千米深井巷道高壓劈裂注漿改性技術研發與實踐

張振峰，康紅普，姜志云，李文洲，姜鵬飛，蔡瑞春，朱陽濤，王 軍

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013; 3.中煤新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 阜陽 236153)

多年的現場實踐與工程試驗研究表明，以煤巖體地質力學測試為基礎和以錨固注漿為核心的巷道支護成套技術[1-2]，已經成為我國煤礦巷道首選的、安全高效的支護技術。在一些淺部簡單地質條件圍巖相對較完整的煤礦巷道中，高強度錨桿與錨索支護的方式得到了大面積推廣應用，技術與經濟效益顯著;對于破碎圍巖巷道，單純采用簡單錨桿錨索支護，并不能解決問題，破碎圍巖與錨固劑的黏結力小，無法保證錨桿與錨索錨固力，使之力學性能不能充分發揮[3-4]，在這種條件下，采用注漿加固與錨桿錨索支護相結合的方式是控制巷道圍巖變形的有效途徑[5-6]。

深井軟巖動壓巷道一直是錨桿支護的難點。傳統淺部礦井低應力、弱采動條件下的支護技術無法解決千米深井圍巖控制難題。高地應力與強采動疊加作用下，千米深井巷道圍巖發生持續性流變、大變形、圍巖整體移動、煤巖軟化、裂隙閉合、圍巖滲透性差。采用普通注漿材料與常規注漿工藝，注漿壓力低，注漿量少，無法達到預期加固效果[7-12]。

高壓劈裂注漿改性技術通過注漿改性方法可提高圍巖自承能力，是巷道圍巖“支護-改性-卸壓”協同控制技術的重要一環。以往的劈裂注漿方法往往應用于地表或淺部巖土加固工程，劈裂對象多為軟弱土層，或者滲透性較好的砂土層，注漿壓力較低，一般不超過10 MPa。千米深井軟巖巷道埋深大、地應力高、滲透性差，對高壓劈裂注漿工藝、材料與裝備提出了更高技術要求。筆者在以中煤新集口孜東礦121302運輸巷掘進工作面為工程背景，對采空區側煤柱注漿加固，研發高壓劈裂注漿改性技術并進行工業試驗，以期為解決類似高應力軟弱圍巖巷道注漿支護難題提供借鑒。

1 高壓劈裂注漿改性加固機制分析

1.1 高壓劈裂加固作用

不同于常規低壓注漿，劈裂注漿方法一般采用高壓注漿設備產生較高的注入壓力，將注漿材料作用于軟弱巖土體內部，使之產生水力劈裂現象。當注漿壓力達到并超過巖土層啟裂壓力時，漿液會在巖層中最薄弱位置形成劈裂路徑，產生新的裂縫，或直接導致原有裂縫發生延長、張開或裂隙間貫通，隨著注入壓力、流量增大，注漿過程中可發生多次劈裂，使漿液的擴散范圍變大，隨著漿液進入新的裂隙，注漿量得到增加，大大提高了加固效果。漿液在形成的網絡狀裂隙中固結為網絡骨架結構的結實體，在固結漿脈對周圍巖土層的骨架支撐與擠壓致密共同作用下，提高了被注巖土層的整體力學性能[13-20]。

壓密固結作用方面，劈裂漿脈兩側的煤層在漿液壓力作用下發生壓縮變形，相應的力學性能得到提高，主要表現在:煤層被漿液壓縮后產生壓縮變形，隨著壓力增加，減小了壓縮變形空間，被加固體變形量趨于穩定，抗變形能力得到增強，即煤巖壓縮模量得到提高;注漿管路常設置有逆止保壓結構，部分注漿材料固化過程還呈現一定程度的體積膨脹，造成裂隙內部的漿液在余壓狀態下完成凝膠固化，加固后的煤層原生與新生裂隙被壓縮閉合或填充，塊體之間黏結更為密實，增加了被加固體的黏聚力與內摩擦角，改變了圍巖的松散結構。

