太平煤礦破碎碹體注漿充填加固技術的應用

何順強 李 虎 許華國 申憲亮

(四川川煤華榮能源股份有限公司太平煤礦)

太平煤礦采用平硐+暗斜井開拓方式，采用集中壓入分區回風的通風方式，礦井按標高劃分為1 100，900，700 m水平。目前，1 100 m水平已回采完畢，900 m水平除南四采區外，均已回采完畢，回采后主要巷道均作為下一階段主要的回風或運輸通道。目前，礦井主體工作全面轉入700 m水平，該水平按煤層走向和地質構造劃分為南一、南二和北一、北二采區。700 m水平北一采區已開始回采，是礦井主力生產采區，為加快700 m水平北二采區準備工作，通過現場調查，結合900 m水平巷道布置情況，充分利用原有巷道，降低成本，縮短準備時間，將原有900 m水平北四采區石門作為700 m水平北二采區3401石門，可少掘450 m長巖石巷道，既縮短工期又降低成本，但北四采區石門局部碹體破碎、開裂，無法滿足使用要求，需進行維修加固。

太平煤礦900 m水平北四采區石門施工時由于巷道頂板較破碎，冒頂頻繁，架棚支護無法滿足安全生產需要，又由于錨網支護技術當時尚未在該礦得到應用，結合該礦現有的支護技術，對該段破碎帶選擇了砌碹進行支護。采區回采完畢后，由于受地質條件、碹體質量和采動的影響，碹體產生了變形、開裂，兩幫擠出等現象，嚴重影響了巷道的安全使用，對運輸及過往行人產生了較大威脅。為此，有必要對已破壞的50 m長碹體進行維修加固處理。

1 巷道維修加固方案

針對巷道具體位置和碹體破壞的實際情況，本研究設計了3種方案：一是采用拱形棚加固，二是采用錨網(索)支護加固，三是采用注漿加固。由于北四采區石門已投入使用，架線、裝車口、絞車、水溝等已經施工完畢，擔負著900 m水平南四采區2個采煤隊的出煤任務，采用架棚維護時，架線停電時間長、架棚后占用了巷道的有效斷面，致使局部碹體寬度不足而需開幫，對生產的影響時間較長。采用錨網支護加固后，一方面需要重新敷設風水管路，增加生產準備工作量；另一方面需要切斷架線電源進行施工，在破碎碹體中打眼，容易出現卡釬、塌孔現象，鉆眼深度無法保證，同時碹體上方冒落狀況不一，造成錨桿安設困難或根本無法安裝，達不到維修加固的目的。采用注漿加固時，僅需敷設風水管路，采用φ32 mm鉆頭在碹體中僅需打500 mm深的眼孔安設注漿管即可，采用注漿加固無需切斷架線電源，注漿可連續進行，不影響井下生產，施工安全且靈活性較強。結合該礦現有設備以及700 m水平主暗斜井注漿治水經驗，設計采用注漿充填加固技術對破碎碹體進行維修。

2 方案實施

2.1 注漿加固施工工藝

2.1.1 破碎碹體外墻加固

碹體破碎、開裂后，特別是裂隙較大的情況下，若對碹體直接進行注漿，勢必造成漿液大量流失，不但浪費材料、影響環境，而且碹體上方漿液無法到達，無法對空頂區域起到較好的充填效果。為減少漿液流失，達到充填加固的效果，向碹體注漿前，首先對破碎、開裂碹體外壁進行噴漿加固。噴漿具體要求為：①破碎、開裂段碹體全斷面覆蓋，包括碹體墻角；②噴漿厚度為30～50 mm；③碹頭處必須封嚴；④噴漿固化3 d后再進行注漿[1-3]。

2.1.2 注漿鉆孔布置

考慮到漿液的流動能力和碹體壁后的空隙程度，在碹體正頂上布置1個注漿鉆孔，碹體兩側小弧中央各布置1個注漿鉆孔，每排3個注漿孔，沿巷道走向每5 m 1排，共計30個注漿鉆孔。碹體注漿鉆孔布置如圖1所示。注漿前首先施工1排注漿孔(3個)，注完漿后再施工下一排注漿孔，切勿將所有注漿孔全部施工后再統一注漿，勢必會導致漿液從未注的注漿孔內流出或堵塞注漿孔，從而導致注漿孔重復施工。

圖1 注漿鉆孔布置示意(單位：mm)

2.1.3 注漿套管

采用φ32 mm鉆頭鉆孔，為便于在巷道內施工，釬桿長度為1.0 m；孔口管采用1寸水管加工，長度為0.8 m。為增加孔口管外壁與碹體的摩擦阻力，鋼管外壁設置魚鱗扣，安裝時魚鱗扣的陡坡方向指向孔口，且置入時纏繞麻絲以便與碹體緊密接觸(圖2)。

