李西凡 ，熊祖強(qiáng) ，2，劉旭峰 ，王雨利

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000；4.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

近年來隨著注漿理論、工藝、材料及設(shè)備等方面的不斷研發(fā)更新，注漿加固技術(shù)在礦業(yè)工程中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的效果[1]。通過對破碎煤巖體實施注漿，可以有效提高其強(qiáng)度及完整性，改善其變形性能。實踐中由于工程背景的不同，對注漿材料的性能要求也不同。注漿材料的選擇要符合具體工程的治理理念。當(dāng)前在注漿材料領(lǐng)域形成了有機(jī)高分子材料與傳統(tǒng)無機(jī)水泥材料2大體系，二者各有各的優(yōu)缺點[2]。前者具有流動性好、滲透性強(qiáng)、凝結(jié)速度快等優(yōu)點，但其存在反應(yīng)放熱量大、有毒且價格昂貴等缺點。后者具有結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、價格低廉等優(yōu)點，但其存在結(jié)石率低、強(qiáng)度增長緩慢、可注性差等缺點。因此，規(guī)避二者缺點研發(fā)新型注漿材料成為當(dāng)今研究熱點[3-5]。由于現(xiàn)場工程特點各異，當(dāng)前在煤礦注漿加固工程實踐中，注漿材料的選擇較為盲目。疏于結(jié)合工程的特點，往往會導(dǎo)致漏漿、堵孔、漿液擴(kuò)散半徑小、結(jié)石體與圍巖變形不協(xié)調(diào)等不良現(xiàn)象的發(fā)生。以煤礦巖層控制實踐中2種典型的注漿加固工程為背景，探討了相關(guān)治理理念與治理工藝，并分別研發(fā)了與之相適應(yīng)的注漿材料。

1 巷道破碎圍巖淺孔層次注漿技術(shù)

巷道開掘后會經(jīng)歷多次采動影響，還會受到工作面固定支承壓力的持續(xù)影響。這些采動及應(yīng)力集中因素導(dǎo)致巷道淺部區(qū)域圍巖破碎、裂隙發(fā)育，形成松動圈，越往深部逐步過渡至塑性區(qū)、彈性區(qū)。然而這種圍巖破壞分區(qū)僅僅是1個動態(tài)平衡過程的反應(yīng)，由于受本煤層鄰近工作面采掘活動與本工作面固定支承壓力以及上煤層工作面回采動壓或遺留煤柱疊加應(yīng)力等因素的影響，巷道圍巖仍然會發(fā)生快速或緩慢持續(xù)性的變形破壞[6]。兩幫的變形破壞會導(dǎo)致巷道底板實際跨度的增大，增加底板變形失穩(wěn)的幾率，甚至?xí)l(fā)強(qiáng)烈的底鼓變形[7-8]。由于巷道兩幫的持續(xù)內(nèi)斂以及底板的撓曲變形，使得巷道淺部圍巖松散破碎，錨固基礎(chǔ)喪失。

對于該類型巷道圍巖變形的治理要注重時效理念，即要求治理措施快速發(fā)生作用以抑制采掘動壓以及集中應(yīng)力對巷道圍巖的破壞[6]。結(jié)合圍巖分區(qū)特點以及裂隙發(fā)育規(guī)律，淺部松動區(qū)及塑性區(qū)應(yīng)為注漿治理的重點[9-10]。松動區(qū)裂隙發(fā)育程度較高，直接注漿可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的漏漿問題，而塑性區(qū)由于裂隙發(fā)育不充分，可能會出現(xiàn)漿液難以注進(jìn)的問題?；诖?，需在注漿材料及工藝上進(jìn)行相關(guān)研究。首先，注漿材料應(yīng)適應(yīng)圍巖分區(qū)的特點，要求漿液在淺部區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)快凝以解決漏漿問題。其次，在塑性區(qū)要求漿液具有合適的黏度及流動度，以滿足在低裂隙發(fā)育程度下的可注性要求。此外，為了快速強(qiáng)化巷道圍巖并提高錨桿、錨索的承載性能，要求材料具備早強(qiáng)特性。在具體的工程中，注漿作業(yè)是1個緩慢過程。因此，具備速凝特性的注漿材料必須按照雙液思路設(shè)計，即在攪拌桶、注漿泵以及輸送管路內(nèi)是以單液形式存在，最后以混合液形式注入圍巖裂隙，以保證具有足夠的施工時間。

