煤巖注漿加固技術與高性能無機注漿材料研發

李西凡 ，熊祖強 ，2，劉旭峰 ，王雨利

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000；3.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110000；4.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作 454000）

近年來隨著注漿理論、工藝、材料及設備等方面的不斷研發更新，注漿加固技術在礦業工程中得到了廣泛的應用并取得了良好的效果[1]。通過對破碎煤巖體實施注漿，可以有效提高其強度及完整性，改善其變形性能。實踐中由于工程背景的不同，對注漿材料的性能要求也不同。注漿材料的選擇要符合具體工程的治理理念。當前在注漿材料領域形成了有機高分子材料與傳統無機水泥材料2大體系，二者各有各的優缺點[2]。前者具有流動性好、滲透性強、凝結速度快等優點，但其存在反應放熱量大、有毒且價格昂貴等缺點。后者具有結石體強度高、耐久性強、價格低廉等優點，但其存在結石率低、強度增長緩慢、可注性差等缺點。因此，規避二者缺點研發新型注漿材料成為當今研究熱點[3-5]。由于現場工程特點各異，當前在煤礦注漿加固工程實踐中，注漿材料的選擇較為盲目。疏于結合工程的特點，往往會導致漏漿、堵孔、漿液擴散半徑小、結石體與圍巖變形不協調等不良現象的發生。以煤礦巖層控制實踐中2種典型的注漿加固工程為背景，探討了相關治理理念與治理工藝，并分別研發了與之相適應的注漿材料。

1 巷道破碎圍巖淺孔層次注漿技術

巷道開掘后會經歷多次采動影響，還會受到工作面固定支承壓力的持續影響。這些采動及應力集中因素導致巷道淺部區域圍巖破碎、裂隙發育，形成松動圈，越往深部逐步過渡至塑性區、彈性區。然而這種圍巖破壞分區僅僅是1個動態平衡過程的反應，由于受本煤層鄰近工作面采掘活動與本工作面固定支承壓力以及上煤層工作面回采動壓或遺留煤柱疊加應力等因素的影響，巷道圍巖仍然會發生快速或緩慢持續性的變形破壞[6]。兩幫的變形破壞會導致巷道底板實際跨度的增大，增加底板變形失穩的幾率，甚至會引發強烈的底鼓變形[7-8]。由于巷道兩幫的持續內斂以及底板的撓曲變形，使得巷道淺部圍巖松散破碎，錨固基礎喪失。

對于該類型巷道圍巖變形的治理要注重時效理念，即要求治理措施快速發生作用以抑制采掘動壓以及集中應力對巷道圍巖的破壞[6]。結合圍巖分區特點以及裂隙發育規律，淺部松動區及塑性區應為注漿治理的重點[9-10]。松動區裂隙發育程度較高，直接注漿可能會出現嚴重的漏漿問題，而塑性區由于裂隙發育不充分，可能會出現漿液難以注進的問題。基于此，需在注漿材料及工藝上進行相關研究。首先，注漿材料應適應圍巖分區的特點，要求漿液在淺部區域能夠實現快凝以解決漏漿問題。其次，在塑性區要求漿液具有合適的黏度及流動度，以滿足在低裂隙發育程度下的可注性要求。此外，為了快速強化巷道圍巖并提高錨桿、錨索的承載性能，要求材料具備早強特性。在具體的工程中，注漿作業是1個緩慢過程。因此，具備速凝特性的注漿材料必須按照雙液思路設計，即在攪拌桶、注漿泵以及輸送管路內是以單液形式存在，最后以混合液形式注入圍巖裂隙，以保證具有足夠的施工時間。