漿脈骨架作用主要發在注漿結束后，漿液在裂隙內部固結為漿脈骨架，對周圍弱區巖土層起到了相當于骨架結構的支撐作用;同時漿脈與被加固巖土層結合密實，選用的漿液材料其結實體本身力學性能高于劈裂區圍巖，漿脈骨架對于被加固體后期變形具有一定的框式限制約束作用，從整體上增加了被加固體強度。

1.2 高壓錨注加固作用

深井軟巖動壓巷道一直是煤巷錨桿支護的難點。框式支護與錨桿支護的本質區別在于:錨桿支護屬于主動支護。一般錨桿錨索支護采用端部錨固方式，單純依靠錨固劑與孔壁黏合的界面著力，錨桿依靠端部錨固劑“扎根”于圍巖內部，所錨巖體的力學性能決定了錨桿的著力程度，深井軟巖錨桿鉆孔松軟破碎，錨固劑與孔壁粘合程度差，無法“扎根”或黏結孔壁，也就無法施加預應力實現主動支護。

注漿錨桿采用中空高強管材兼做注漿管，通過外部錨固內部注漿的方式，在節理裂隙發育的軟巖巷道支護中應用較廣。千米深井高應力低滲透軟巖巷道注漿工程，若采用常規注漿錨桿、材料、工藝與封孔方式(普通膠塞或者面紗膠泥)，往往只是填滿注漿孔，漏漿現象嚴重，鉆孔圍巖吃漿量低，難以在錨桿周圍形成樹根發射狀漿脈，“抓緊”圍巖，加固改性效果差，如圖1所示。

圖1 常規注漿工藝現場試驗Fig.1 Conventional grouting process test

課題組在實驗室澆筑水泥砂漿模型，運用研發的預應力高壓注漿錨桿，開展高壓劈裂錨注試驗，效果如圖2所示，高壓錨注狀態下，錨桿周圍形成大量脈狀、面狀與塊狀結實體，將圍巖固結成一個整體。

在高應力低滲透軟巖地質條件下，通過高壓劈裂錨注加固后的圍巖可以為錨桿提供可靠的著力基礎，使錨桿對錨固區松碎圍巖的錨固作用得以發揮，使錨桿與注漿各自的適用范圍得到擴展。

圖3 121302運輸巷平面布置Fig.3 Layout of roadway 121302

2 現場方案設計及實施

2.1 工程概況

試驗地點確定在口孜東礦121302工作面運輸巷。試驗巷道平面位置如圖3所示，121302工作面為西翼12采區大孤島工作面，屬于沿空掘巷。該工作面運輸巷埋深1 000 m，屬于深部開采范疇，礦壓顯現強烈。巷道斷面設計為直墻半圓拱，開掘寬度5 800 mm，開掘高度4 100 mm，斷面面積20.16 m2;巷道沿煤層頂板剝巖掘進，留底煤2～3 m;掘進過程中該巷道東鄰121301工作面采空區，運輸巷距121301采空區凈煤柱寬度15 m。煤層頂板7，11.9 m以上存在細砂巖;煤層平均厚度4.9 m，上部含一層夾矸。

地質力學測試結果表明，121302巷道所處地應力場為自重應力場類型，垂直應力25.12 MPa，最大水平主應力21.84 MPa，方向為NNW。分析以上地質力學測試結果可知:西翼大巷布置方向與最大水平主應力方向基本一致，有利于圍巖自身穩定。試驗巷道布置方向與最大水平主應力方向呈約60°夾角，采用傳統簡單支護難于有效控制變形，必須加強錨桿錨索支護強度與剛度，充分發揮錨桿錨索的主動支護作用。

采空區側煤柱結構較松散，錨桿鉆孔破碎，在采空區側巷道幫部進行3組錨桿錨固力拉拔試驗，結果顯示:采用1支MSK2350錨固劑拉拔力不到20 kN，2支錨固劑錨固錨桿拉拔力平均為37 kN，均達不到設計值，不能滿足高預應力支護要求，急需采取注漿改性加固方式以保障錨桿、錨索主動支護能力。

課題組在121302工作面膠帶機運輸巷400 m位置開展新工藝、材料與裝備注漿試驗，測試高壓劈裂注漿工藝各項參數與新型材料可注性，并在巷道新支護方案段(920～1 120 m)進行示范性工業試驗。

