煤礦破碎區(qū)巷道注漿治理工程實(shí)踐

徐晨

摘 要：葦子溝煤礦在井筒施工過(guò)程中遇到含水?dāng)鄬悠扑閰^(qū)。為了解決巷道支護(hù)變形問(wèn)題，通過(guò)分析破碎區(qū)特點(diǎn)，合理選擇注漿材料、注漿孔布置、注漿壓力和注漿量等參數(shù)，達(dá)到了注漿修復(fù)加固的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：破碎區(qū);注漿加固;煤礦

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）22-0060-04

Abstract： In the process of wellbore construction， Weizigou coal mine encountered a water-bearing fault crushing area. In order to solve the problem of roadway support deformation， the grouting material， grouting hole layout， grouting pressure and grouting amount and other parameters were selected by analyzing the characteristics of the crushing area. The expected effect of grouting repair and reinforcement is achieved.

Keywords： crushing area; grouting reinforcement;coal mine

1 工程概況

1.1 葦子溝煤礦概述

葦子溝煤礦主斜井從里程1 383 m開(kāi)始至1 420 m為本次破碎圍巖治理區(qū)。該區(qū)段2013年掘進(jìn)期間出現(xiàn)兩次冒落，冒落區(qū)已充填加固并架棚支護(hù)。現(xiàn)階段，受地壓影響，巷道變形且局部有淋水。

葦子溝煤礦副斜井井底車(chē)場(chǎng)與主斜井情況一致，從里程160 m開(kāi)始至250 m位置均需要加固巷道破碎圍巖及局部淋水。

1.2 地質(zhì)概述

葦子溝煤礦主斜井治理段橫穿B7煤，B7煤前后分別是泥巖、砂巖巖性，與副井井底車(chē)場(chǎng)等同。從副斜井井底車(chē)場(chǎng)施工素描圖來(lái)看，井底車(chē)場(chǎng)破壞段主要是6煤底板至7煤底板范圍內(nèi)，巷道依次橫穿6煤、6下煤、泥巖、7號(hào)煤層、砂巖、細(xì)砂巖，各層巖性描述見(jiàn)圖1。

2 治理方案

2.1 設(shè)計(jì)原則和技術(shù)路線

本次施工嚴(yán)格遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、合理”的設(shè)計(jì)原則，遵循“先試驗(yàn)，后檢驗(yàn)，再修改”的技術(shù)路線，保證施工設(shè)計(jì)得到及時(shí)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性[1]。由于此次加固巷道為礦井永久性巷道，使用壽命較長(zhǎng)，今后將承擔(dān)的礦井運(yùn)輸任務(wù)會(huì)越來(lái)越重，要求對(duì)變形巷道處理后，能提高巷道自身的支撐強(qiáng)度，減少巷道維修量和維修頻率，保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，決定對(duì)2條巷道破碎區(qū)段進(jìn)行注漿加固。加固范圍為壁后15 m。

通過(guò)分析2條巷道破碎區(qū)特點(diǎn)認(rèn)為：主要原因?yàn)樗绍浀拿海◣r）體受礦壓顯現(xiàn)造成巷道的變形與破碎，若加固范圍小，則不能避免今后受礦壓影響出現(xiàn)再次破碎。因此，有效的加固范圍是本工程的關(guān)鍵。在這里，研究者選取壁后15 m作為重點(diǎn)治理范圍能有效地杜絕巷道受壓再次被破壞。對(duì)于出水區(qū)域而言，最終使其形成一定厚度的封堵帷幕，隔斷其滲流通道，便可取得理想的充填加固效果[2]。

2.2 淋水區(qū)治理方案

針對(duì)部分區(qū)域頂板淋水問(wèn)題，選取較大淋水點(diǎn)，通過(guò)打斜孔打通導(dǎo)水通道，進(jìn)行注漿堵水，若有水壓導(dǎo)致封堵效果不佳時(shí)，可將出水點(diǎn)引至固定區(qū)域進(jìn)行疏放，待水壓降低后再次進(jìn)行注漿封堵。

2.3 注漿材料的選擇

充填加固巷道、有效控制圍巖破碎是本次施工的目的。因此，注漿材料的選擇尤為重要，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)狀況合理有效地搭配漿液。漿液的性質(zhì)對(duì)注漿工程來(lái)說(shuō)是非常重要的。只有選擇性能合適的漿液，才能達(dá)到實(shí)際注漿的目的;如果漿液選擇不當(dāng)，使?jié){液難以注入或漿液流失、強(qiáng)度低，則會(huì)達(dá)不到注漿的目的。

