高性能無機注漿材料在強動壓影響巷道加固中的應用

馬晉琴

（晉能控股山西科學技術研究院（晉城） 技術研究院，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤炭作為我國的主體能源，占到化石能源消費總量百分之七十左右。隨著開采強度逐年遞增，淺部易采資源儲量飛速遞減，煤炭開采逐步向深部區域延伸。伴隨而來的是開采環境急劇變化，地質條件復雜多變，礦壓顯現強烈，巷道變形加劇，維護成本增加。國內外學者對于破碎煤巖體、動壓影響巷道、集中應力影響區域等工程的注漿加固機理及施工工藝進行了深入的研究，并取得大量的研究成果。但是，在新型無機注漿材料研究方面仍存在諸多不足，因此，有必要進行高性能無機注漿材料研發，以滿足礦山加固工程的特殊目的[1-4]。

1 概 況

成莊礦2321 工作面位于一水平二盤區，主采3 號煤層，工作面走向長度1 078 m、傾斜長度104 m，平均采高6.25 m。23212 巷為2321 綜放工作面新掘進風巷，與23214 巷之間僅有15 m 煤柱，工作面布置情況如圖1 所示。

圖1 2321 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of No.2321 Face

23214 巷為2323 工作面復用巷道，23214 巷與23212 巷間15 m 煤柱在經歷上一工作面采動影響和新掘巷道擾動的雙重作用下，幾乎完全破碎，23212 巷掘出后，兩幫隨即發生移近變形，兩幫移近量最大值達300 mm，致使底板鼓起，拉底量達0.3 ～0.6 m，2321 工作面開始回采后，在超前支承壓力作用下，23212 巷圍巖破壞加劇，尤其是在工作面推進緩慢時，造成巷道兩幫移近量增大和嚴重底鼓變形，制約2321 工作面安全生產。2321 工作面回采過程中，兩幫移近量峰值達到850 mm，底鼓量峰值達到700 mm。因而，有必要對該巷道進行預注漿加固，提高巷道圍巖整體性和穩定性，促進采面安全高效生產。

2 新型無機注漿材料成分

目前，常用的注漿材料主要分為有機注漿材料與無機注漿材料2 大類。有機類注漿材料具有施工簡單、凝固速度快、強度增長迅速、可注性良好、漿液擴散性能好等諸多優點，但有機漿液在凝固過程中產生大量的熱量，易引發煤炭自燃，同時，材料制造成本高，嚴重制約其推廣使用；無機類注漿材料是目前各類加固工程中應用最廣泛的注漿材料，具有固結體強度高、無毒無害、材料制造成本低廉等諸多優點，其缺點是漿液初凝時間長，早期強度增長緩慢，不適用于井下需快速凝固的特殊場所。新型無機注漿材料需具備漿液流失時間短、早期強度高、強度增長迅速等諸多特性，同時，還應具備良好的物理力學特性。實驗室采用超細硫鋁酸鹽水泥熟料、硬石膏、生石灰作為基料，添加不同比例的添加劑進行新型注漿材料的配比試驗[5-7]。

2.1 硫鋁水泥熟料

硫鋁水泥熟料為濟寧市金魯城建材有限公司提供的SAC.42.5，采用SAC表示，其化學組成見表1。

表1 硫鋁水泥熟料的化學成分Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement clinker

2.2 石 膏

石膏為皖北煤電集團提供天然硬石膏，采用SG 表示。其化學組成見表2。

表2 石膏的化學成分Table 2 Chemical composition of gypsum

2.3 石 灰

石灰為鄭州某廠產石灰，采用SH 表示，其化學組成見表3。

表3 石灰的化學成分Table 3 Chemical composition of lime

2.4 其它輔助性材料

試驗中還選用了多種常見化學試劑和工業用材料外加劑，A 料添加劑和B 料添加劑對應原材料名稱見表4。

表4 A 料、B 料添加劑材料Table 4 Additive of A and B materials

3 工業性試驗

3.1 鉆孔布置

為實現強動壓影響下23212 巷高效注漿加固，提高該區域巷道圍巖整體穩定性，有效降低巷道有害變形，在23212 巷兩幫施工注漿鉆孔，鉆孔呈“三花”布置，鉆孔直徑42 mm，孔深10 m，上排孔距底板高度2.5 m，調整范圍±150 mm，下排孔距底板高度1.0 m，調整范圍±150 mm，鉆孔間距6.0 m，兩排鉆孔均水平布置，鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 23212 巷鉆孔布置側視示意Fig.2 Drilling arrangement side viewof No.2321 Roadway

3.2 效果考察分析

現場注漿施工效果良好，從現場照片上可以看出，材料可注性較好，漿液擴散范圍較大，如圖3所示。

圖3 23212 巷現場注漿加固巷幫情況Fig.3 Field grouting reinforcement of No.2321 Roadway

為準確掌握巷道注漿加固效果，在23212 巷5處地點建立“十”字測站，分別在巷道420、440、460、480、500 m 處，測站編號1 號～5 號，以監測巷道變形情況。以測站與工作面距離作為橫坐標，以巷道頂底板移近量作為縱坐標，繪制巷道頂底板移近量變形曲線，如圖4 所示。

圖4 注漿加固后巷道頂底板移近量曲線Fig.4 Displacement curve of roadway roof and floor after grouting reinforcement

23212 巷在距離工作面90 m 處，巷道頂底板移近量開始增長，伴隨著工作面繼續推進，頂底板移近量增長緩慢；距工作面30 m 處，巷道頂底板移近量增長顯著，曲線出現拐點；距工作面15 m處，巷道頂底板移近量飛速增長，曲線再次出現拐點，至此，頂底板移近量出現峰值225 mm。與23212 巷未加固段相比，變形量縮減一半以上，巷道變形得到有效控制。

4 結 語

通過試驗配比得到超細硫鋁酸鹽基注漿材料，其主要成分包含硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、生石灰等；經過現場工業性試驗驗證，新型無機注漿材料取得良好的加固效果，有效降低巷道加固區域變形量，助力礦井安全高效生產。