不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)研究

孫志強(qiáng),張 露

（河南能源義煤公司石壕煤礦，河南 三門峽 472100）

注漿是煤礦常用的一種圍巖加固方式，具有提高圍巖完整性、增強(qiáng)圍巖承載能力的作用，已經(jīng)成為維護(hù)巷道穩(wěn)定的常用加固手段之一。鉆孔間排距是注漿方案設(shè)計(jì)當(dāng)中重要參數(shù)之一。合理的鉆孔間排距應(yīng)該保障漿液充分?jǐn)U散，同時(shí)盡量減少浪費(fèi)，而鉆孔間排距設(shè)計(jì)主要依據(jù)是漿液擴(kuò)散半徑。漿液擴(kuò)散半徑影響因素較多，尤其受工程條件差異性影響顯著，必須針對(duì)某一具體工程地質(zhì)條件得出的漿液擴(kuò)散半徑數(shù)值才有意義。目前工程施工中鉆孔間排距多具有隨意性，注漿效果不佳或存在浪費(fèi)[1～3]。因此，本文以石壕煤業(yè)13162順槽為工程背景，研究該條件下漿液擴(kuò)散半徑，指導(dǎo)鉆孔間排距合理設(shè)計(jì)，同時(shí)，該試驗(yàn)方法可以應(yīng)用于其他礦井，以期提高注漿鉆孔設(shè)計(jì)間排距的合理性和注漿加固效果。

1 工程概況

13162順槽采用滯后注漿方式，根據(jù)圍巖破壞深度，采用4m、12m兩個(gè)孔深，層次注漿。

1.1 鉆孔初始布置

4m孔：鉆孔上、中、下排矩形布置。上排孔距頂板1m，仰角0°；中排孔距頂板2m，仰角0°；下排孔距頂板3.5m，仰角0°。排距2m，孔徑42mm。

12m孔布置：鉆孔上、下排矩形布置，上排孔開孔高度距頂板1.5m，仰角5°；下排孔開孔高度距頂板3m，仰角0°，孔深12m，排距2m，孔徑42mm。如圖1所示。

圖1 4m、12m鉆孔布置圖

1.2 注漿材料

4m孔目的是封堵錨桿孔、裂隙等漏漿通道，采用河南理工大學(xué)研發(fā)的雙液注漿材料，由A、B兩種粉料組成，使用水灰比0.8：1，混合后1min左右失去流動(dòng)性，5min～10mmin終凝，2h強(qiáng)度12MPa以上，是一種良好的淺部圍巖封堵注漿材料；

12m孔目的是深部裂隙加固，采用河南理工大學(xué)研發(fā)的超細(xì)單液注漿材料，粉料細(xì)度＞1250目，使用水灰比0.6：1，漿液可以保持20min左右良好流動(dòng)性，60min初凝，240min終凝，1d強(qiáng)度25MPa以上，材料流動(dòng)性好、擴(kuò)散性強(qiáng)、強(qiáng)度高、強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，是一種用于深部圍巖注漿的加固材料。

1.3 注漿方式

采用循環(huán)注漿方式，20m為1個(gè)循環(huán)，即先注4m孔，滯后4m孔20m開始注12m孔。

2 漿液擴(kuò)散半徑影響因素分析

1）圍巖裂隙。裂隙是漿液擴(kuò)散的通道，是漿液擴(kuò)散半徑的決定性因素。裂隙不發(fā)育區(qū)域，擴(kuò)散半徑小，裂隙發(fā)育區(qū)域，擴(kuò)散半徑大；裂隙發(fā)育程度受地質(zhì)條件影響，不同區(qū)域變化大；動(dòng)壓影響巷道裂隙發(fā)育程度隨工作面回采礦壓顯現(xiàn)影響呈動(dòng)態(tài)變化，區(qū)域性明顯。因此，必須把同一孔深的試驗(yàn)鉆孔集中布置，盡量滿足裂隙條件接近。

2）注漿材料流動(dòng)性。在煤體裂隙發(fā)育程度確定的情況下，注漿材料流動(dòng)性是決定擴(kuò)散半徑的關(guān)鍵因素。雙液注漿材料稠化速度快，黏性迅速變大，可以起到良好的堵漏作用，同時(shí)也決定了材料流動(dòng)距離小；單液注漿材料具有良好流動(dòng)性，材料超細(xì)，原理上能夠滿足任意裂隙的擴(kuò)散，同時(shí)也決定了單液注漿出現(xiàn)漏漿時(shí)難以封堵，難以繼續(xù)提高注漿壓力，造成試驗(yàn)終止。因此，12m孔試驗(yàn)應(yīng)在4m孔已注漿封堵區(qū)域進(jìn)行，最大程度減少漏漿。

3）注漿壓力。在裂隙發(fā)育程度、材料選擇一定的前提下，注漿壓力對(duì)擴(kuò)散半徑起到較大影響作用。注漿壓力是漿液擴(kuò)散的動(dòng)力，注漿壓力與擴(kuò)散半徑呈正相關(guān)關(guān)系。設(shè)置不同注漿壓力進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比不同壓力下漿液擴(kuò)散半徑。