2.2 注漿加固材料研發

硅酸鹽類水泥屬于典型的無機顆粒型材料，這種材料穩定性較差，容易離析、泌水和沉淀，由于其顆粒度較大，難以注入巖層的細小裂隙或孔隙中;化學漿液流動性好、可注性高，能注入巖土層中的細小裂隙或孔隙，但目前常用的幾類有機化學漿液性能差異大，后期強度不高，而且大量使用將直接導致工程成本增加。

課題組開發出了適應千米深井巷道低滲透圍巖注漿改性要求的微納米無機-有機復合改性材料。

新型注漿材料經過超細加工，95%的粒徑≤9 μm，是以水為分散、擴散介質的黃料、白料雙液型固相材料。注漿材料漿液配制可以根據施工現場情況，調節凝結時間與初、終期強度等(參照表1調整材料配比);固結體有微膨脹性，早期抗壓強度高，拉伸黏結強度達到現有水泥材料的3倍以上[8,21]。

表1 注漿材料配比時間強度
Table 1 Time strength of grouting materials ratios

MPa

2.3 注漿裝備研發

根據新型注漿材料技術指標與現場作業環境，試制礦用氣動雙液高壓注漿泵(圖4)，對泥缸特殊設計，不降低排量前提下，提高氣缸工作壓縮比，保證最大排漿壓力≥30 MPa;試制配套高速風動攪拌機，最高轉速≥1 000 r/min。

圖4 高壓注漿設備Fig.4 High-pressure grouting equipments

開發礦用高壓速凝注漿材料專用壓力記錄裝置(圖5)，可實時監測記錄注漿參數曲線，量程:0～60 MPa，并實現數據無線采集。

圖5 注漿壓力記錄儀Fig.5 Grouting pressure test recorder

研發預應力高壓注漿錨桿、高性能高壓注漿封孔器，為保證封孔可靠，封孔器采用一體預脹式結構，預脹壓力6～8 MPa，最大封孔壓力≥40 MPa。

2.4 工藝設計

考慮掘進工作面空間限制，漿液配置位置選在工作面掘進機后方，經過普通雙液注漿泵等組成的輸漿系統送至掘進工作面儲漿桶。根據現場巷道掘進循環情況，在巷道掘進工作面煤柱側，每天早班循環布置兩個注漿孔，漿液材料制備后由輸漿系統輸送至工作面附近，采用常規普通注漿泵，注漿工藝流程如圖6所示。

巷道掘進方向為上山，角度10°，1號注漿孔距離底板1 500 mm，仰角9°，垂直煤柱往里偏轉36°注漿孔深度11 000 mm。2號注漿孔距離底板2 000 mm，仰角14°，垂直煤柱往里偏轉64°，注漿孔深度9 400 mm。

使用微納米無機有機復合注漿材料，等質量黃料、白料與水混合配制漿液。水灰比0.8～1.0，凝結時間3 min左右;結石率100%，2 h凝固強度10～13 MPa。考慮超前預注漿速凝(注漿后連續進行割煤掘進、支護)和深孔適量的平衡關系，可根據現場注漿量及錨固力測試情況進行適當調整。

注漿鉆孔采用φ42 mm鉆頭打孔，注漿系統采用研發的氣動雙液注漿泵，最大注漿壓力≥30 MPa，額定漿液排量≥20 L/min。封孔深度距離孔口2～3 m(孔口破碎時增大封孔深度，根據現場情況進行適當調整，可用多個封孔器串聯)。采用單向封孔器封孔，利用孔口注漿管將封孔器送至封孔位置，開始注漿后封孔器自動完成封孔。

采用由下往上分序間隔注漿以保證注漿效果和漿液的滲透性。

3 現場試驗分析

3.1 注漿量數據統計

施工過程中，根據現場試驗結果反饋，漿液質量水灰比控制在0.8～1.0，漿液密度1.45～1.50 t/m3，超前注漿適當調高漿液水灰比，單孔注漿漿液先濃后稀。根據現場施工情況，對掘進工作面超前注漿孔注漿量及注漿終壓進行了統計，同時將滯后注漿(距掘進工作面6～8 m)與補強注漿(原有支護方案區域4 m淺孔與6 m深孔)也納入統計對比，如圖7，8所示。

