新型注漿加固材料在巷道圍巖變形控制中的應用

王 進

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

煤礦斜井在施工到末段平巷井底車場時，尤其是井底車場聯(lián)絡巷時，為確保巷道穩(wěn)定性，通常會采用砌碹技術進行支護。隨著使用時間的增加，砌碹巷道同樣會出現(xiàn)圍巖石破碎、巷道變形、底鼓嚴重的現(xiàn)象，需要定期進行臥底清挖，對運輸系統(tǒng)道軌進行修整校正，因此嚴重制約了井底調度效率。當井底車場所處圍巖層位埋深較淺時，在雨季豐水期，地面降雨會滲透進入車場圍巖裂隙，造成滲漏現(xiàn)象。巖石經(jīng)過雨水長期浸泡，又會加劇開裂碎脹，進一步加重了巷道的變形程度[1-2]。因此，為解決這一問題，通過向砌碹巷道頂?shù)装鍘r層施工鉆孔，注入復合型改良注漿材料，將破碎巖石重新粘結在一起，以便提高圍巖抗壓強度和完整性，對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 井底車場工程概況

致新煤業(yè)有限公司位于貴州省安順市，礦井設計產(chǎn)能為60萬t/a，屬于煤與瓦斯突出礦井。井筒采用斜井開拓方式，設置有中央風井(地面標高 +1428 m)、主斜井(地面標高 +1415 m)、副斜井(地面標高 + 1415m)，位于地面工業(yè)廣場南翼。其中，中央風井以-23°施工；主斜井以-16°坡度施工，安裝有DTL100/553×280S強力輸送皮帶，用于礦井煤流系統(tǒng)提升運輸，在巷道一側安裝有斜巷猴車，用于行人上下井；副斜井以-23°施工，主要用于運輸提料，大型設備和礦用支架的提升等。井底車場水平標高為 +1145 m，車場巷道埋深為 270 m。由于礦井地處喀斯特地貌山區(qū)，雨季期間雨水滲透侵蝕，造成巷道變形嚴重，變形段主要集中在如圖1所示的A-B段巷道，長度為 85 m。

巷道變形原因分析：①巷道施工選擇層位問題。井底車場布置在距離地表埋深 270 m 位置，距離主采M9煤層頂板垂高 12 m，距離M8煤層底板不足 7 m，且煤層頂板存在弱含水層，局部富水。雖然滲流量不大，但長期對車場巷道周邊圍巖侵蝕，影響原巖穩(wěn)定性。②巷道砌碹加固后，原巖應力被打破，處于新的平衡狀態(tài)。隨著巷道使用時間的加長，不同采區(qū)的工作面動壓相互疊加，造成井底車場巷道受力不平衡，出現(xiàn)圍巖結構破壞，降低圍巖強度。③在復雜應力作用下，砌碹巷道結構抗壓強度下降，圍巖與巷道之間裂隙發(fā)育，影響范圍不斷擴大。由于巖石破碎較嚴重，通過打設頂幫錨桿、錨索進行補強的方案無法取得實際效果，致使主動支護失效，加劇巷道的變形。

2 注漿加固支護方案

2.1 注漿方案制定

采取先施工頂幫鉆孔，后向周圍巖體進行注漿的措施，混合漿液進入巖層裂隙當中實現(xiàn)充填加固。由于砌碹結構本身在施工期間是將整塊的固定形狀砌塊進行有序拼接澆筑，經(jīng)過應力作用擠壓破壞，原始砌塊也會產(chǎn)生裂隙，呈現(xiàn)破碎狀態(tài)。在鉆孔內進行注漿時，漿液會滲透進入原始砌塊的裂隙中，實現(xiàn)對砌塊的修補作用，提高圍巖和砌塊的完整性。當巷道周邊所有巖體裂隙被完全充填后，在一定范圍內重新膠結形成新的完整圍巖體。在此基礎上，再次施工錨桿、錨索，可以提高支護加固的補強效果[3]。經(jīng)過注漿后，膠結層對于頂板弱含水層能夠起到較好的防滲效果，降低雨季期間地面滲透的雨水對巷道構成的侵蝕影響。

2.2 復合型注漿材料選配

配制注漿材料的原料包括硫鋁酸鹽水泥、石灰和石膏等材料。經(jīng)過配比試驗，硫鋁酸鹽水泥∶生石灰∶石膏質量配比方案為50∶6.25∶43.75。配制混合漿液前，分別對硫鋁酸鹽水泥與水以體積比1∶1進行攪拌混合，得到A料；生石灰與石膏混合后與水攪拌，得到B料，然后在A、B料混合過程中同時加入催化劑、速凝劑、減水劑等輔助材料，得到新型注漿混合材料。

3 新型注漿材料性能參數(shù)確定

3.1 初凝時間和抗壓強度

對破碎圍巖注漿的目的是在短時間內提高巖體的完整性和抗壓強度，因此，檢測注漿后的凝固時間，以及不同條件下的抗壓強度是檢驗注漿效果的重要依據(jù)[4]。將水灰比(質量比，下同)以從0.5∶1逐漸增加到2.0∶1，對上述兩項指標分別測定，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制曲線如圖2所示。

