店坪煤礦淋水頂板巷道超前注漿加固技術

賀麗敏

（云廈工程建筑有限公司，山西 霍州 034400）

1 工程概況

店坪煤礦9-205 綜采工作面位于9#煤層830 m水平南翼2 采區，9#煤層厚2.6～3.2 m，均厚2.8 m，工作面范圍內煤層、煤體結構較穩定，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質泥巖，厚度為0.2～0.45 m。煤層傾角1°～5°，屬于近水平煤層。煤層頂板為砂巖，底板為砂質泥巖，具體頂底板巖性情況見表1。

目前在掘進9-2052 巷，主要擔負著9-205 回采工作面的運輸、回風、行人等任務。9-2052 巷沿9#煤層頂板掘進，設計全長1392 m，巷道設計為矩形斷面，凈寬4.4 m，凈高2.8 m。巷道頂板上方主要含水層為石炭系山西組石灰巖巖溶裂隙含水層，由三層灰巖及1～3 層中粗砂巖組成，石灰巖裂隙較發育，單位涌水量在0.009～0.078 L/s·m 之間，滲透系數在0.054～0.271 3 m/d 之間。受煤層開采影響，冒落裂隙帶發育，掘進過程中頂板出現裂隙淋水，對圍巖及錨固結構的穩定性影響較大，圍巖變形嚴重，維護困難。因此，需采取超前預注漿技術對巷道已探明的富水區域進行預注漿加固。

2 巷道破壞機理分析

通過現場觀測及室內巖石力學試驗分析得出，造成9-2052 巷圍巖變形破壞的主要原因在于：（1）巷道直接頂為泥巖，巖性較軟，且泥巖的礦物成分多為高嶺石及蒙脫石，遇水極易發生膨脹變形，直至崩解，導致圍巖強度降低；（2）巷道掘進時，應力擾動導致圍巖裂隙進一步擴張發育，加重了水的流通，導致圍巖環境進一步惡化；（3）礦井水多呈酸性，經裂隙流動經過錨固區時，會對錨桿體造成腐蝕影響，并弱化錨固劑的錨固性能，從而導致錨桿支護失效。

3 超前注漿工藝[1-6]

3.1 注漿設備及材料

本次注漿采用礦用雙液型注漿泵，注漿管為鋁塑材料，考慮現場頂板泥巖軟化及破碎程度，注漿單孔的孔深設置為10 m。

為保證注漿效果，選用水泥混合水玻璃作為漿液。該混合漿液具有滲透性強、凝結速度快、凝結強度高等優勢。其中水泥選用工業42.5R 型水泥，水玻璃的模數取值為2.8～3.1 之間。

3.2 漿液配比及注漿壓力

漿液的配比具體為水灰比及水玻璃摻量，可根據測試不同配比條件下的凝結塊體強度來確定合理的配比方案。強度測試中，共設置4 組塊體，水灰比分別為0.5、0.75、1 及1.5，其抗壓強度測試結果見表2、表3。

由表2 可知，在水灰比相同的條件下，摻有水玻璃的漿液塊體抗壓強度普遍高于純水泥漿液塊體，且凝固周期短，早期強度也較高。摻有水玻璃時，水灰比為0.75:1 及1:1 時的效果較好，其最終抗壓強度分別為13.8 MPa 及11.5 MPa?？紤]到工作面巖層的滲透性及施工條件，確定采用1:1 的水灰比混合漿液。

表2 水灰比對抗壓強度的影響

表3 為水泥漿與水玻璃不同體積配比下的漿液試件強度測試結果。由表3 可知，經過28 d 的養護后，試件均達到最終強度。水灰比均為1:1 的情況下，水泥漿與水玻璃體積比為1:0.4 的漿液試件強度為15.6 MPa，體積比為1:0.5 的漿液試件強度為16.7 MPa，體積比為1:0.6 的漿液試件強度為15.9 MPa。三種比例下的漿液試件抗壓強度相差不大，但當體積比低于1:0.6 或高于1:0.4 時，漿液試件的強度會呈現大幅度的降低，注漿效果差。因此混合漿液合適的水泥漿及水玻璃體積配比應為1:0.4～1:0.6 之間。

表3 不同水泥與水玻璃體積比下的抗壓強度

基于以往煤礦巷道注漿實踐經驗，煤巷圍巖注漿壓力一般1～3 MPa 之間，當注漿壓力高于3 MPa時，會引起圍巖劈裂破壞，加重了頂板的破碎程度，并導致漿液漏失。因此，本次注漿的初始壓力應保持在0.8～1 MPa 之間，淺孔注漿壓力為2.5 MPa，深孔注漿壓力為3.0 MPa。

3.3 注漿孔布置

根據現場實際情況，在巷道掘進面正頭布置超前注漿鉆孔，共布設9 個鉆孔，并依次進行編號為1#～9#。為使漿液充分擴散，注漿孔采用三角形布置，即上排布置5 個孔，下排布置4 個孔，相鄰孔間距均為1000 mm。為達到注漿預加固的目的，1#～5#注漿孔的仰角為15°，6#～9#注漿孔的仰角為10°；同時，1#、5#、6#、9#注漿孔與掘進方向呈15°夾角向頂板外擴散，2#、4#、7#、8#注漿孔與掘進方向呈10°夾角向頂板外擴散，3#鉆孔則平行于掘進方向。具體布置方案如圖1。

圖1 注漿孔布置方案（mm）

3.4 注漿量

注漿量可通過下式計算：

Q=π·R2·L·z·α·η（1）

式中：Q為單孔注漿量，m3；R為漿液擴散半徑，根據選用漿液性質，取5.5 m；L為注漿孔孔深，取10 m；z為巷道圍巖的裂隙密度，取0.07；α為漿液充填率，取0.85；η為漿液漏失率，取1.3。

通過計算得出單孔的注漿量為73 m3，則9 個孔的總注漿量為657 m3。

3.5 注漿結束標準

為使得注漿效果達到預期目標，需使得每個孔注漿時的終孔壓力達到要求，漿液才能完全擴散并充填圍巖裂隙。一般終孔壓力達到2～3 MPa 時，可結束注漿，也可在注漿泵流量穩定在11 L/min 并持續25 min 后停止注漿。

4 支護效果分析

為分析評價圍巖控制方案的效果，采用十字布點法對注漿段巷道圍巖的變形進行監測，監測結果如圖2。

圖2 巷道表面位移監測曲線

由圖2 可知，巷道掘進通過頂板富水區初期，監測點的圍巖變形于30 d 后趨于平穩，其頂底板最大移近量約為40 mm，兩幫最大移近量約為32 mm，圍巖變形量較小，滿足礦井安全生產需求。說明該方案可以較好地隔絕含水層裂隙水，加固破碎頂板，同時保證錨固結構的支護作用，取得了良好的圍巖控制效果，保證了礦井的安全生產。

5 結論

（1）通過現場觀測及室內巖石力學試驗分析得出，造成9-2052 巷圍巖變形破壞的主要原因在于：巷道直接頂為泥巖，遇水易發生膨脹變形，導致圍巖強度降低；同時裂隙發育導致酸性礦井水流經錨固區，腐蝕錨桿體及錨固劑，從而導致錨桿支護失效。

（2）通過理論分析及配比試驗，確定出合理的漿液水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比應為1:0.4～1:0.6 之間，并對注漿壓力及注漿孔布置等參數進行設計。

（3）對注漿加固段的圍巖位移情況進行監測分析，結果表明：巷道頂底板最大移近量約為40 mm，兩幫最大移近量約為32 mm，圍巖變形量較小，控制效果顯著。