4）注漿流量。注漿流量對(duì)擴(kuò)散半徑起到一定影響作用。對(duì)于淺孔，貫通裂隙較少，注漿流量過大時(shí)，漿液在孔內(nèi)擴(kuò)散不及，會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓，造成注滿假象，人為終止注漿后，孔內(nèi)漿液擴(kuò)散，裂隙沒有得到較好的充填；同時(shí)，流量過大，當(dāng)出現(xiàn)漏漿時(shí)，停泵處理堵漏后再次開泵，大流量漿液會(huì)瞬間沖開凝固裂隙，造成漏漿難以封堵。因此，淺孔注漿應(yīng)采用小流量，而深孔注漿對(duì)流量大小適應(yīng)性更強(qiáng)。

圍巖裂隙由現(xiàn)場(chǎng)條件決定，漿液流動(dòng)性與材料本身有關(guān)，注漿流量受注漿泵選型限制，注漿壓力為現(xiàn)場(chǎng)可控因素。

3 漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)鉆孔布置

1）4m孔。鉆孔布置：在未注漿區(qū)域進(jìn)行，開孔高度距離底板2m，間距5m，依次布置6個(gè)，編號(hào)為1#～6#；試驗(yàn)壓力：0～8MPa；注漿泵：2ZBQ40/11 氣動(dòng)注漿泵；注漿材料：雙液注漿材料，水灰比0.8：1；封孔長(zhǎng)度：1m。

2）12m孔。鉆孔布置：在按照初始方案4m孔已注漿區(qū)域進(jìn)行，開孔高度距離底板2m，間距2m，依次布置 6 個(gè)，編號(hào)為 1#～6#；試驗(yàn)壓力：0～12MPa；注漿泵：ZBYSB40/22-7.5kw液壓注漿泵；注漿材料：?jiǎn)我鹤{材料，水灰比0.6：1；封孔長(zhǎng)度：均為2m。

3.2 壓力控制方式

在孔口安裝壓力表，按照“漏漿對(duì)應(yīng)壓力”記錄方式，即每出現(xiàn)一次漏漿，記錄漏漿卸壓前一刻壓力表壓力，記錄漏點(diǎn)位置與孔口距離，該距離即為該壓力下擴(kuò)散半徑之一，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

3.3 試驗(yàn)終止條件

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，保持設(shè)計(jì)壓力繼續(xù)注漿，不再提高泵壓，泵不工作時(shí)停止注漿。如果出現(xiàn)煤體表面松動(dòng)或者漏漿難以封堵時(shí)，也可終止。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）4m孔。共出現(xiàn)10處漏漿，第10處時(shí)重復(fù)堵漏，注漿終止，平均注漿量0.2噸，漏漿位置見圖2，位置參數(shù)見表1。

圖2 4m孔漏漿位置分布圖

表1 4m孔漏漿位置參數(shù)

由表1可知，4MPa以內(nèi)，水平方向及向下擴(kuò)散半徑0～1.6m；8MPa以內(nèi)，水平方向及向下擴(kuò)散半徑0～1.9m，平均1.6m，最大可達(dá)3.5m，向上1m。

4m孔擴(kuò)散半徑關(guān)鍵因素為漿液凝固速度，擴(kuò)散半徑較小，注漿壓力增大有利于擴(kuò)散半徑增大。

2）12m孔。共出現(xiàn)9處漏漿，其中7處為串孔，2處為錨索孔漏漿。平均注漿量0.6噸，漏漿位置見圖3，位置參數(shù)見表2。

圖3 12m孔漏漿位置分布圖

表2 12m漏漿位置參數(shù)

由表2可知，4MPa以上，即出現(xiàn)大量煤炮聲，裂隙大量張開，8MPa以下，擴(kuò)散半徑在0～4m內(nèi)均有分布，平均3m，12MPa以下，擴(kuò)散半徑0m～6m，水平方向和向下大于4m，向上約2m。

12m孔注漿，單液注漿材料良好的流動(dòng)性決定了擴(kuò)散半徑較大，注漿壓力的主要作用是使?jié){液進(jìn)入深部微小裂隙和向上部運(yùn)動(dòng)，應(yīng)不低于10MPa。

3）鉆孔間排距優(yōu)化。4m孔采用雙液注漿材料，擴(kuò)散半徑較小，向上更小，優(yōu)化為鉆孔布置整體上移500mm，減小上排鉆孔與頂板間距，排距仍為2m，注漿壓力不小于8MPa，水平方向和向下漿液擴(kuò)散半徑1.6m，向上1m；12m孔采用單液注漿材料，優(yōu)化為鉆孔高度位置不變，由于串孔較多，排距增大到4m，注漿壓力不小于10MPa，水平方向和向下漿液擴(kuò)散半徑大于4m，向上2m。

5 結(jié)論

1）漿液擴(kuò)散半徑受圍巖裂隙、漿液流動(dòng)性、注漿壓力、注漿流量等影響，注漿壓力為可控因素；

2）進(jìn)行了4m孔、12m孔不同注漿壓力擴(kuò)散半徑試驗(yàn)，采用“漏漿對(duì)應(yīng)壓力”方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，4m孔注漿壓力不小于8MPa，水平方向和向下漿液擴(kuò)散半徑1.6m，向上1m；12m孔注漿壓力不小于10MPa，水平方向和向下漿液擴(kuò)散半徑大于4m，向上2m；

3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鉆孔初始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：4m孔優(yōu)化為鉆孔布置整體上移500mm，減小上排鉆孔與頂板間距，排距仍為2m；12m孔優(yōu)化為鉆孔高度位置不變，排距增大到4m；

4）漿液擴(kuò)散半徑受裂隙發(fā)育程度影響最大，建議每200m進(jìn)行一次漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)，進(jìn)行鉆孔布置優(yōu)化。