圖7 不同注漿孔單孔注漿量散點分布Fig.7 Distribution diagram of grouting quantity in different grouting holes

圖8 不同注漿孔單孔終壓散點分布Fig.8 Distribution diagram of final pressure in different grouting holes

從單孔注漿量來看(圖7)，超前孔注漿量(平均9袋)小于滯后孔注漿量(平均15袋)，6 m深孔補強注漿量小于4 m淺孔補強注漿量。

從注漿終壓來看(圖8)，超前孔注漿終壓(平均26 MPa)大于滯后孔注漿終壓(平均15 MPa)，補強6 m深孔注漿終壓大于補強4 m淺孔注漿終壓，掘進工作面超前段高壓注漿最大注漿壓力超過30 MPa。

超前注漿孔煤體裂隙率低，裂隙少，注漿壓力高，單孔注漿量小;滯后掘進工作面6～8 m，在礦壓與掘進擾動作用下，煤體裂隙進一步發育。部分注漿孔周圍新打設安裝的錨桿錨索孔被漿液貫通;滯后掘進工作面50 m深淺孔補強注漿，煤體裂隙增加較多，注漿量較大。

3.2 注漿壓力曲線分析

從現場注漿壓力采集儀記錄數據獲得注漿壓力的P-t曲線(P為注漿壓力，t為采集時間)，從注漿壓力曲線圖9發現注漿過程中各種注漿階段并不是單一存在的，這也符合工程現場實際。一方面由于煤巖體不均質性，產狀形態、賦存狀況、結構面裂隙發育程度不相同;不同注漿孔深度與鉆孔偏轉角度存在偏差，局部范圍應力環境不完全相同。另一方面，受漿液黏度、流動性、風壓驅動、注漿流量等變化的原因，或根據工程需要，人為控制注漿參數改變注漿狀態。總體來說，掘進超前段注漿以劈裂注漿為主;掘進滯后段劈裂與滲透擠密注漿狀態并存;補強注漿段淺部充填滲透注漿為主。

圖9 注漿壓力曲線Fig.9 Pressure curve of grouting process

3.2.1超前劈裂注漿

劈裂形成的漿脈在延展方向上受區域地應力方向或者地層構造特征控制。超前段，裂隙閉合，注漿工程主要以提高注漿壓力為主。如圖10所示，開始注漿后，漿液到達封孔器，被限壓爆破閥阻擋，壓力急劇上升6 MPa左右，封孔器完成預脹，封緊孔壁，限壓閥開啟，漿液迅速擠入注漿孔，注漿泵恢復低壓工作狀態充填裂隙;隨著注漿過程進行，漿液塞滿鉆孔后，壓力再次開始上升。圖10中泵壓上下波動比較明顯，曲線表現為明顯的跌落和波動，且波動的振幅變化較大，說明內部裂紋擴展形態比較復雜，主、次裂縫相互交錯，既有明顯的主裂縫，還有多條次生及微裂紋產生。當壓力波動到達24 MPa左右，泵壓曲線迅速跌落，表明此時產生大的劈裂路徑，新的通道被打開，漿液涌入被劈裂的空間，注漿管路內部壓力驟降，隨后壓力再次急升急落，可分為多個階段，表明裂隙被擴張或煤體產生新的劈裂。超前段劈裂注漿，現場測得漿液擴散距離3～6 m，平均啟劈壓力22 MPa，最大啟劈壓力34 MPa。

圖10 超前劈裂注漿壓力曲線Fig.10 Pressure curve of splitting grouting in advance

3.2.2高壓微劈裂-滲透注漿

在時間空間上劈裂注漿與滲透壓密注漿加固效果是不均勻的。過高的注漿排量，會造成壓力升高，產生大的劈裂現象，但隨著漿液流動路徑增加，能量逐漸衰減，在漿脈擴展方向上，漿脈厚度及漿脈兩側地層的壓密程度均沿著漿脈擴展方向變小，注漿量與注漿壓力也隨著漿脈擴展方向衰減，距離注漿孔越遠地層注漿壓密加固效果也越差。