要取得良好的注漿效果，要求漿液同時(shí)具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是要求漿液具有可注性，在可泵期內(nèi)保持很好的流動(dòng)性，黏度增長(zhǎng)不大，從而保證漿液充分注入孔隙和裂隙中;二是要求漿液在可泵期后黏度迅速升高，從可泵期到初終凝的時(shí)間間隔較短，即漿液應(yīng)具有良好的可控性，以使?jié){液黏結(jié)巖土體，并避免漿液在凝固前被地下水沖蝕[3]。

綜合漿液的特點(diǎn)，本次工程選擇普通純水泥漿、水泥-水玻璃混合漿、化學(xué)漿、超細(xì)水泥漿互補(bǔ)使用。在治理出水區(qū)段時(shí)選用普通純水泥漿、水泥-水玻璃漿、化學(xué)漿，以預(yù)防水力沖擊、控制凝膠時(shí)間與漿液擴(kuò)散范圍;在加固煤（巖）體時(shí)，若采用普通純水泥漿和水泥-水玻璃混合漿可注性不高，可選用超細(xì)水泥漿代替普通水泥漿。超細(xì)水泥的平均粒徑<5 μm，最大粒徑約等于10 μm。專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)可注性試驗(yàn)測(cè)定，超細(xì)水泥的可注性是普通水泥的12倍，普通水泥難以注入滲透系數(shù)低于5×10-2 cm/s的砂質(zhì)地層和寬度小于0.2 mm的裂隙中，日本學(xué)者在滲透系數(shù)4.27×10-3 cm/s的砂中成功地進(jìn)行了超細(xì)水泥注漿。超細(xì)水泥可注入滲透系數(shù)為10-3～10-4 cm/s的砂層中。最為關(guān)鍵的是，超細(xì)水泥無(wú)毒、無(wú)味、對(duì)地下水及環(huán)境無(wú)污染，屬環(huán)保型灌漿材料[4]。

根據(jù)注漿工程經(jīng)驗(yàn)初步確定：漿液最佳水灰比為0.8～1∶1，雙液漿C∶S為2∶1。在注漿時(shí)，必須遵循由稀漸濃的注漿原則。為方便操作、準(zhǔn)確控制注漿參數(shù)，列出漿液濃度分級(jí)如表1所示。

2.4 注漿設(shè)計(jì)

2.4.1 注漿孔布置。注漿孔成放射狀布置在巷道四周，每排布置8個(gè)孔;頂板2個(gè)、底板2個(gè)、兩幫4個(gè)，共計(jì)224個(gè)注漿孔。孔深為15 m，排距為5 m，即漿液擴(kuò)散半徑為2.5 m。注漿孔布置如圖2所示

2.4.2 注漿孔設(shè)計(jì)。葦子溝主斜井與副井井底車(chē)場(chǎng)共設(shè)計(jì)注漿孔224個(gè);其中主斜井64個(gè)、井底車(chē)場(chǎng)160個(gè)。注漿孔呈五花型布置，孔口下入Ф89 mm×6 mm注漿套管，套管長(zhǎng)2 m。套管可采用樹(shù)脂錨固劑或水泥漿液固結(jié)，要求套管可承受6 MPa耐壓試驗(yàn)，防止在注漿期間因壓力過(guò)大造成拔管現(xiàn)象。孔口法蘭焊接Ф25 mm高壓球閥用于控制漿液。

2.4.3 注漿孔施工要求。施工鉆孔前，由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)確定好鉆孔方位角及傾角，鉆機(jī)施工人員調(diào)整并固定鉆機(jī)后進(jìn)行開(kāi)孔，開(kāi)孔用Ф75 mm無(wú)芯鉆頭鉆進(jìn)至指定深度2.2 m，然后用Ф110 mm無(wú)芯鉆頭擴(kuò)孔，下Ф89 mm套管2.0 m，套管采用水泥漿與水玻璃比為1∶0.2，水灰比為1：0.6的雙液漿固結(jié)，套管口安裝壓力表（量程大于4.0 MPa）和注漿專(zhuān)用高壓球閥。待套管固結(jié)不少于2 h后，做耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力≥3.0 MPa，套管不松動(dòng)并且套管外壁不滲水為合格。若耐壓試驗(yàn)不合格，則重新進(jìn)行固結(jié)。在試驗(yàn)過(guò)程中，要詳細(xì)記錄耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)。耐壓試驗(yàn)合格后，用Ф75 mm的無(wú)芯鉆頭鉆進(jìn)至指定孔深。