破碎圍巖淺孔層次注漿技術示意圖如圖1。該注漿工藝設備配置主要有雙液注漿泵、攪拌機、管路及混合裝置等，其中注漿泵是注漿設備的核心。由于煤礦井下環境特殊且工況條件復雜，注漿壓力及注漿量隨時間變化頻繁且變化幅度大，要求注漿泵具備較強的壓力控制能力，能夠隨壓力變化自動調節排漿量且嚴格防爆[4]。氣動注漿泵采用壓縮空氣作為動力，具有結構緊湊，注漿壓力、流量可以無極調控等優點，因此比較適合煤礦破碎圍巖注漿。現場注漿工程中，注漿鉆孔設計長度應深入至圍巖塑性區。在完成鉆孔施工后，應插入注漿導流管直至孔底以最大程度地保證整個鉆孔覆蓋區域圍巖注漿的均勻性，防止因塌孔、漿液偏流效應等因素導致深部區域加固不良的問題。為防止淺部松動圈區域出現嚴重漏漿問題，在敷設注漿管后需進行封孔，封孔長度應隔過松動圈區域。在注漿過程中，若出現漏漿現象時，可采用降低漿液水灰比、間歇停頓并配合塞棉紗方式堵漏。

圖1 巷道破碎圍巖淺孔層次注漿技術示意圖

2 采場超前支承壓力區深孔防片幫注漿技術

2.1 淺孔注漿技術的弊端

在采場前方存在著隨工作面推進而移動的超前支承壓力。該超前支承壓力峰值可達原巖應力的2～3倍，其可以引發煤體的變形、破壞，產生各種各樣的結構面，造成工作面開采時片幫、冒頂現象的發生[11]。特別對于大采高工作面，其片幫問題尤其嚴重，已成為綜采設備效能發揮的重要制約因素。目前多數礦井主要采用工作面煤壁淺孔注高分子材料方式來控制片幫，注漿成本極高且干擾生產，故多作為事后處理措施[12]。此外，高分子材料存在諸多安全隱患且影響煤質。因此，有必要開展工作面兩巷深孔預注漿技術及相應注漿材料的研究，以規避當前治理措施的不足，確保對煤壁和頂板形成有效的控制。

2.2 深孔片幫注漿技術的提出

工作面超前支承壓力一方面會造成煤體破碎，誘發煤壁片幫，甚至冒頂，但另一方面也會增大煤體的可注性，增大漿液的擴散范圍。因此，可利用超前支承壓力這一特點，選擇合適的注漿時機對煤體進行注漿，以防止工作面推進時產生不利的礦壓顯現。根據煤體受載狀況，工作面前方可分為破壞區、塑性區以及彈性區。彈性區內煤體和頂板巖體裂隙不發育，可注性差，需采用劈裂注漿。注漿后的煤巖體強度未必有原始煤巖體強度高，而且還要經歷強烈的采動影響再次發生破壞，從而使注漿失效。塑性區內的煤巖體在集中應力的作用下裂隙發育，空隙連通性增加，可注性強。破壞區內煤巖體完全破碎，可注性較好，但煤巖體基本喪失承載能力，要求注漿材料具有較高的強度，而且還存在漏漿的問題。因此，合理的注漿區域應選擇在煤巖體塑性區，考慮到工作面位置的動態性，最優的注漿時機應使工作面前方煤體處于塑性區與彈性區的過渡區域，該區域接近于工作面超前支承壓力峰值位置。

2.3 深孔注漿技術及材料選擇

在掌握工作面超前支承壓力分布規律后，可在工作面兩巷提前打深孔，并進行插管、封孔等一系列工作，待鉆孔進入至超前支承壓力區峰值位置附近時進行注漿。由于大采高、放頂煤等高產高效工作面推進速度普遍較快，因此要求注漿材料需在1～2 d內達到較高的強度以滿足高效開采的需要。此外，深孔注漿時漿液滲透時間較長，要求漿液初凝速度不能過快，在40～60 min內性狀不發生大的改變，以滿足施工和滲流的需要。