從泵壓曲線圖11，12可以看出，適當限制注漿流量(15 L/min)時，泵壓曲線呈現小振幅波動，注漿進入高壓微劈裂-滲透擠密注漿狀態。巷道滯后段注漿，尤其淺部注漿要避免壓力流量過大，一方面過高排量會造成巷道幫部鼓出變形;另一方面持續大流量高壓注漿會短時間產生大的劈裂路徑漿脈，使漿液過早進入淺表裂隙造成漏漿，提前結束注漿過程，影響整體注漿量與后期加固效果。

圖11 超前劈裂滲透注漿壓力曲線Fig.11 Pressure curve of advance splitting grouting

圖12 滯后段高壓劈裂滲透注漿壓力曲線Fig.12 Pressure curve of splitting-permeating grouting

圖13 補強注漿壓力曲線Fig.13 Pressure curve of reinforcing grouting

3.2.3補強注漿

舊支護區域補強注漿，巷道圍巖變形量大，裂隙發育，注漿壓力較小，基本以充填滲透注漿為主。如圖13所示，壓力曲線上偶爾會出現多次小振幅跳動，現場觀測多為裂隙貫通或小能量劈裂，劈裂壓力值較低，一般不超過6 MPa，如漿液到達附近錨桿、錨索孔，從某種意義上漿液進入鄰近平行錨桿錨索鉆孔可實現預應力錨桿錨索的加長或全長錨固，增加錨桿錨索體與孔壁黏結界面面積，顯著提高錨固質量。

試驗發現:對于速凝型注漿材料注漿初期適當降低注漿速度，調快漿液凝膠時間，待近距離淺部范圍裂隙漿液填充自凝后，恢復注漿速度，可顯著增加漿液擴散范圍，同時增加整體注漿量，提高注漿終壓，增強加固效果。

4 高壓劈裂注漿改性效果分析

4.1 巷道圍巖形貌改善

掘進工作面超前高壓注漿，泵送漿液壓力高，漿液擴散半徑大，經預注漿改性后，新掘巷道右肩角破碎漏頂現象明顯改善，如圖14所示。

4.2 注漿效果鉆孔探測

選取121302運輸巷改性試驗段采空區側巷幫，布置鉆探窺視孔，對新支護段進行注漿效果觀測。圖15為注漿后圍巖鉆孔電視探測得到的漿液擴散情況。

圖15 鉆孔窺視效果Fig.15 Picture of borehole scanning in the tested roadway

從圖15中清楚地看到，圍巖中的節理、裂隙被密實地充填與黏結。漿液起到很好的重新組合作用，將破碎巖體黏結為整體，恢復了圍巖連續性，為強力錨桿、錨索支護施工奠定了基礎。

4.3 錨固力測試

高壓劈裂注漿改性加固試驗后，對采空區側煤柱幫部錨桿錨固力重新進行測試，結果見表2。試驗錨桿使用2支MSK2350錨固，非破壞性拉拔測試均能達到140 kN，錨固力較注漿改性前提升明顯，滿足了千米深井支護設計要求。

現場注漿過程中發現，注漿錨桿周圍許多常規錨桿錨索孔裂隙導通或者被高壓漿液劈裂貫通，漿液灌入錨桿錨索孔，實現了部分錨桿錨索的加長與全長錨固，增加錨桿錨索體與孔壁黏合界面面積，顯著提升錨固質量。

4.4 掘進揭露取樣

隨著巷道掘進生產，超前注漿加固煤體中有一部分被剝離，可取到注漿固結體樣塊，如圖16所示。觀察可發現，漿液被壓入了煤體中的大小裂隙和微裂隙，松散煤體被壓實擠密。

剖開注漿固結體試樣進行觀測，可以看到煤塊內部裂隙均被填充密實，肉眼可觀測的裂隙基本被填充，原生的層理、節理面與新產生的斷裂也被充填密實黏合在一起。

4.5 SEM掃描電鏡與細觀形貌分析

將現場取的注漿煤樣在電子顯微鏡下進行觀測，放大3 000倍后可看到，漿液在高壓作用下可以進入并通過最小約2 μm寬度的裂隙，如圖17所示。

表2 錨桿錨固力測試
Table 2 Anchorage force test of bolts

項目煤柱側幫錨桿位置錨固劑拉拔力/kN備注距掘進工作面8 m1支MSK235020錨桿拔出注漿加固前舊支護方案距掘進工作面10 m2支MSK235027錨桿拔出距掘進工作面11 m2支MSK235047錨桿拔出新支護32排距掘進工作面944 m2支MSK2350140非破壞注漿加固后新支護102排距掘進工作面964 m2支MSK2350150非破壞新支護103排距掘進工作面1 003 m2支MSK2350150非破壞新支護105排距掘進工作面1 004 m2支MSK2350140非破壞