圖2 套管剖面(單位：mm)

2.1.4 套管固定方式

注漿鉆孔與碹體空頂聯通后，退出鉆桿和鉆頭，而后用7655型風鉆將0.8 m長纏上麻絲并帶有魚鱗扣的1寸水管撞擊入孔內，撞入后必須進行拉拔，以防注漿時套管脫落傷人。

2.2 注漿工藝

根據施工地點狀況，考慮注漿與運煤互不影響，采用固定式注漿系統，即制漿站和注漿站設置于兩裝車口之間的單道寬敞處，將攪拌機置于平臺上，漿桶置于攪拌機下口。采用固定式注漿系統，終孔壓力為2 MPa，采用1寸水管進行漿液遠距離傳輸，而后用高壓管聯結至孔口管上進行注漿。漿液以水泥(425#)為主，加入適量清水制成，水玻璃主要起到速凝作用，增加注漿時的壓力，提高漿液在碹體上方的堆積、填充效果，使碹體與壁后跨落物充分固結。注漿設備主要有攪拌機(YB-800)、注漿泵(2TGZ-60/210)、高壓注漿管路。

注漿工藝流程如圖3所示，具體步驟為：①注漿前首先對注漿管路進行耐壓試驗，試驗壓力不低于8 MPa，持續30 min以上[4]；②注漿管路經耐壓試驗合格后，連接至待注漿鉆孔閥門上，通知注漿站壓清水，使鉆孔待注層暢通，選擇合適的泵量開始注漿；③選用425#以上普通水泥，采用全段連續注漿；④安排專人觀測孔口壓力表的讀數，發現異常應停止注漿，壓清水，異常排除后，方可恢復注漿；⑤正式注漿前應認真檢查注漿設備及管路是否完好、運轉是否正常、潤滑油是否充足等；⑥注漿前應采用注漿泵向注漿孔再進行1次注(壓)水試驗，壓入水量為鉆孔體積與管路體積之和的3～5倍，其作用在于沖洗并檢查注漿泵、注漿管路、注漿孔是否暢通，有無堵塞現象；⑦壓水試驗完畢后，可選擇合適的初始漿液濃度，并根據注入漿量和壓力變化情況，適時調整漿液濃度；⑧當出現注入量較大，且跑漏漿嚴重現象時，可采用間歇注漿法，即停20～30 min，再注20～30 min(停止注漿時應每隔5～10 min開泵1～2 min，以防泵體和輸漿管內的漿液沉淀)[5-8]。

圖3 注漿工藝流程

注漿終孔壓力控制在2 MPa以下，注漿過程中應隨時觀察壓力表讀數，不允許壓力表的讀數超過規定值(2 MPa)，開機時如果壓力表的讀數超過2 MPa，則應檢查注漿管路是否堵塞，注漿過程中如果壓力達到2 MPa，則應立即停止注漿并檢查管路是否通暢，如果管路正常，則應換孔進行注漿。當漿液從碹體中的不同位置滲出時，應采用棉紗進行堵塞，必要時向料漿中加入適量的水玻璃，再次進行注漿，根據碹體壁后空隙和注漿厚度確定每孔注漿量為2.5 m3。注漿前，碹體壁前、壁后如圖4(a)所示，注漿后，碹體壁前、壁后如圖4(b)所示。

圖4 碹體壁前、壁后示意(單位：mm)

注漿完畢后，對注漿碹體施工探測孔進行檢查，對漿液滲漏較嚴重、碹體上方未充滿填實、注漿過程中未達到要求注漿量的塊段，必須補充注漿鉆孔進行再次注漿，直至碹體上方被充滿填實為止。

本研究碹體注漿材料主要為普通硅酸鹽水泥、河砂和水玻璃，各類材料耗費見表1。

表1 注漿材料耗費

注：河砂用量單位為m3，單價單位為元/m3。

3 結 語

太平煤礦擬將900 m水平北四采區石門作為700 m水平北二采區3401石門，但受到采動影響，巷道碹體出現破碎、兩幫擠出和開裂現象，通過采用碹體壁后注漿加固技術，對巷道進行了維修加工。實踐表明：采用該技術后，通過近1 a的觀察，巷道維修效果明顯，碹體沒有再次發生開裂、破壞現象，滿足行人及安全使用需要。該技術的成功應用可少掘進巖石巷道450 m，降低了巷道掘進成本，節約了材料費用近180萬元，縮短了700 m水平北二采區準備時間(6個月)，可為類似條件下巷道維修加固提供有益參考。