采礦與巖層控制工程學報 2015年4期

張玉競，張輝，宋勤法，姜彥軍，姚丙傲，何小軍

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454003;2.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南新鄭451100)

近年來，隨著我國煤炭開采進入深部開采，礦壓顯現越來越嚴重，在采動壓力的影響下，巷道底鼓日益嚴重［1－3］。根據巷道所處的地質條件、巷道底板圍巖性質和應力狀態，底鼓一般可分為:擠壓流動型底鼓、撓曲褶皺型底鼓、剪切錯動型底鼓、遇水膨脹型底鼓［4］。軟巖巷道底鼓控制一直是煤礦巷道圍巖控制的重大難題之一，目前國內外專家學者研究發展了很多控制底鼓的方法，歸納起來有:加固法［5］(混凝土反拱、封閉式支架、底板錨桿、底板注漿、砌碹等)、卸壓法［6－7］(切縫、鉆孔、卸壓煤柱、松動爆破等)、聯合法。底板注漿［8］控制底鼓是利用注漿材料充填巖體裂隙，使破碎的巖體固結成整體，改善巷道圍巖應力分布，提高承載力，并封閉圍巖裂隙，防止地下水的滲漏，從而達到控制底鼓的目的。研究和實踐表明，目前常用的注漿材料雖能夠提高圍巖力學性能，但仍存在著一些缺陷［9］，如在濕度大、膨脹性巖體中會造成圍巖軟化;剛性注漿材料難以適應圍巖的剪脹、流變特征;注漿材料收縮率大，難以充填密封細微裂隙。通過對國內外注漿材料進行改進，研究開發了一種微膨脹、防滲、強化、經濟的高性能注漿材料。通過試驗室試驗和工程應用研究表明，該注漿材料能夠較好地控制軟巖巷道底鼓。

1 高性能注漿材料

1.1 高性能注漿材料組成

考慮到注漿材料的可注性及固結強度，并兼顧防滲、抗拉等因素，優化設計出高性能注漿材料的組成如表1所示。

表1 高性能注漿材料組成及作用

1.2 高性能注漿材料各組分配比試驗及分析

黏度、結石率、固結體強度是影響注漿效果的主要因素。在利用水泥、粉煤灰、膨潤土等作為基料的注漿液中，其合理的配比是影響凝結時間、黏度及固結體強度的決定性因素。根據水泥－粉煤灰漿液［10］、水泥－膨潤土漿液［11］中粉煤灰和膨潤土的比例初步設計試驗方案，以水灰比為1、水泥、粉煤灰、膨潤土、NaCl、復合外加劑，抗拉增強劑不同配比進行了一系列的試驗，運用正交試驗法安排試驗［12］，試驗方案及結果見表2(試驗中水泥為1，抗拉增強劑為3%，影響因素及位級見表3)。

從試驗結果可看出:各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復合外加劑∶抗拉增強劑=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3時漿液固結體的強度最好;各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復合外加劑∶抗拉增強劑=100∶20∶10∶1∶3∶3時漿液流動性最好。綜合考慮，高性能注漿材料主要用于巷道底鼓注漿，對巷道底板及圍巖進行加固，故優先考慮固結體的強度指標，其次考慮注漿液的黏度指標，選定高性能注漿材料的各組分配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶NaCl∶復合外加劑∶抗拉增強劑=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3時結石率高。

表2 正交試驗方案與結果

表3 影響因素及位級

1.3 高性能注漿材料不同水灰比試驗

試驗室研究了水灰比對漿液漏斗黏度的影響，具體試驗結果見圖1。

圖1 水灰比對高性能注漿材料漏斗黏度的影響

從圖1中可以看出:隨著水灰比的增大，漿液漏斗黏度相應減小，說明漿液流動性變好，稠度降低，有利于注漿。

試驗室研究了水灰比對固結體強度的影響，具體試驗結果見表4。

表4 水灰比對高性能注漿材料抗壓強度的影響

由表4可知，隨著水灰比的增大，固結體抗壓強度降低。水灰比大時，漿液泌水率大，固結體含水量高，孔隙率大，造成固結體強度降低。但水灰比過小，漿液干硬，以致無法保證注漿質量，使固結體不太密實時，強度將會下降。