2.5 注漿參數(shù)技術(shù)要求

2.5.1 壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)是利用注漿泵將水經(jīng)過(guò)管路系統(tǒng)以一定的水壓壓入注漿區(qū)段。在每次注漿前及注漿段注漿結(jié)束之后均應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)。進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)，流量由小逐漸加大，壓力比預(yù)計(jì)的注漿終壓高0.5 MPa，保持穩(wěn)定壓力和流量的壓水時(shí)間為10～20 min。當(dāng)鉆孔最大吸水率大于0.5 L/（min·m·m）時(shí)，宜采用水泥速凝漿液注漿。

2.5.2 注漿壓力。選擇注漿壓力要綜合考慮煤（巖）層的埋深、孔隙度和靜水壓力等因素。對(duì)于注漿壓力的計(jì)算，目前并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但主要遵循注漿壓力隨深度增加而增大的原則。一般來(lái)說(shuō)，注化學(xué)漿比注水泥漿時(shí)的注漿壓力小很多;淺部注漿比深部地層注漿壓力小;滲透系數(shù)大比滲透系數(shù)小的地層注漿壓力小。因此，本次注漿壓力在未經(jīng)試驗(yàn)的情況下暫取靜水壓力的1.5～2.0倍，設(shè)計(jì)注漿孔口處最大壓力為1.0～3.0 MPa。

2.5.3 漿液擴(kuò)散半徑。漿液擴(kuò)散半徑?jīng)Q定了注漿的工程量和工程進(jìn)度，其隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙大小、注漿時(shí)間、注漿壓力的增加而增大，隨著漿液濃度與黏度的增加而減小。它是描述注漿固結(jié)有效范圍的一個(gè)重要參數(shù)。在這里，根據(jù)鉆孔布置圖暫定擴(kuò)散半徑約為2.5m（本次施工選取的擴(kuò)散半徑及鉆孔個(gè)數(shù)有利于加固充填，以及淋水區(qū)域堵水效果更加有效）。

2.5.4 注漿量的計(jì)算。單孔漿液注入量可根據(jù)式（1）得出：

式中：[Q]為單孔注漿量;[A]為注漿損耗系數(shù)，取0.9;[π]為圓周率，取3.14;[R]為有效擴(kuò)散半徑，取2.5 m;[L]為注漿斷長(zhǎng)度，取15 m;[η]為孔隙率，取0.04;[β]為漿液充填系數(shù)，取0.8。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）可得出[Q]為6.4 m3。

針對(duì)地層地質(zhì)構(gòu)造分析情況，尤其是巷道圍巖的地質(zhì)構(gòu)造等，需要特殊考慮。初步估計(jì)并經(jīng)工程經(jīng)驗(yàn)分析校核，本次注漿堵水工程預(yù)計(jì)需要主斜井注漿量400 m3;井底車(chē)場(chǎng)注漿量960 m3;水玻璃漿190 m3。

2.5.5 注漿參數(shù)的調(diào)整。第一，采用固定壓力和濃度的漿液灌注30 min后，若孔口壓力變化微弱而吸漿量逐漸減少，或吸漿量基本不變而孔口壓力緩慢上升，則說(shuō)明注漿壓力、漿液濃度等較合適，不宜更改參數(shù)。第二，采用固定壓力和濃度的漿液灌注30 min后，若孔口壓力逐漸上升且吸漿量逐漸減少，甚至孔口壓力急劇上升或吸漿量減少較多，而非鉆孔或管路問(wèn)題，說(shuō)明漿液濃度偏高，應(yīng)及時(shí)調(diào)稀一級(jí);反之，應(yīng)加大注漿壓力，并提高漿液級(jí)配。第三，前三級(jí)的漿液濃度灌注時(shí)，若分別持續(xù)15 min，孔內(nèi)吸漿量較小（<1～2 L/min），可調(diào)稀增壓。第四，稀漿液注量宜為取單孔注漿量的30%。