破碎圍巖淺孔層次注漿技術(shù)示意圖如圖1。該注漿工藝設(shè)備配置主要有雙液注漿泵、攪拌機(jī)、管路及混合裝置等，其中注漿泵是注漿設(shè)備的核心。由于煤礦井下環(huán)境特殊且工況條件復(fù)雜，注漿壓力及注漿量隨時間變化頻繁且變化幅度大，要求注漿泵具備較強(qiáng)的壓力控制能力，能夠隨壓力變化自動調(diào)節(jié)排漿量且嚴(yán)格防爆[4]。氣動注漿泵采用壓縮空氣作為動力，具有結(jié)構(gòu)緊湊，注漿壓力、流量可以無極調(diào)控等優(yōu)點，因此比較適合煤礦破碎圍巖注漿?，F(xiàn)場注漿工程中，注漿鉆孔設(shè)計長度應(yīng)深入至圍巖塑性區(qū)。在完成鉆孔施工后，應(yīng)插入注漿導(dǎo)流管直至孔底以最大程度地保證整個鉆孔覆蓋區(qū)域圍巖注漿的均勻性，防止因塌孔、漿液偏流效應(yīng)等因素導(dǎo)致深部區(qū)域加固不良的問題。為防止淺部松動圈區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿問題，在敷設(shè)注漿管后需進(jìn)行封孔，封孔長度應(yīng)隔過松動圈區(qū)域。在注漿過程中，若出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象時，可采用降低漿液水灰比、間歇停頓并配合塞棉紗方式堵漏。

圖1 巷道破碎圍巖淺孔層次注漿技術(shù)示意圖

2 采場超前支承壓力區(qū)深孔防片幫注漿技術(shù)

2.1 淺孔注漿技術(shù)的弊端

在采場前方存在著隨工作面推進(jìn)而移動的超前支承壓力。該超前支承壓力峰值可達(dá)原巖應(yīng)力的2～3倍，其可以引發(fā)煤體的變形、破壞，產(chǎn)生各種各樣的結(jié)構(gòu)面，造成工作面開采時片幫、冒頂現(xiàn)象的發(fā)生[11]。特別對于大采高工作面，其片幫問題尤其嚴(yán)重，已成為綜采設(shè)備效能發(fā)揮的重要制約因素。目前多數(shù)礦井主要采用工作面煤壁淺孔注高分子材料方式來控制片幫，注漿成本極高且干擾生產(chǎn)，故多作為事后處理措施[12]。此外，高分子材料存在諸多安全隱患且影響煤質(zhì)。因此，有必要開展工作面兩巷深孔預(yù)注漿技術(shù)及相應(yīng)注漿材料的研究，以規(guī)避當(dāng)前治理措施的不足，確保對煤壁和頂板形成有效的控制。

2.2 深孔片幫注漿技術(shù)的提出

工作面超前支承壓力一方面會造成煤體破碎，誘發(fā)煤壁片幫，甚至冒頂，但另一方面也會增大煤體的可注性，增大漿液的擴(kuò)散范圍。因此，可利用超前支承壓力這一特點，選擇合適的注漿時機(jī)對煤體進(jìn)行注漿，以防止工作面推進(jìn)時產(chǎn)生不利的礦壓顯現(xiàn)。根據(jù)煤體受載狀況，工作面前方可分為破壞區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū)。彈性區(qū)內(nèi)煤體和頂板巖體裂隙不發(fā)育，可注性差，需采用劈裂注漿。注漿后的煤巖體強(qiáng)度未必有原始煤巖體強(qiáng)度高，而且還要經(jīng)歷強(qiáng)烈的采動影響再次發(fā)生破壞，從而使注漿失效。塑性區(qū)內(nèi)的煤巖體在集中應(yīng)力的作用下裂隙發(fā)育，空隙連通性增加，可注性強(qiáng)。破壞區(qū)內(nèi)煤巖體完全破碎，可注性較好，但煤巖體基本喪失承載能力，要求注漿材料具有較高的強(qiáng)度，而且還存在漏漿的問題。因此，合理的注漿區(qū)域應(yīng)選擇在煤巖體塑性區(qū)，考慮到工作面位置的動態(tài)性，最優(yōu)的注漿時機(jī)應(yīng)使工作面前方煤體處于塑性區(qū)與彈性區(qū)的過渡區(qū)域，該區(qū)域接近于工作面超前支承壓力峰值位置。

2.3 深孔注漿技術(shù)及材料選擇

在掌握工作面超前支承壓力分布規(guī)律后，可在工作面兩巷提前打深孔，并進(jìn)行插管、封孔等一系列工作，待鉆孔進(jìn)入至超前支承壓力區(qū)峰值位置附近時進(jìn)行注漿。由于大采高、放頂煤等高產(chǎn)高效工作面推進(jìn)速度普遍較快，因此要求注漿材料需在1～2 d內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度以滿足高效開采的需要。此外，深孔注漿時漿液滲透時間較長，要求漿液初凝速度不能過快，在40～60 min內(nèi)性狀不發(fā)生大的改變，以滿足施工和滲流的需要。

