深孔超前預注漿工藝在過陷落柱中的應用

王 偉

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

斷層、陷落柱等地質異常現象逐漸成為影響礦井采掘銜接的主要因素之一，在采掘過程中，往往存在多種地質異常并存現象，非常有必要對這些復雜地質因素進行超前處理，通過補強、注漿、防風化[1]等方式提高頂底板圍巖整體塑性，保證安全。以岳城煤礦1307 工作面為例，回采時對DX214 陷落柱前后進行了注漿補強，有效遏制了巷道圍巖的進一步變形。

1 概況

岳城煤礦1307 工作面為該礦西翼第三個工作面。該工作面長度756m，可采長度708m，煤層的平均厚度為4.66m，采高3m，煤層傾角1～9°，工作面主要構造為陷落柱和正斷層。其工作面位置如圖1 所示。

圖1 1307 工作面及DX214 陷落柱位置圖

1307 工作面的390m 處物探報告分析存在陷落柱DX214，長軸約72m，短軸約65m，陷落柱影響巷道前方至少100m 范圍。回采巷道掘進過程中需要對陷落柱區域進行預先處理。

2 注漿方案

2.1 參數設計

2.1.1 注漿壓力

注漿壓力作為注漿工程中重要的設計參數之一，主導了漿液在破碎巖體中的充填、擴散以及壓密整個過程，對注漿質量的提高以及注漿作業效率提升有著較大影響。注漿壓力選取主要與地層巖性、水文地質條件、注漿材料性質等因素有關。

（1）若注漿區域有較大涌水，按照現場靜水壓力計算，初始注漿壓力必須高于此位置的靜水壓力，一般為靜水壓力的2～3 倍，最大可達3～5 倍[2]。

表1 壓力系數與深度對應關系表

岳城礦3#煤層埋深大于500m，注漿壓力系數K值取0.017，根據注漿地層深度計算的最低設計注漿壓力為8MPa，加之注漿過程因為粘度變化和其他因素的作用而造成注漿壓力的損失，最終注漿壓力選取10～15MPa。

2.1.2 注漿速度

礦井地層巖體的孔隙率與注漿設備參數是注漿速度選取的關鍵，根據工業試驗場地1307 工作面DX214 陷落柱的巖性及實際地質條件，設計注漿速度范圍為10～30L/min。

2.1.3 單孔注漿量

（1）漿液擴散半徑的選取

如圖2 為注漿壓力、水灰比漿液擴散半徑之間的關系，此圖所反映出的函數關系為雙液漿現場注漿工程經驗總結。其中雙液漿正常水灰比為0.8:1，因此取最低值3m 為漿液擴散半徑。

圖2 注漿壓力、水灰比漿液擴散半徑關系圖

（2）單孔注漿量計算[3]

此處R取3m 即可。將各參數代入式中，得出單孔注漿量Q為6m3。

隨著前期注漿的飽和，后期鉆孔注漿量會逐漸減少。同時每孔的實際注漿量需根據注漿壓力來確定，現場施工時需要嚴格控制注漿壓力，當注漿出現較大程度的跑漿時，立即停止注漿。

2.1.4 注漿孔設計

超前預注漿加固巷道頂板采用拱形布孔，形成拱形殼體圍巖結構，頂板、兩幫及底板鉆孔離巷道輪廓線均為0.5m。具體鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 超前注漿加固鉆孔布置

如圖3，1～5#注漿孔注漿加固后形成頂板圓弧拱形殼體，在一定程度上隔離了深部圍巖應力的傳播，同時也保持巷道周圍淺部煤巖體的穩定與巷道斷面的成形，保障巷道圍巖頂板的穩定性；7#注漿孔注漿用于控制施工過程中巷道迎頭的穩定性，確保巷道迎頭施工的安全性；6#、8#鉆孔注漿控制巷道開挖后兩幫巖體穩定的穩定性，抵抗巷道腰部高應力值產生的彈塑性破壞；9#～11#鉆孔注漿主要用于控制巷道底板的穩定性，防止高應力集中致使底鼓量無限制增大；兩個檢查孔用于鉆孔取芯，觀測漿脈發展情況，確定注漿效果，陷落柱中有水時從檢查孔可得知注漿堵水效果，因此其檢查孔主要用于注漿效果評價。

