皇聯煤業極破碎圍巖注漿重塑技術

邢 超

(晉城煤業集團 趙莊二號井， 山西 晉城 048006)

我國大部分礦井存在巷道變形破壞問題，每年在巷道維修上投入巨額費用，嚴重影響巷道正常使用和采掘銜接[1-2]. 晉城沁水地區大部分資源整合礦井采用架棚、砌碹支護，巷道變形問題更為突出，每年平均返修2次，投入極大的人力物力。以往破碎圍巖重塑多采用化學漿或普通水泥漿注漿，化學漿性能好，但成本高，破碎區域注漿量大，礦井難以負擔。而普通水泥凝固速度慢，表層漏漿難以處理，注漿量小，表層注漿效果較差[3-4]. 早強、快凝的注漿材料，合理的注漿時機，合適的注漿工藝是增強注漿效果的重要因素[5]. 山西陽城皇城相府集團皇聯煤業二采區回風巷變形破壞嚴重，巷幫基本喪失承載能力，必須注漿重塑圍巖結構，避免多次返修。

1 工程背景

皇聯煤業目前開采3#煤層，平均埋深410 m，煤層厚度約6.5 m，二采區回風巷沿煤層底板掘進，斷面為矩形，寬4 m ×高3.5 m，留頂煤高度約3 m. 采用架棚支護，棚距1 m.

受地應力及采動影響，二采區回風巷變形破壞嚴重，近3年內已返修6次。近期出現兩幫中上部坍塌，坍塌煤體深度約2 m，塌落煤體擠入巷道內，煤幫呈斜坡，受兩幫破壞影響，頂板跨度增大，出現離層下沉，下沉量約500 mm，頂煤十分破碎，頂梁受壓彎曲，巷道狀況極差。由于無運輸條件，該礦將塌落下來的煤體回填頂角，整個巷幫約2 m深度全部為破碎煤塊，基本完全喪失承載能力，見圖1.

圖1 破碎巷幫及頂煤示意圖

2 存在問題及解決思路

鑒于二采區回風巷多次返修現狀，該礦計劃采用錨桿索支護替代架棚支護，以期一次性投入實現巷道長期穩定。目前，破碎塊體形成的兩幫及頂板根本無法實施鉆孔，更無錨固力可言，難以實現，因此必須注漿重塑圍巖結構。

由于巷幫及頂板空虛、破碎，預計注漿量極大，并且會出現頻繁的漏漿問題。以化學漿為例，消耗注漿材料不低于3 t/m，巷道總長2 000 m，預計消耗6 000 t，按照15 000元/t計算，注漿材料成本高約0.9億元，而普通水泥又無法滿足堵漏要求。因此，必須采用一種既能滿足工程需求，又能大幅節約成本的注漿材料，才能實現破碎圍巖重塑，實現錨桿索支護。

3 新型無機材料分層注漿工藝

3.1 分層注漿原理

兩幫及頂板圍巖根據破碎程度不同，可以劃分為淺層和深層。淺層為松散體堆積區域，基本喪失承載能力，大裂隙、空洞遍布，為主要的漏漿通道；深層為深部相對完整區域，圍巖仍有一定完整結構和承載能力，主要加固內部裂隙。

淺層注漿以充填注漿為主，漿液擴散較為容易，需要解決表面頻繁漏漿封堵問題，要求注漿材料具備快凝早強特性，且注漿材料作為將來巷幫松散煤體的骨架，必須具備足夠的強度。深層注漿以滲透注漿為主，裂隙變小，貫通性變差，需要材料具備較好的流動性，配合較高注漿壓力，便于充分擴散，以填充微小裂隙為主，減少節理面，具備適當強度即可。

由鉆孔窺視得出，兩幫淺層深度確定為2 m，深層深度確定為7 m，頂板淺層深度確定為3 m，深層深度確定為9 m.

3.2 注漿材料

分層注漿方式中淺層鉆孔和深層鉆孔對于注漿材料有不同的要求，采用河南力行科創礦山技術開發有限公司研發的新型無機雙液材料，通過改變水灰比調整性能，使其滿足兩種性能要求。

新型無機雙液注漿材料分為A型和B型，使用時加水攪拌，水灰比(0.8～3)∶1可調，混合后0.5～3 min失去流動性，8～20 min完全固化，2 h強度2～12 MPa.