綜上，水灰比對注漿材料的漏斗黏度及固結體強度有很大影響。水灰比過小，漿液流動性差，凝結時間短，易堵塞注漿管，注漿作用半徑小，達不到理想的注漿效果;水灰比過大，漿液凝結時間長，易析水，破壞固結體的連續性，穩定性較差。注漿材料既要考慮漿液固結體的強度，又要兼顧流動性及可注性，綜合考慮，高性能注漿材料合適的水灰比為0.8～1.0。

1.4 高性能注漿材料膨脹試驗

對高性能注漿材料硬化漿體采用比長儀法測試材料膨脹率。比長儀是按《水泥膠砂干縮試驗方法》(GB751－81)的要求測定試件各齡期的干縮率及按JC313－82標準測定膨脹率的新型儀器。本次試驗所用比長儀為ISO－158型，試件制備完成后在養護箱中養護，保證試件一直處于濕潤飽和狀態，每天對膨脹量進行測量。試驗結果見圖2。

圖2 不同齡期硬化漿體膨脹量

試驗測得不同齡期硬化漿體最大膨脹量達到0.62mm，相對膨脹率為0.39%(硬化漿體試樣長度為158mm)。試樣在7d內膨脹迅速，此后逐漸收縮，膨脹量基本穩定在0.55左右，相對膨脹率0.35%。總體來看，高性能注漿材料硬化漿體膨脹率較低，表明材料在富水潮濕環境中能夠保持較好的完整性，能夠有效降低水的破壞，膨脹變形較小，可以在潮濕有積水的巷道進行工程應用。

2 工程應用

2.1 工程概況

某煤礦西翼2采區軌道上山位于二1煤底板，距二1煤6～8m，巷道坡度25°，總長度560m，斷面為半圓拱形，斷面尺寸為4200mm×3400mm，水平標高－640～－824m，巷道埋深較大，已屬深部開采。軌道上山涌水量較大，位于粉砂巖中，水平節理，含鈣質、泥質結核，遇水易膨脹變形，裂隙發育。軌道上山頂板和兩幫采用錨梁網索噴聯合支護，底板無支護，頂板下沉量及兩幫移近量較小，底鼓嚴重，部分區域底鼓量高達1400mm，給礦井安全和正常生產帶來很大困難，平均2～3個月就要進行一次維修。通過對試驗區域地質及支護情況的分析可知，巷道嚴重底鼓的原因是底板巖層擴容變形及兩幫移近擠壓，屬應力擠壓流動與底板遇水膨脹復合型底鼓，針對這種情況，提出了對軌道大巷運用高性能注漿材料進行注漿加固的方案。

2.2 注漿參數設計

對軌道上山應用高性能注漿材料進行注漿加固，試驗注漿長度80m。注漿采用深淺孔梯度注漿，注漿孔在巷道底板左右對稱布置，具體布置及參數見圖3。注漿孔直徑50mm，孔口直徑108mm，封孔長度不低于0.6m。注漿材料選用研發的高性能注漿材料，水灰比0.8～1.0，注漿壓力不低于3MPa，并根據實際注漿情況進行調整。

圖3 底板注漿孔布置示意

2.3 注漿施工過程

根據設計的鉆孔參數，使用錨桿鉆機成孔。成孔后插入注漿管 (在管壁0.6m以下部分均勻布置小孔)，并采用布袋封孔，封孔長度不低于0.6m。待封孔牢固后，即可進行注漿。注漿時采用先淺后深，先底角，然后依次從兩邊向中間的順序進行注漿，漿液的配制要嚴格按照要求進行配比。在每班注漿結束后或因故需要暫停注漿較長時間時需要對注漿泵和注漿管進行清洗，防止漿液凝固堵塞。

2.4 注漿觀測結果分析

為驗證注漿效果，在試驗巷道中均勻布置3個觀測點，在觀測點采用十字布點法布置監測斷面，對巷道頂底板移近量進行測量，頂底板移近量如圖4所示。

根據現場監測數據分析，底板注漿試驗前巷道底鼓量相對較大，平均達1250mm，最大高達1600mm，注漿試驗20d后巷道頂底板變形量明顯減小，巷道變形已趨于穩定，底鼓量平均僅為130mm，最大量為200mm，相比注漿前減少了近90%，說明通過注漿，底板整體性及強度明顯提高，底鼓得到了很好地控制，減少了巷道后續維修費用，增加了服務年限。