2.2 加固工藝

2.2.1 注漿原則

為了達到較為理想的注漿效果，超前深孔注漿的順序堅持先遠后近、先外后內的原則，漿液濃度堅持先稀后濃的原則；柱體內有水時，應先注無水區域，后注涌水區域；注漿順序靠后的鉆孔可作為檢查孔。

2.2.2 注漿水灰比

（1）聯邦雙液注漿材料

本次工程注漿加固確定采用的注漿材料為聯邦雙液注漿材料，聯邦加固Ⅰ、Ⅱ號注漿材料在混合之前，稀釋6h 內漿液不發生變性，兩種漿液混合后凝固時間為3～10min，凝固后1～8h 內漿液巖體強度可達到8～15MPa 以上，可用于采煤工作面、掘進工作面圍巖強度要求較高的場所，尤其是煤巖體表面淺層區域的注漿加固。根據實踐經驗，雙液注漿材料的正常注漿水灰比為0.8:1，注漿過程中漏漿嚴重時可適當降低漿液水灰比，最低控制在0.7:1，注漿封孔水灰比為0.7:1。

（2）聯邦單液注漿材料

聯邦單液注漿材料注漿加固24h 后漿液巖體強度可達25MPa 以上，3d 后漿液巖體抗壓強度可達35MPa 以上，最終抗壓強度可達50MPa 以上，單液注漿材料正常注漿設計水灰比為0.6:1。

根據現場實際情況，陷落柱破碎帶無明顯涌水、滲水、無漏漿嚴重等現象時選用雙液注漿材料，若存在異常充水構造帶，選用單液注漿材料。

2.2.3 注漿工藝

由于1307 工作面DX214 陷落柱對13071、13072 巷的影響長度達到100m，一次性超前注漿很難實現，而且施工周期長，注漿效果及施工質量都將受到極大影響，基于現場實際情況，選用分段前進式超前注漿施工工藝。分段前進式深孔超前注漿是鉆、注交替作業的一種注漿方式，按照設計要求，每循環加固長度為20m，后續注漿段均預留2m 注漿巖層，用來保障鉆孔的施工安全。其施工方式如圖4 所示。

圖4 超前注漿施工剖面圖

2.3 封孔方式

超前預注漿加固施工中，每個鉆孔施工完成后進行插管作業，內側為PVC 管（直徑30mm），外側為6 分注漿鋼管。其中注漿鋼管的內側和孔口兩根表面焊接鐵絲，且內側鋼管一端需要打對穿孔，便于與PVC 管連接，另外，內側PVC 管打對穿射漿孔。在焊鐵絲鋼管上纏繞棉紗，并向中部空間注聯邦雙液材料進行封孔，封孔采用聯邦雙液注漿材料進行，封孔長度可根據現場條件在2 ～5m 之間進行調節，初步確定封孔長度為3m。封孔示意圖如圖5 所示。

圖5 注漿孔封孔示意圖

2.4 補強支護

根據現場原支護經驗，在陷落柱DX214 前后采用錨網帶補強支護，巷道頂板錨桿間距縮小至0.9m，排距為1m，巷道兩幫錨桿間距1.1m，排距為1m。

過陷落柱期間采用架棚支護，其支護參數如表2 所示。

表2 架棚支護參數設計

架棚施工要求：柱窩深度為200mm（誤差為±50mm），柱窩棚腿距幫不大于450mm，棚腿扎角350～450mm（1m 扎角不小于120mm，允許偏差±17mm，控制在350～450mm 之間）)。

3 效果評價及結論

工作面回采期間，在陷落柱內建立測站，分別選取1#、2#、3#錨桿和1#、2#錨索，對過陷落柱前后巷道變形量和支護體受力情況進行了監測，得其數據監測曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，工作面回采過陷落柱期間，巷道頂、底板移近量最大值為280mm，兩幫收斂量最大值為400mm，錨桿最大受力178kN，錨索最大受力409kN，均符合工作面設計要求，說明通過超前預注漿+架棚補強支護方式，能夠有效控制圍巖的整體塑性，保證快速通過陷落柱構造區域。

圖6 回采期間監測曲線