采場超前支承壓力區(qū)深孔防片幫注漿技術(shù)示意圖如圖2。該治理工藝需超前工作面沿回采巷道進(jìn)行打鉆作業(yè)，鉆孔深度覆蓋整個工作面長度?？梢詫⑸羁鬃{鉆孔和瓦斯抽采鉆孔統(tǒng)一，即提前成孔、插管、封孔后先行作為瓦斯抽采鉆孔，待回采時期可以作為注漿鉆孔。在一些工作面由于煤質(zhì)較軟或存在構(gòu)造異常區(qū)，可能會出現(xiàn)塌孔、卡鉆等鉆進(jìn)困難現(xiàn)象。這種情況下可采用“分次成孔”方案，即在出現(xiàn)鉆進(jìn)異常時，立即退鉆，連接注漿管并采用速凝材料進(jìn)行注漿，以固結(jié)異常區(qū)松散煤矸并封堵淺部漏漿通道，待漿液凝固后重新套孔并繼續(xù)鉆進(jìn)成孔[13]。針對地質(zhì)構(gòu)造分布較多的區(qū)域，可結(jié)合物探技術(shù)，提前探測出工作面中地質(zhì)異常區(qū)域，做到有的放矢，提高注漿效率。

圖2 采場超前支承壓力區(qū)深孔防片幫注漿技術(shù)示意圖

3 高性能無機(jī)注漿材料

3.1 雙液注漿材料

該材料是由A、B雙組分構(gòu)成。A組分由主料硫鋁酸鹽水泥熟料和添加劑組成，B組分由主料石膏、石灰和添加劑組成，添加劑主要由速凝劑、減水劑、增稠劑、緩凝劑等組成[13]。該材料主要應(yīng)用于淺孔注漿加固工程，淺孔注漿要求漿液具備突出的快凝特性。故在材料配制過程中，通過調(diào)節(jié)主料及添加劑的摻量以滿足流動度、凝結(jié)時間等指標(biāo)要求。在材料使用過程中，A料、B料分別按相同的水料比加水拌合制得單液料漿，然后將其按體積比1∶1混合使用。在雙組分料漿混合后，硫鋁酸鹽水泥熟料中的無水硫鋁酸鈣在石膏、石灰及外加劑作用下發(fā)生反應(yīng)，在短時間內(nèi)迅速生成大量的針柱狀鈣礬石晶體，形成主要的強(qiáng)度載體[6]。

該材料具備快凝、早強(qiáng)、高結(jié)石率、凝結(jié)時間和膠結(jié)強(qiáng)度可調(diào)等特性，其較為適合破碎圍巖注漿加固需要，特別適用于軟巖、構(gòu)造區(qū)、動壓等復(fù)雜條件下具有較強(qiáng)時效性要求的大變形巷道及掘進(jìn)工作面的淺孔注漿加固工程。該材料的具體性能指標(biāo)為：2種漿液在混合前，6 h內(nèi)漿液不凝固、不泌水、不沉淀，具備良好的流動特性；2種漿液混合后，1～10 min失去流動性，10～30 min完全固化，適合于時效性要求較高的注漿工程需要；漿液在（0.6～1.2）∶1水灰比下漿體結(jié)石率可達(dá)100%；結(jié)石體24 h的強(qiáng)度能達(dá)到10 MPa以上。通過調(diào)節(jié)漿液水灰比，可以實現(xiàn)淺層堵漏和深層滲透注漿的需要，施工特性較好。雙液注漿材料加固煤體現(xiàn)場采樣圖如圖3。

圖3 雙液材料加固煤體采樣圖

3.2 單液注漿材料

該材料由超細(xì)水泥與早強(qiáng)劑、減水劑與增稠劑等添加劑組成。按質(zhì)量計各成分組成為：超細(xì)水泥100份，早強(qiáng)劑 1.5～2.5份，減水劑 0.5～1.5份，懸浮劑0.5～1.0份，通常情況下，采用的水灰比為（0.6～0.8）∶1。該材料主要應(yīng)用于深孔注漿加固工程，而深孔注漿時漿液的運動形式以滲流和劈裂運動為主，因此要求漿液必須具備較強(qiáng)的流動性和可注性。故在配制過程中，通過提高材料細(xì)度，增大水灰比，降低黏度等方法實現(xiàn)上述要求。該材料具備突出的高滲透性、高強(qiáng)等特性，特別適用于工作面防片幫、冒頂深孔注漿加固工程需要。該材料的具體性能指標(biāo)為：細(xì)度可達(dá) 2 000目（6.5 μm），平均粒徑為 3～5 μm，能夠滲入細(xì)小裂隙；漿液在（0.6～0.8）∶1 水灰比下初凝時間大于45 min，終凝時間大于4 h，結(jié)石率可達(dá)100%；24 h強(qiáng)度可以達(dá)到25 MPa，最終強(qiáng)度可達(dá)50～70 MPa。

4 結(jié)論

1）工程背景不同，對注漿材料的性能要求不同。注漿加固技術(shù)的實施，要結(jié)合具體的工程特點，選擇適合的注漿材料并研發(fā)針對性的注漿工藝。

2）采用淺孔層次注漿技術(shù)并配合雙液速凝注漿材料，可對疊加應(yīng)力、回采動壓等復(fù)雜條件下破碎圍巖巷道進(jìn)行治理。

3）在工作面超前支承壓力區(qū)采用高性能單液注漿材料實施深孔注漿技術(shù)，可以防止工作面煤壁片幫。