過采空區巷道圍巖注漿加固技術實踐

徐付滿

（棗莊礦業集團滕東煤礦，山東 滕州 277500）

注漿加固是利用漿液來充填和固結被破壞了的或原有的裂隙面，提高巖體強度，充分發揮巖體的承載能力[1-2]。同時圍巖注漿可有效地封堵流水通道，隔離采空區積水和含水層的水，防止滲透砌碹結構進入礦井。經過多年的研究與實踐，我國煤礦已經形成以錨固與注漿加固為核心的巷道支護成套技術，成為煤礦巷道首選的、安全高效的支護技術[3-4]。

1 工程概況

山東滕東煤礦開采的煤層，在兼并重組之前15號煤層已經有部分區域資源開采完畢，形成了采空區，而礦井主要巷道均布置在15號煤層，使得主斜井井底車場繞道有70多米穿過老采空區。由于砌碹支護本身強度有限，巷道周圍均為垮落的破碎圍巖，在上覆巖層壓力的作用下，巷道變形十分嚴重，無法保證車場在整個礦井服務期間的穩定；采空區中的砌碹巷道不但穩定性差，同時受到老采空區內積水的影響，頂板淋水嚴重，砌碹結構受到侵蝕，存在巷道失穩和透水的危險，影響井下作業人員的生命安全。因此，過采空區段車場繞道必須采用圍巖注漿的方法同時解決巷道變形和透水的問題。

2 注漿參數確定

2.1 注漿材料

水泥—水玻璃漿液與傳統的單液水泥漿相比，凝膠時間可準確控制在幾十秒至幾十分鐘范圍內；結石體的抗壓強度可達10MPa，高于單液水泥漿；凝結后結石率可達100%；結石體的滲透系數為10-3cm/s；可用于裂隙寬度為0.2mm以上的巖體或粒徑為1mm以上的砂層[5]。此外，與高水材料相比，注漿材料來源廣泛，價格便宜，對環境及地下水無污染。

基于以上分析對比，采空區中車場繞道破碎圍巖注漿固化、堵水材料選用水泥—水玻璃雙液注漿材料。

2.2 漿液配比

根據工程實踐經驗，以425號或525號普通硅酸鹽水泥為例，水泥－水玻璃漿液的適宜配方如下：水泥漿的水灰比為0.8:1～1:1；水泥漿與水玻璃的體積比1:0.5～1:0.8；水玻璃模數2.4～3.4，波美度22～40°。

綜合考慮凝膠時間以及抗壓強度兩方面，根據相關實驗結果，最終確定水泥水灰比為1:1，水玻璃濃度為40波美度，水泥漿與水玻璃的體積比1:0.5。

2.3 注漿壓力

注漿壓力主要由三部分組成，一是管路壓力損失p1；二是滲透壓力p2；三是注漿管水頭壓力差壓力損失p3。

（1）由粘性流體力學可知，注漿時的管路壓力損失p1：

式中：

L0-輸漿管長度；

r1-輸漿管半徑；

V-流速；

μ1-注漿管摩擦阻力因數；

L1-注漿管長度。

（2）滲透壓力p2要小于由弱面控制的圍巖體的抗拉強度σt。

（3）注漿管水頭壓力差壓力損失p3：

式中：

ε-漿液容重；

△h-注漿管長度。

則破碎巷道注漿的極限壓力 ：

η0取 1.9×10-3Pa·s，V取 2.4m3/h，r1為0.75cm，L0為100m，L1為2.5m，μ1為0.2，σt取 1.5MPa，取0.01MPa，p取0。代入上式，計算可得，圍巖注漿壓力約為2.0MPa。

2.4 漿液擴散半徑確定

漿液流型主要由注漿材料和水灰比決定，破碎圍巖注漿要求充填體有一定的強度又具有良好的流動性和滲透性，同時盡可能降低成本。按施工方案配比的注漿材料，漿液流型可以考慮為牛頓流體。

