破碎頂板煤層巷道掘進超前注漿加固技術研究

劉東峰

(晉能控股煤業(yè)集團 陽城大西煤礦， 山西 晉城 048000)

煤巷在掘進過程中，由于煤巖體自身承載能力較弱，受到采動影響后易發(fā)生片幫和冒頂事故，影響巷道掘進工作的推進，對施工人員的安全造成威脅[1-3]. 近年來注漿技術不斷發(fā)展，對于破碎軟巖巷道，通過預先向煤巖體內注漿，可以顯著改善巷道圍巖的自承載能力，達到加固巷道和強化巷幫的目的[4-5]. 結合大西煤礦3018運輸順槽在掘進過程中的實際工程需求，對破碎頂板煤巷展開預注漿加固支護技術的研究和應用。

1 工程概況

大西煤礦3018運輸順槽布置在3#煤層中，沿頂板掘進，巷道斷面為矩形，順槽寬度5 m，高度4 m. 巷道總掘進長度為889 m，其中包含風橋、繞道、聯(lián)絡巷等附屬工程，屬于回采巷道。巷道南、北均為煤體，西部為礦界，東部為軌道大巷。巷道坡度2°～7°. 現(xiàn)場巷道在掘進過程中，通過鉆孔窺視觀察巷道頂板的圍巖情況，巖性特征統(tǒng)計表見表1. 從表1中可以看出，巷道煤層平均厚度為3.79 m，直接頂范圍3.2 m，主要為軟弱泥巖，基本頂為堅硬的細粒砂巖。3018運輸順槽頂板煤巖體中原生裂隙發(fā)育，頂板十分破碎，頂板圍巖遇水易泥化，自承載能力較弱，不利于巷道圍巖穩(wěn)定，巷道頂板難以支護。因此，為了解決巷道支護問題，對運輸順槽掘進工作面進行超前注漿加固，提高圍巖的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對巷道的有效支護。

表1 3018運輸順槽煤層頂板巖性特征表

2 超前注漿加固技術

2.1 注漿孔布置方案

根據(jù)3018運輸順槽的斷面形狀以及煤層巷道頂板的破碎程度，對注漿孔布置方案進行設計。注漿孔參數(shù)設計見圖1. 共設計3個注漿孔，注漿孔分為上下兩層，兩層間距1 m，呈倒三角形。注漿孔均斜向上布置，傾斜角度為10°，注漿孔長度為10 m.

圖1 3018運輸順槽注漿孔布置參數(shù)圖

2.2 分段注漿及封孔技術

在鉆孔施工過程中，由于現(xiàn)場圍巖條件十分復雜，煤體及頂板巖層較為破碎，遇水后極易發(fā)生泥化現(xiàn)象。特別是經過斷層帶，鉆孔注漿過程中跑漿現(xiàn)象嚴重，漿液通過裂隙通道大量漏漿，嚴重影響超前注漿施工進度，后期巷道掘進接替難以正常進行。

為了解決上述問題，通過現(xiàn)場試驗探究，提出了分段注漿和及時封孔技術。分段注漿示意圖見圖2. 通過預先鉆孔鉆進，在鉆孔中下套筒，套筒外接法蘭盤，進行第一段注漿，目的是為了加固孔口周邊圍巖，充填套筒與鉆孔之間的裂隙。

圖2 分段注漿示意圖

當漿液凝固后，換上小鉆頭進行套孔，當鉆到一定深度后，進行二段注漿。重復套孔和注漿工序，直到注漿鉆孔達到設計深度。

鉆孔封孔直接影響著注漿加固效果，封孔材料選用聯(lián)邦加固雙液注漿加固材料。采用棉紗在兩端封堵，中間灌注的方法，封堵深度為1.8 m.

2.3 注漿材料參數(shù)優(yōu)化

超前注漿材料采用聯(lián)邦加固注漿材料，結合現(xiàn)場施工實際情況，注漿材料漿液水灰比為0.6∶1，封堵材料漿液水灰比為0.8∶1.

現(xiàn)場注漿壓力為4～5 MPa，當注漿壓力過高時，會對頂板巖層產生劈裂破壞，由于巷道頂板圍巖本身承載能力較弱，裂隙十分發(fā)育，因此，在超前注漿過程中初始注漿壓力應為2 MPa，并在注漿的過程中逐漸增大注漿壓力，最大注漿壓力不應超過5 MPa.