(a)初凝時間影響曲線

由圖2分析可知：當水灰比從0.5∶1增加到2∶1時，水灰比越大，反應所需的初凝時間越長；在水灰比達到0.9∶1之后開始出現(xiàn)拐點，初凝時間迅速升高。圍巖抗壓強度隨水灰比升高而下降，當水灰比達到1.1∶1時，材料抗壓強度為 10.08 MPa，而初始比 0.5∶1 時抗壓強度為 17.2 MPa；達到2∶1時，抗壓強度僅有 3.45 MPa。而圍巖的原巖抗壓強度和剪切力強度至少需要滿足 12 MPa 以上，因此，需保證混合漿液水灰比不能大于0.9∶1。

3.2 結塊的干縮率和泌水率

漿液膠結后結塊的干縮率和泌水率指標是為確定漿液凝固后水分的析出量，判斷漿液的實際凝固狀態(tài)。若仍然含有水分，說明此時結塊尚未達到強度要求，處于未完全凝固狀態(tài)；若含水量降低，則已完全凝固。同樣，水灰比從2∶1下調至0.5∶1時，對干縮率和泌水率兩項指標在漿液靜置凝固 2 h、4 h 條件下進行數(shù)據(jù)觀測。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計繪制曲線如圖3所示。

(a)干縮率影響曲線

由圖3分析可知：隨著水灰比增大，混合漿液干縮率不斷下降，泌水率不斷上升；靜置 4 h 的干縮率明顯高于靜置 2 h 的干縮率，說明放置時間越長，結塊含水量越低，強度越好。當水灰比達到0.9∶1時，漿液泌水率開始上升，此時泌水率為0.34%。泌水率越低，說明漿液的穩(wěn)定性越強，能夠達到要求的注漿效果。

3.3 化學反應放熱影響

注漿材料在混合凝固的過程中會發(fā)生化學放熱反應，在裂隙充填有限的空間環(huán)境下當熱量過高極易引發(fā)火災事故，因此，須通過試驗測定反應的最高溫度，以便合理控制反應溫度。采集數(shù)據(jù)繪制曲線如圖4所示。

圖4 不同水灰比條件下反應溫度影響曲線

由圖4分析可知：隨著水灰比增大，混合漿液的反應溫度不斷下降；在水灰比0.5∶1時，溫度為 55.7 ℃；水灰比2.0∶1時，反應溫度只有 31.4 ℃。因此，在該配比區(qū)間內，不會引發(fā)因反應放熱導致的煤體燃燒事故發(fā)生。

3.4 注漿參數(shù)確定

在 85 m 長井底車場變形嚴重地段巷道頂幫施工注漿鉆孔，孔徑為 Φ42 mm，設計孔深 8 m，鉆孔間距設計 3 m。在巷道壁后淺層 4 m 范圍采用水灰比 0.8∶1 的混合漿液進行注漿，終壓設定小于 1.5 MPa，避免壓力過高導致離層和裂隙再次發(fā)育；在4～8 m 孔深區(qū)段采用水灰比0.9∶1的比例，終壓控制在4～4.5 MPa，注漿時隨時觀察巖層注漿量、返漿量和壓力變化。為確保注漿效果和裂隙完全充填，采取分段注漿方法，先對圍巖 4 m 范圍以內深度進行注漿，待凝固后再施工鉆孔，對深部4～8 m 范圍進行注漿，為后期補打錨桿、錨索創(chuàng)造基礎。

4 注漿效果應用分析

經(jīng)過對車場巷道圍巖裂隙進行加固治理，注漿后由于大部分裂隙被充填，有效降低裂隙容水率。通過施工驗證鉆孔向孔內注水，對比注漿前后相同區(qū)段圍巖的容水量大小。以5個不同區(qū)段范圍為例，驗證孔深 5 m，每孔注水 10 min，得到注水結果如表1所示。

表1 驗證鉆孔容水率觀測表

經(jīng)過注水驗證：注漿加固后圍巖的隔水率提升89.8%～91.5%，具有顯著的阻隔效果。此外，經(jīng)過巷道設點圍巖觀測，發(fā)現(xiàn)加固段巷道最大頂?shù)滓平繛?97.1 mm，兩幫水平移近量為 64.3 mm。相較于加固前最嚴重時巷道頂?shù)滓平窟_ 674 mm，兩幫移近量達 425 mm，巷道圍巖控制效果較好。

5 結論

1)通過對井底車場巷道的變形原因分析，提出采取圍巖壁后注漿加固的治理措施。經(jīng)過配比試驗，確定硫鋁酸鹽水泥∶生石灰∶石膏質量配比方案為 50∶6.25∶43.75。

2)通過對不同水灰比條件下混合漿液的初凝時間和抗壓強度、干縮率和泌水率，及化學反應溫度等重要指標參數(shù)的測定，選定水灰比0.9∶1。經(jīng)過注漿加固后，將圍巖隔水率提升89.8%～91.5%，巷道最大頂?shù)滓平繛?97.1 mm，兩幫水平移近量為 64.3 mm，巷道圍巖變形控制取得較好的效果。