2.6 施工質(zhì)量保證措施

①施工設(shè)計(jì)、技術(shù)安全措施上力求達(dá)到設(shè)計(jì)合理，措施嚴(yán)密，落實(shí)到位。②施工前要有針對(duì)性地對(duì)各專(zhuān)業(yè)工種進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，制定各工序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)細(xì)則，提高施工人員的整體技術(shù)水平，特別要對(duì)使用新型設(shè)備的人員進(jìn)行培訓(xùn)并確保培訓(xùn)質(zhì)量，為建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程創(chuàng)造條件。③認(rèn)真執(zhí)行設(shè)計(jì)圖紙審核制度，并做好施工技術(shù)交底工作，使現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)工員及每一位施工人員都做到心中有數(shù)，嚴(yán)格按技術(shù)要求施工，保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。④施工中若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際或有疑問(wèn)確須修改的，必須在設(shè)計(jì)變更經(jīng)礦審核同意后方可進(jìn)行施工。⑤各班施工前后必須向礦調(diào)度如實(shí)匯報(bào)施工進(jìn)展及工作量等情況。⑥從施工設(shè)備上，合理選擇施工方法和施工機(jī)具，保障設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，確保施工的連續(xù)正常進(jìn)行。⑦從勞動(dòng)組織上建立質(zhì)量保障體系，組織嚴(yán)密、精心施工。⑧強(qiáng)化工期目標(biāo)控制，制定實(shí)行有效的目標(biāo)分解制度，確保工程保質(zhì)保量按期完成。

2.7 注漿施工安全措施

①在施工作業(yè)期間，必須遵守礦相關(guān)規(guī)章制度，接受礦調(diào)度的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和指揮，執(zhí)行調(diào)度指令和制度。②施工地點(diǎn)派專(zhuān)人看守，設(shè)置警戒線，非工程施工人員嚴(yán)禁入內(nèi)。③應(yīng)積極采取灑水防塵措施，減輕或消除施工期間因拌料造成的通風(fēng)污染。④注漿前必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)，注漿壓力應(yīng)嚴(yán)格控制在巷道能夠承受的范圍以?xún)?nèi)（[P]≤5 MPa）。⑤試壓過(guò)程中，除值班人員和司泵人員外，其余人員遠(yuǎn)離，試壓時(shí)應(yīng)由專(zhuān)人指揮，統(tǒng)一行動(dòng)。⑥注漿期間應(yīng)密切觀察巷道情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)停泵處理，以防止意外事故發(fā)生。⑦注漿時(shí)，注漿泵應(yīng)由專(zhuān)人操作。注漿期間，司泵人員未經(jīng)允許嚴(yán)禁擅自離開(kāi)工作崗位，做到精心操作，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)停泵處理。⑧為防止顆粒雜物進(jìn)入管道造成堵塞，影響注漿和固結(jié)效果，應(yīng)對(duì)注漿漿液進(jìn)行嚴(yán)格過(guò)濾。過(guò)濾采用兩道震動(dòng)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行，過(guò)濾由粗到細(xì)，對(duì)過(guò)濾出的雜物要及時(shí)清除，以免影響漿液的流動(dòng)。⑨每次注漿結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將孔口密封，防止竄漿，并及時(shí)將注漿管路、閥門(mén)、注漿泵、壓力表、緩沖器、安全閥、攪拌機(jī)以及灰漿池等進(jìn)行徹底清理，防止殘留水泥凝固，影響下一次注漿。⑩若在造孔時(shí)出現(xiàn)固管質(zhì)量問(wèn)題，施工人員應(yīng)重新造孔并進(jìn)行固管。?嚴(yán)格按照注漿措施施工，開(kāi)孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，孔口管必須固定牢固。高壓閥必須開(kāi)關(guān)靈活。注漿前設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)關(guān)閉閥門(mén)。?注漿完畢，封孔必須采用雙液漿進(jìn)行封閉。?注漿期間，應(yīng)密切保持注漿站與施工現(xiàn)場(chǎng)之間的聯(lián)系，確保信息傳遞迅速;加強(qiáng)注漿管路的巡視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。無(wú)關(guān)人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)或靠近注漿管路接口和焊接處，以防發(fā)生意外。?嚴(yán)格按照限量和限壓法進(jìn)行注漿施工，力求達(dá)到較好的堵水效果。

3 注漿加固效果

注漿效果的影響因素主要為圍巖注漿控制技術(shù)，注漿效果的保證主要依靠注漿監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)。為了監(jiān)測(cè)巷道的動(dòng)態(tài)變化，我們對(duì)注漿加固后的巷道每隔10 m設(shè)置位移量觀測(cè)點(diǎn)，每旬觀測(cè)一次。其觀測(cè)站巷道表面位移觀測(cè)數(shù)值如表2所示，修復(fù)達(dá)到穩(wěn)定期后，巷道位移量變化較小，巷道頂?shù)装逦灰屏科骄s為16 mm，兩幫移近量平均約為8 mm，并且各個(gè)量的變化幅度較小。說(shuō)明注漿加固有效控制了破碎帶巷道圍巖的變形，效果良好。

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