漿液的擴散半徑與鉆孔直徑、煤層介質、注漿壓力以及漿液的水灰比有關，注漿液的擴散半徑通過公式(1)進行計算。

(1)

式中：

R—漿液擴散半徑，m；

r—注漿孔直徑，m，取0.04；

k—煤巖體的滲透系數(shù)，m/d，取0.026；

p—注漿壓力，MPa，取4～5；

t—擴散完成后的注漿時間，min，取200；

n—孔隙比，取0.075；

b—注漿材料水灰比，取0.6；

l—注漿鉆孔長度，m，取10.

將參數(shù)代入式(1)中，求得漿液擴散半徑R取值大約為1.6 m. 因此，設計注漿孔間距為3.2 m.

3 注漿施工工藝及效果分析

3.1 注漿施工方案

3018運輸順槽在掘進前首先采用超前預注漿加固巷道圍巖。在注漿施工過程中，提前在運輸順槽超前工作面范圍內施工布置注漿孔。注漿施工人員應提前調試好注漿設備，準備好注漿、封孔棉紗等材料。

進行注漿時，首先打開風管截止閥，將風管內的水分吹干，然后將注漿泵、風動攪拌機以及注漿管道連接好。在注漿鉆孔中裝入注漿錨桿，并進行封孔。當封孔材料達到封堵硬度后開始注漿。

注漿流程：檢查注漿泵和注漿管道的連接情況→打開注漿開關→封孔器壓力活塞開啟→開始注漿→暫停注漿→繼續(xù)注漿→結束注漿→清洗注漿泵和注漿管道

在注漿過程中，應該隨時觀察注漿情況，當煤壁有漏漿現(xiàn)象出現(xiàn)時暫停注漿，等待漿液硬化后繼續(xù)注漿，達到封堵漏漿裂隙的目的。

3.2 圍巖力學參數(shù)分析

為了直觀表明注漿對巷道圍巖的加固作用，對現(xiàn)場巷道注漿前后的圍巖取芯,進行實驗室試驗，測試其力學性能，對比分析注漿前后圍巖的力學參數(shù)變化情況，見表2.

表2 注漿前后圍巖力學參數(shù)變化表

通過對表2的分析可知，注漿后巷道圍巖的力學性能有了很大改善，圍巖的承載能力得到提升，能夠對巷道頂板進行有效加固，進而提高巷道圍巖整體的穩(wěn)定性。

3.3 巷道變形監(jiān)測

在巷道掘進后，對巷道表面變形進行監(jiān)測，通過對巷道掘進后的注漿加固階段進行礦壓觀測，確定注漿對巷道圍巖變形的影響程度，總結注漿加固段巷道的變形規(guī)律，進一步驗證注漿支護效果。通過在3018運輸順槽布置礦壓監(jiān)測站，對巷道頂、底板以及左、右兩幫的位移量進行分析，繪制巷道變形隨時間的變化曲線，見圖3.

從圖3可以看出，3018運輸順槽在監(jiān)測的4個月內，7月和8月巷道圍巖變形量變化較大，9月和10月巷道變形量趨于穩(wěn)定，基本沒有變化。頂、底板的變形集中發(fā)生在7月，兩幫發(fā)生不均勻形變，右?guī)妥冃瘟繛?10 mm，左幫變形量為60 mm，并且右?guī)驮谙锏谰蜻M的一個月內變形速率較大約為4 mm/d，左幫則在4個月內發(fā)生緩慢變形。

圖3 巷道變形監(jiān)測曲線圖

分析認為，巷道前期主要受到采動影響，頂板下沉速度較快，后期由于注漿加固巷道圍巖，巷道表面位移變化趨于平緩，表明超前注漿加固對巷道圍巖穩(wěn)定起到了很好的效果。

4 結 論

1) 結合3018運輸順槽的實際工程情況，在掘進前采用超前注漿支護解決了巷道頂板破碎難以支護的問題，并形成了一套超前注漿支護工藝流程。針對注漿過程中出現(xiàn)的問題，提出了分段注漿和及時封孔技術。

2) 通過采用超前注漿加固技術，改善了巷道圍巖的力學性質，使圍巖的承載能力得到提升，巷道變形可以有效控制。