采場超前支承壓力區深孔防片幫注漿技術示意圖如圖2。該治理工藝需超前工作面沿回采巷道進行打鉆作業，鉆孔深度覆蓋整個工作面長度。可以將深孔注漿鉆孔和瓦斯抽采鉆孔統一，即提前成孔、插管、封孔后先行作為瓦斯抽采鉆孔，待回采時期可以作為注漿鉆孔。在一些工作面由于煤質較軟或存在構造異常區，可能會出現塌孔、卡鉆等鉆進困難現象。這種情況下可采用“分次成孔”方案，即在出現鉆進異常時，立即退鉆，連接注漿管并采用速凝材料進行注漿，以固結異常區松散煤矸并封堵淺部漏漿通道，待漿液凝固后重新套孔并繼續鉆進成孔[13]。針對地質構造分布較多的區域，可結合物探技術，提前探測出工作面中地質異常區域，做到有的放矢，提高注漿效率。

圖2 采場超前支承壓力區深孔防片幫注漿技術示意圖

3 高性能無機注漿材料

3.1 雙液注漿材料

該材料是由A、B雙組分構成。A組分由主料硫鋁酸鹽水泥熟料和添加劑組成，B組分由主料石膏、石灰和添加劑組成，添加劑主要由速凝劑、減水劑、增稠劑、緩凝劑等組成[13]。該材料主要應用于淺孔注漿加固工程，淺孔注漿要求漿液具備突出的快凝特性。故在材料配制過程中，通過調節主料及添加劑的摻量以滿足流動度、凝結時間等指標要求。在材料使用過程中，A料、B料分別按相同的水料比加水拌合制得單液料漿，然后將其按體積比1∶1混合使用。在雙組分料漿混合后，硫鋁酸鹽水泥熟料中的無水硫鋁酸鈣在石膏、石灰及外加劑作用下發生反應，在短時間內迅速生成大量的針柱狀鈣礬石晶體，形成主要的強度載體[6]。

該材料具備快凝、早強、高結石率、凝結時間和膠結強度可調等特性，其較為適合破碎圍巖注漿加固需要，特別適用于軟巖、構造區、動壓等復雜條件下具有較強時效性要求的大變形巷道及掘進工作面的淺孔注漿加固工程。該材料的具體性能指標為：2種漿液在混合前，6 h內漿液不凝固、不泌水、不沉淀，具備良好的流動特性；2種漿液混合后，1～10 min失去流動性，10～30 min完全固化，適合于時效性要求較高的注漿工程需要；漿液在（0.6～1.2）∶1水灰比下漿體結石率可達100%；結石體24 h的強度能達到10 MPa以上。通過調節漿液水灰比，可以實現淺層堵漏和深層滲透注漿的需要，施工特性較好。雙液注漿材料加固煤體現場采樣圖如圖3。

圖3 雙液材料加固煤體采樣圖

3.2 單液注漿材料

該材料由超細水泥與早強劑、減水劑與增稠劑等添加劑組成。按質量計各成分組成為：超細水泥100份，早強劑 1.5～2.5份，減水劑 0.5～1.5份，懸浮劑0.5～1.0份，通常情況下，采用的水灰比為（0.6～0.8）∶1。該材料主要應用于深孔注漿加固工程，而深孔注漿時漿液的運動形式以滲流和劈裂運動為主，因此要求漿液必須具備較強的流動性和可注性。故在配制過程中，通過提高材料細度，增大水灰比，降低黏度等方法實現上述要求。該材料具備突出的高滲透性、高強等特性，特別適用于工作面防片幫、冒頂深孔注漿加固工程需要。該材料的具體性能指標為：細度可達 2 000目（6.5 μm），平均粒徑為 3～5 μm，能夠滲入細小裂隙；漿液在（0.6～0.8）∶1 水灰比下初凝時間大于45 min，終凝時間大于4 h，結石率可達100%；24 h強度可以達到25 MPa，最終強度可達50～70 MPa。

4 結論

1）工程背景不同，對注漿材料的性能要求不同。注漿加固技術的實施，要結合具體的工程特點，選擇適合的注漿材料并研發針對性的注漿工藝。

2）采用淺孔層次注漿技術并配合雙液速凝注漿材料，可對疊加應力、回采動壓等復雜條件下破碎圍巖巷道進行治理。

3）在工作面超前支承壓力區采用高性能單液注漿材料實施深孔注漿技術，可以防止工作面煤壁片幫。