復(fù)合破碎頂板巷道圍巖注漿加固技術(shù)實(shí)踐

白 偉

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司,陜西 渭南 715400)

0 引言

在礦山建設(shè)中,輔助運(yùn)輸系統(tǒng)巷道服務(wù)年限長久,巷道長期受壓變形嚴(yán)重,加之風(fēng)化及水濕侵襲圍巖表面需要反復(fù)修繕保護(hù),輔運(yùn)大巷復(fù)修過程中,復(fù)合頂板變形嚴(yán)重,補(bǔ)打支護(hù)過程易發(fā)生冒頂事故。因此,巷道復(fù)修具有很大的危險(xiǎn)性,也一直是安全工作研究的重點(diǎn)[1-3]。對于井巷復(fù)修雖然取得了一些成功經(jīng)驗(yàn),但施工頻繁且工期較長,嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)接續(xù),需要研究安全快速巷修新技術(shù),在保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,盡可能縮短施工時(shí)間,提高施工效率,對于礦區(qū)建設(shè)及快速維修技術(shù)的突破與發(fā)展,都具有十分重要的意義[4-5]。

在松軟破碎構(gòu)造圍巖中掘進(jìn)巷道時(shí),巷道掘進(jìn)過程中會打破松軟破碎圍巖體原有弱面非連續(xù)介質(zhì)的平衡狀態(tài),此時(shí)巷道圍巖便會發(fā)生變形,釋放大量的能量,進(jìn)而使得巷道圍巖中原本存在的圍巖弱面進(jìn)一步擴(kuò)展,產(chǎn)生新的裂隙[6]。松軟破碎圍巖體在動壓擾動下會出現(xiàn)膨脹、破碎、松軟和大變形的現(xiàn)象,此時(shí)若不采取合適的支護(hù)手段,會使得巷道圍巖的變形更為劇烈,支護(hù)困難,可能會致使巷道在變形破壞后無法正常使用[7]。熊祖強(qiáng)等[8]結(jié)合研制的無機(jī)注漿材料結(jié)合層次分區(qū)注漿加固技術(shù)得到淺部止?jié){層加固注漿的良好效果。徐香慶等[9]通過研制新型注漿材料對松軟破碎圍巖進(jìn)行有效加固,保證了巷道的穩(wěn)定性。馮志強(qiáng)等[10]通過硅酸鹽對傳統(tǒng)注漿材料進(jìn)行改性研究,改進(jìn)了材料本身自燃的安全性能缺點(diǎn)同時(shí)增強(qiáng)了加固的物理特性。孫健等[11]定量分析工作面注漿加固后煤體彈性模量的提高對頂板沉降量的影響,得出工作面頂板沉降計(jì)算公式,分析得到煤體強(qiáng)度最適條件下采煤速率。吳懷國[12]對比了硅酸鹽改性聚氨酯加固材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料反應(yīng)時(shí)的溫度變化情況,并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

基于上述特征,針對松軟破碎構(gòu)造圍巖一種常用的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式為注漿加固,通過注漿加固有效的改善破碎圍巖的結(jié)構(gòu)和性能,整體提升破碎圍巖段的承載能力[13]。注漿加固時(shí),漿液在注漿壓力作用下進(jìn)入破碎圍巖內(nèi),會充填膠結(jié)圍巖內(nèi)部裂隙,提升圍巖體的整體性。注漿加固是通過提升圍巖自身的承載能力作為技術(shù)途徑,達(dá)到改善圍巖維護(hù)狀態(tài)的目的。象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷在掘成后使用至今約一年,在井底車場風(fēng)門后300m的范圍內(nèi),巷道來壓出現(xiàn)頂板下沉、錨網(wǎng)斷裂、漿皮脫落現(xiàn)象,礦方已經(jīng)補(bǔ)打加強(qiáng)錨索噴漿進(jìn)行支護(hù),但該區(qū)域變形仍然嚴(yán)重。根據(jù)分析,該巷道頂?shù)装逑鲁林饕上锏莱袎骸㈨敯迤扑椴煌暾麑?dǎo)致;該區(qū)域錨索施工密度較高,為了更好地治理頂板,特聯(lián)合渭南陜煤啟辰科技有限公司研發(fā)煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料SCPJG-2進(jìn)行注漿加固處理,注漿加固將該區(qū)域頂板連成整體,以提高其頂板抗壓強(qiáng)度,緩解頂板下沉情況。

1 項(xiàng)目概況

象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷采用圓弧拱型斷面,沿5號煤層直接頂破頂1.45 m施工,掘進(jìn)斷面21.6 m2,掘進(jìn)寬度5.5 m,掘進(jìn)高度4.45 m。南一輔助運(yùn)輸大巷井底車場位于南一下山采區(qū)東部,巷道南部以43 m煤柱與巷道東部21503綜采工作面采空區(qū)相鄰,西部以30 m煤柱與南一3號煤層回風(fēng)大巷相鄰。巷道北部對應(yīng)上方為李家溝村東部,巷道中部對應(yīng)上方為沙子廟村東部,巷道南部對應(yīng)上方為楊家圪嶗村西部,其余地區(qū)為山梁、溝谷、階地,無其他水體、建筑。