漿液擴散的理論模型見圖1。

圖1 球形擴散理論模型

注漿量滿足：

式中：

kp-滲透系數，，φ為孔隙率；

ηp-水的粘度；

η(t)-t時刻漿液 粘度，，η0為漿液初始粘度，k為粘度增長指數。

代入上式得：

式中：

C-積分常量。

根據注漿時的邊界條件：當P=P0時，l=R；當P=P1時，l=L有：

上式即為牛頓體漿液在破碎圍巖中的擴散公式。

不考慮漿液粘度的時變性時，即k=0，并考慮到1/l0＞＞1/l1，即為計算牛頓體漿液擴散半徑的Maag公式：

計算得出不同的孔隙率和注漿壓力下的注漿擴散半徑，見表1。

表1 不同的孔隙率和注漿壓力下的注漿擴散半徑

參照類似地質條件資料，判斷破碎巖體的孔隙率為0.3左右，注漿壓力2.0MPa左右。根據上表，可以確定注漿的有效擴散半徑在2.1m左右，現場注漿孔布置按照2.0m的注漿擴散半徑布置。

2.5 注漿量的確定

每個注漿孔的注漿量：

式中：

Q-每個注漿孔的注漿量，m3；

A-漿液消耗系數，1.2～1.5；

H-鉆孔長度方向加固區厚度，m；

L-漿液有效擴散半徑，m；

β-圍巖的裂隙率；

λ-漿液的充填系數。

根據破碎巖體的松散程度及孔隙率確定注漿量。參照類似地質條件資料判斷破碎巖體的孔隙率為0.3左右，注漿半徑取5.0m，預計每米注漿量為20m3，每噸注漿材料能充填2.5m3，因此每米所需的注漿材料約為8t。

3 注漿施工

3.1 注漿設備

注漿采用雙液注漿設備，注漿管采用Φ20mm鋼管制作，長1.5m，外端加工30mm螺紋，注漿封孔長度為1.20m，在里段1.20m和1.35m位置處分別打直徑6mm的孔。注漿管注漿后作錨桿使用，注漿管加工圖如圖2所示。

圖2 注漿管（單位：mm）

3.2 注漿孔布置

注漿分兩次進行，第一次頂板大范圍注漿，第二次全斷面小范圍注漿。在注漿中遵循兩個基本準則：一是注漿的漿液對圍巖不造成劈裂；二是在不造成圍巖劈裂的情況下盡可能提高注漿壓力。注漿方式采取柱面擴散方式。

為了提高注漿效果，在確定注漿孔間排距時，既要考慮最大程度地發揮每個注漿孔的有效作用，減小巷道加固維護工程成本，又要保證注漿后漿液在滲透半徑范圍內有一定程度交叉。根據注漿工程實踐及理論分析，在巷道頂板兩側布置鉆孔，單側每隔3m布置鉆孔，孔徑42mm，孔深5.0mm，位置與拱頂呈36°夾角，鉆孔成等邊三角形布置，如圖3。

圖3 注漿孔布置

圖4 注漿孔三維效果圖

第二次小范圍注漿時，注漿孔布置為：單側每3m布置1排，單側每排3個孔，頂部注漿孔布置與拱頂呈45°夾角，幫部注漿孔間距1000mm，孔徑42mm，注漿孔深2400mm，與第一次注漿鉆孔錯開，最后在頂板中線上打鉆孔，每3m布置一個注漿孔。注漿孔三維效果圖如圖4。

4 圍巖觀測及效果分析

為了檢驗注漿加固效果，注漿后在巷道中布置了位移觀測點。安裝完15d內每天觀測一次，以后每5d觀測1次。觀測數據整理分析如圖5。

從圖5可知，注漿后巷道頂底板移近量穩定在76mm，兩幫移近量穩定在22mm，頂板再無滲水現象，說明注漿參數的設計是合理的。通過注漿，提高了巷道圍巖的整體穩定性和自承載能力，凝固后的漿液固結體將封閉圍巖的裂隙，使破碎煤巖體形成一個整體，提高承載能力，增大圍巖的強度，大大減小了巷道變形。

圖5 注漿加固后巷道變形量

5 結論

注漿參數是注漿加固順利實施和取得良好效果的關鍵。本文以山東滕東煤礦過采空區巷道為例，詳細分析了注漿壓力、注漿半徑和注漿量等參數的確定方法。實踐結果表明，注漿提高了圍巖承載能力和整體穩定性，巷道的變形得到了有效控制，解除了巷道的失穩和透水問題，保證了巷道的服務年限。注漿加固過采空區巷道的成功實踐，為其他破碎巷道注漿施工提供了參考，具有廣闊的應用前景。