淺層注漿采用0.8∶1水灰比，深層注漿采用1.5∶1水灰比，性能見表1.

表1 注漿材料性能參數表

3.3 鉆孔布置

1) 頂板鉆孔布置。

采用深、淺孔交替布置方式，一排淺孔、一排深孔。淺孔深度3 m，深孔深度9 m.

3 m淺孔每排布置3個鉆孔，兩側鉆孔距離幫部0.7 m，與水平方向夾角75°，中間鉆孔沿巷道中線，垂直于頂板。

9 m深孔每排布置3個鉆孔，兩側鉆孔距離幫部0.7 m，與水平方向夾角80°，中間鉆孔沿巷道中線，垂直于頂板。

2) 兩幫鉆孔布置。

采用深、淺孔交替布置方式，一排淺孔、一排深孔。淺孔深度3 m，深孔深度7 m.

3 m淺孔每排布置3個鉆孔，上部鉆孔、中部鉆孔和下部鉆孔在一條直線上。上部鉆孔距離頂板0.5 m，仰角10°，下部鉆孔距離底板1 m，垂直于煤幫，中部鉆孔在上部鉆孔和下部鉆孔中間，垂直于煤幫。鉆孔排距2 m，孔徑50 mm.

7 m深孔每排布置3個鉆孔，上部鉆孔距離頂板1 m，仰角7°，下部鉆孔距離底板0.8 m，垂直于煤幫，中部鉆孔在上部鉆孔和下部鉆孔中間，垂直于煤幫。鉆孔排距2 m，孔徑50 mm.

頂板鉆孔布置平面圖見圖2a)，兩幫鉆孔布置平面圖見圖2b)，淺孔布置斷面圖見圖2c)，深孔布置剖面圖見圖2d).

圖2 鉆孔布置示意圖

3.4 注漿工藝參數

1) 封孔。

頂板上方約有3 m厚頂煤，以上為巖石。前3 m采用d50 mm鉆頭擴孔，后6 m采用d33 mm鉆頭。

兩幫3 m淺孔封孔長度0.5～1 m，越短越好，7 m深孔封孔長度1～2 m，采用棉紗或編織袋在封孔范圍全長纏繞嚴實，不得只局部纏繞。

2) 注漿壓力。

淺層注漿壓力1～3 MPa，無需過大，出現漏漿時，暫停注漿0.5～1 min，漿液自行凝固封堵后復注，保證淺層絕大部分大裂隙都得到擴散填充。

深層注漿壓力5～8 MPa，深層裂隙發育程度低，使漿液在泵壓作用下充分擴散。

4 效果考察

1) 擴散效果。

注漿完畢后，施工鉆孔進行窺視，成孔良好，可見大量漿液痕跡，淺部漿圈數量多、寬度大，深部數量少、寬度小，未發現未被充填的裂隙，擴散效果良好。部分鉆孔窺視圖見圖3.

圖3 鉆孔窺視圖

2) 錨索拉拔試驗。

施工5根5.4 m長錨索，正常端錨進行拉拔試驗，錨固力分別為32 MPa、35 MPa、33 MPa、32 MPa、36 MPa，錨固力足夠，完全可以滿足工程需求。

3) 經濟效益。

新型無機注漿材料巷道注漿量約3 t/m，2 000元/t，巷道注漿材料消耗6 000元/m，不足化學漿成本的1/7.

5 結 論

1) 介紹了分層注漿原理，根據破碎程度不同將圍巖劃分為淺層和深層，兩幫淺層深度確定為2 m，深層深度確定為7 m，頂板淺層深度確定為3 m，深層深度確定為9 m.

2) 采用新型無機注漿材料，通過改變水灰比調整性能，使其滿足兩種性能要求。淺層注漿采用0.8∶1水灰比，深層注漿采用1.5∶1水灰比。

3) 效果考察表明，鉆孔窺視可見大量漿液痕跡，未發現未被充填的裂隙，擴散效果良好；錨索錨固力足夠，使用新型無機注漿材料，不足化學漿成本的1/7.