該地區(qū)5號煤層為半亮型煤,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸1～2層,夾矸巖性為泥巖,厚度為0.1～0.4 m,平均厚0.2 m。煤層厚度變化較大,5-1煤層含夾矸厚度1.0～3.2 m。5-1煤層底板厚度1.0～2.0 m。5-2煤層厚度0.6～1.2 m,局部含夾矸。煤層強(qiáng)度系數(shù)0.5～1.0。

偽頂為泥巖,黑色泥巖,塊狀破碎,厚度1.5 m,沉積不穩(wěn)定。巷道頂板為5號煤層直接頂,巖性變化較大;巷道南部、北部為淺灰色,中厚層狀細(xì)砂巖或中砂巖,厚度5.5～12.0 m;巷道中部、中偏南部為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,厚度1.5～8.0 m。直接頂頂板劃分為1b類,為中等穩(wěn)定型,基本頂穩(wěn)定性為中等穩(wěn)定,分類為Ⅰ級。

5號煤層直接底,巖性為淺灰色中細(xì)砂巖,中厚層狀、泥質(zhì)膠結(jié),厚1.2～7.1 m。底板分類為Ⅰ類,屬級軟類型底板。

2 注漿材料及設(shè)備性能

2.1 注漿加固原理

注漿加固圍巖體是采用特殊漿液將圍巖內(nèi)部的脆弱部分,通過漿液的化學(xué)特性改變圍巖體的物理特征,利用膠結(jié)作用重新分布圍巖體內(nèi)的脆弱部分,將此部分重新排列整合為一個(gè)完整的高強(qiáng)度圍巖體,這樣的重新膠結(jié)排列使得圍巖體的整體性和其本身物理力學(xué)特性得到大大改善。試驗(yàn)表明,注漿加固圍巖體是一種高效提高圍巖體自身承載力的最切實(shí)有效的技術(shù)方法,此種方法可以有效避免支護(hù)失效現(xiàn)象的產(chǎn)生,有利于礦井安全生產(chǎn)。

2.2 注漿材料

注漿加固層位為破碎圍巖,由于破碎圍巖松軟低滲的特點(diǎn),需要材料滲透性好,與巖石粘結(jié)性強(qiáng),加固材料強(qiáng)度要高,綜合考慮本次注漿使用渭南陜煤啟辰科技有限公司生產(chǎn)的雙采煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料(SCPJG-2)。煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料SCPJG-2是由特殊的2種組分組合的材料產(chǎn)品,A組分特殊材料產(chǎn)品通過化學(xué)攪拌芯與B組分特殊材料產(chǎn)品迅速攪拌反應(yīng),產(chǎn)生強(qiáng)度高的聚合物體。此種聚合物粘結(jié)力較強(qiáng),聚合物通過吸附于煤巖體上產(chǎn)生耐高壓,抗剪切力和抗沖擊力,對強(qiáng)酸強(qiáng)堿具有高效的免疫力。聚合物具有較高的流動性,易滲入煤巖體內(nèi)部,具有防水發(fā)泡特征,對煤巖體內(nèi)部的細(xì)小裂隙具有較好的填充性能。聚合物材料不揮發(fā)有毒有害氣體,具有很強(qiáng)的環(huán)保特性。特殊組分材料按照1∶1的體積比通過雙液注漿裝置經(jīng)過化學(xué)攪拌芯混合攪拌均勻后經(jīng)過注漿管注入煤巖體中。煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料性能效果如圖1所示。

圖1 材料加固效果示意

2.3 注漿設(shè)備

注漿加固設(shè)備采用ZZQ-0.9/5型氣動注漿裝置,雙液注漿裝置注漿原理如圖2所示。供風(fēng)壓力不小于0.5 MPa,供風(fēng)氣量不小于4 m3/min。選用4′鋼管做注漿管,花管每根長2 m,實(shí)管長2 m。混合器使用三通型號的人字混合器。抗震耐壓力表使用160 Kgf/cm2(16 MPa)規(guī)格,型號為YK-1的壓力表。高壓膠管使用D=13 mm的雙層鋼絲膠管,耐壓值為5 MPa,進(jìn)風(fēng)管采用高壓膠管。

圖2 雙液注漿裝置注漿原理示意

3 注漿加固施工設(shè)計(jì)

3.1 漿液的擴(kuò)散半徑

根據(jù)其他礦山注漿經(jīng)驗(yàn),煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料在“三軟”煤層中的擴(kuò)散半徑一般為1.5～2.0 m(可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行調(diào)整)。