圖16 煤塊注漿固結體Fig.16 Photos of grouted coal

漿液在流動中呈樹狀分叉進入裂隙，通過電子顯微鏡對分叉處放大觀測，發現在裂隙尖端存在著明顯劈裂現象，證明高壓劈裂現象的產生，從漿液產狀表征的流動方向看，新生裂隙屬于拉伸破壞。

巷道采空區側幫取樣觀測，高壓注漿狀態下大部分樣品漿液與煤界面結合非常緊密，無明顯空隙，如圖18所示。

圖18 微觀界面掃描電鏡照片Fig.18 SEM micrograph of interface

如圖19所示，通過對現場取得的改性實驗漿液固結體進行微觀電鏡掃描形貌觀測，對比實驗室常壓狀態下，高壓狀態下漿液水化固結體更加密實，常壓狀態下的漿液細觀結構顯得雜亂疏松，從微觀上解釋了高壓注漿固結體具有更高的物理力學強度。

圖19 漿液固結體掃描電鏡照片Fig.19 SEM micrograph of induration

4.6 煤漿界面區納米壓痕試驗分析

常規的水泥類注漿材料與煤體結合程度較差，后期注漿固結體受來壓發生破壞往往從煤漿交界面開始。高壓劈裂注漿改性工藝屬于主動致裂，為確保致裂重新黏合后的煤體力學性能強于之前，通過納米壓痕試驗驗證煤漿界面區微觀力學性能。

將彈性模量分布等高線繪出并作相應平滑處理，如圖20(a)所示，圖20(b)為對圖20(a)彈性模量數據區域的處理和劃分，彈性模量數值分布可以分為3個區域，第1區域彈性模量較低的區域為煤區域，數據分布比較平緩，彈性模量均值為9.8 GPa。第2個區域為界面過渡區，在壓痕逐漸遠離煤界面，彈性模量的分布情況是，先增大后穩定。在距離煤面側20～60 μm，彈性模量處于增長狀態，彈性模量均值16.2 GPa。第3個區域為注漿結石體，當距離煤面超過60 μm時，彈性模量穩定在22.6 GPa。因此，煤(9.8 GPa)<界面過渡區(16.2 GPa)<漿體(22.6 GPa)，可知煤與漿體存在界面過渡區，界面過渡區的微觀力學性能高于煤。

圖20 彈性模量分布與變化趨勢Fig.20 Distribution and variation trend of elastic modulus

5 結 論

(1)開發高壓劈裂注漿工藝，研制高壓劈裂注漿裝備，試制礦用氣動高壓雙液注漿泵最大工作壓力≥30 MPa，采用微納米無機有機復合改性材料，成功在井下進行高壓注漿改性試驗。

(2)注漿壓力與注漿流量是劈裂注漿的主控因素。試驗發現:掘進工作面超前注漿啟劈壓力在22 MPa左右，與實測地應力值接近;滯后掘進工作面6～8 m注漿，適當降低排量，可進入高壓微劈裂-滲透注漿階段。

(3)高壓劈裂注漿改性效果明顯:改善新掘巷道成型，提高錨桿索錨固質量，解決了高應力低滲透巷道圍巖“注不進”的難題。

(4)通過SEM掃描電鏡對現場取樣細觀形貌分析發現:通過高壓劈裂注漿改性工藝，新型微納米有機無機復合改性材料可注入2 μm寬度的裂隙;高壓注漿后的注漿固結體與煤界面結合緊密;漿液水化固結體較實驗室低壓下形成的更加密實。納米壓痕試驗，證明煤漿界面區彈性模量高于煤。