3.2 鉆孔布置

根據(jù)大巷頂板變形情況,本次試驗(yàn)為30 m。本次注漿采用打孔注漿的方式,根據(jù)象山南一5號煤層膠帶運(yùn)輸大巷注漿經(jīng)驗(yàn),煤礦加固煤巖體用硅酸鹽改性聚氨酯材料的擴(kuò)散半徑一般為2～3 m,因此設(shè)計(jì)鉆孔排距約為3 m,每排布置3個(gè)鉆孔,鉆孔間距為2 m。設(shè)計(jì)注漿鉆孔直徑為42 mm,鉆孔深度6 m,注漿管采用4′鋼管,注漿管長度4 m,孔口處2 m注漿管為實(shí)管,孔內(nèi)2 m注漿管為花管。封孔采用封孔器封孔。巷道注漿鉆孔布置如圖3所示,封孔示意如圖4所示。

圖3 南一輔助運(yùn)輸大巷頂板注漿加固方案示意

圖4 注漿管及封孔示意

為保證實(shí)際注漿效果,達(dá)到穩(wěn)定巷道的作用,預(yù)注漿單孔注漿量約為500 kg,累計(jì)施工鉆孔30個(gè),共計(jì)15 t。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況,施工地點(diǎn)供風(fēng)能力不低于3 m3/min,供風(fēng)壓力不小于0.5 MPa,注漿壓力不小于10 MPa。化學(xué)漿液的注漿歷時(shí)主要取決于不同類型材料的膠凝時(shí)間。從目前現(xiàn)有的注漿材料特性及現(xiàn)場注漿經(jīng)驗(yàn)積累來看,從開始注漿到漿液完全擴(kuò)散或滲透到被注載體中所需要的時(shí)間為一般為10～20 min。

3.3 注漿順序

根據(jù)井下現(xiàn)場的地質(zhì)作業(yè)條件期間環(huán)境變化來設(shè)計(jì)注漿孔的注漿順序。在注漿期間隨時(shí)觀察注漿孔的流漿量,動態(tài)調(diào)整注漿方式,對于一些圍巖體裂隙較為發(fā)育的注漿孔,依據(jù)流漿量可以臨時(shí)采用間隔跳躍的注漿形式,避免漿液流串影響注漿效果,提高均孔的注漿量;采用先外圍注漿再對內(nèi)圈注漿來加固面積較大的區(qū)域;使用深孔+淺孔配合的方式對較為破碎的圍巖區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿效果較好;一般在圍巖體較為發(fā)育的區(qū)域,先使用淺孔注漿,利用漿液的擴(kuò)散效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)“止?jié){幕”,杜絕漏漿嚴(yán)重的現(xiàn)象產(chǎn)生,再向較深部注漿,形成新的更深的“止?jié){幕”層層累加對深部圍巖體進(jìn)行加固,保證漿液逐步擴(kuò)散到設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)的圍巖體裂隙中,達(dá)到整體加固的效果。

4 效果性評價(jià)

圖5為巷道頂板注漿擴(kuò)散效果示意,可見擴(kuò)散后的漿液通過化學(xué)反應(yīng)作用后將圍巖體與支護(hù)頂板的錨桿粘合為一個(gè)整體,提高了圍巖體的完整性,提高了巷道頂板的穩(wěn)定性,為未施工區(qū)域加強(qiáng)錨桿施工提供了較為穩(wěn)定的錨固環(huán)境,可以較好地管理巷道頂板。圖6中圓圈所示注漿加固的漿液充滿破碎圍巖內(nèi)的裂隙通道,使得圍巖破碎范圍大大降低,增強(qiáng)了圍巖的整體穩(wěn)定性。符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求下的巷道成型輪廓,減少因施工產(chǎn)生的浮矸、落矸量,縮短處理矸石的時(shí)間,降低循環(huán)維修周期,提高維修效率和施工速度。

圖5 巷道頂板注漿擴(kuò)散效果示意

圖6 注漿加固圍巖后效果示意

5 結(jié)語

注漿對裂隙巖體膠結(jié)加固的本質(zhì)是通過漿液擴(kuò)散沉積形成固結(jié)體充填破碎巖體的裂隙,改善巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性。同時(shí),膠結(jié)作用的發(fā)揮提高了裂隙巖體的抗剪切能力,增加了整體的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)踐表明,將注漿加固機(jī)制與巖體錨固機(jī)制結(jié)合起來,可以顯著增加巖體的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性。象山煤礦南一輔助運(yùn)輸大巷的圍巖質(zhì)地較為松軟且裂隙發(fā)育,依據(jù)南一輔助運(yùn)輸大巷頂板注漿加固現(xiàn)場情況,注漿加固可提高錨桿錨固效應(yīng),改善圍巖物理力學(xué)參數(shù),增強(qiáng)圍巖體自承力,在巖體內(nèi)部形成承載結(jié)構(gòu)并提升頂板管理水平,為后續(xù)該礦區(qū)類型條件下的巷道圍巖加固提供了借鑒。