關(guān)俊紅

(長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心，山西 長治 046000)

隨著我國淺部煤炭資源的枯竭，礦井逐漸向深部發(fā)展[1]，水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力升高和各種動(dòng)力災(zāi)害導(dǎo)致礦井水害以及巷道圍巖破碎現(xiàn)象日益增多，不僅影響施工進(jìn)度、惡化勞動(dòng)環(huán)境、增加支護(hù)排水費(fèi)用，而且給煤礦帶來重大安全隱患。注漿是防治水害的主要手段之一，可以顯著改善圍巖穩(wěn)定性，尤其是復(fù)合注漿在無需破壞原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行原位修復(fù)加固，有效提高圍巖承載能力以及改善承載結(jié)構(gòu)的受力性能[2-4]。

本文以某礦15102工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)中遇到頂板淋水為工程背景，通過收集分析淋水地點(diǎn)的水文地質(zhì)資料，提出采用超前化學(xué)預(yù)注漿技術(shù)對運(yùn)輸巷頂板淋水段進(jìn)行治理，達(dá)到了封堵淋水裂隙、加固薄弱地段及降低突水幾率的目的，保障了巷道掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

1 工程概況

某礦井田面積為17.687 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬t/a，開采15號煤層，15102工作面埋深234～357 m，煤層傾角3～5°，平均煤厚3.85 m，煤層賦存穩(wěn)定，容重1.45 t/m3，普氏系數(shù)=2～4；直接頂為泥巖，厚度為0.5～2.0 m，黑色，質(zhì)地較密；老頂為K2灰?guī)r，厚度5.75～8.39 m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑、方解石，質(zhì)地堅(jiān)硬?；夭上锏啦捎缅^網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。在掘進(jìn)15102工作面運(yùn)輸巷過程中承受15101采空區(qū)積水水壓，并在680～720 m段穿過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶，造成頂板煤巖層位紊亂，巷道負(fù)坡度掘；頂板裂隙與老空水導(dǎo)通給巷道頂板補(bǔ)給大量水源，致使巷道掘進(jìn)至680 m時(shí)迎頭淋水達(dá)到30 m3/h，并有潰水可能。施工環(huán)境的不斷惡化，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)進(jìn)度。為了保障煤礦正常生產(chǎn)，急需解決掘進(jìn)期間頂板滲水、潰水隱患問題。

2 巷道頂板導(dǎo)水因素

運(yùn)輸巷道揭露地層在完整巖體中形成自由臨空面后，應(yīng)力平衡關(guān)系遭到破壞，在圍巖的變形、位移、破壞和力的重新分布變化過程中難免會(huì)形成掘進(jìn)空間與充水水源之間的新導(dǎo)水通道或激活原有地質(zhì)構(gòu)造，誘發(fā)礦山水害。巷道圍巖變形破壞主要受以下因素的影響和控制。

1) 圍巖的力學(xué)性質(zhì)、組構(gòu)關(guān)系及其產(chǎn)出狀態(tài)的影響。巷道掘進(jìn)后，在一定空間范圍內(nèi)圍巖形成臨空面，在構(gòu)造應(yīng)力及上覆地層自重應(yīng)力的作用下，圍巖類似于受力狀態(tài)下的懸空梁或板，直接頂?shù)膸r層受力后必然會(huì)發(fā)生變形和位移，當(dāng)這種位移和變形達(dá)到一定程度后，便會(huì)超過圍巖自身的強(qiáng)度極限而使圍巖發(fā)生垮落、破壞、離層等而形成導(dǎo)水通道。大量觀測資料證實(shí)，硬巖地層受力后容易發(fā)生碎脹和破裂變形，從而形成易于地下水流動(dòng)的導(dǎo)水通道[5-7]。

2) 圍巖地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響。在矩形巷道掘進(jìn)過程中頂板巖體結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度較低，巷道四個(gè)角容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力重新分布過程中應(yīng)力超過頂板巖層的破壞強(qiáng)度，便會(huì)發(fā)生剪切破壞，頂板巖層強(qiáng)度處于峰值后應(yīng)力狀態(tài)；穿過復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶應(yīng)力將可能會(huì)超越頂板巖層殘余強(qiáng)度，同時(shí)承載相鄰采空區(qū)積水水壓，加劇頂板巖層紊亂和破碎程度，頂板裂隙向上發(fā)育并相互交叉，為誘發(fā)礦山水害埋下隱患。

3) 巷道掘進(jìn)寬度的影響。巷道的寬度越大，則頂板巖層的彎曲變形量越大。由于頂板泥巖抗彎曲強(qiáng)度小，導(dǎo)致頂板變形量增大，增加巖層破壞、破裂和垮落范圍，從而使掘進(jìn)所誘發(fā)的導(dǎo)水?dāng)嗔逊秶黾印?/p>

3 注漿堵水加固機(jī)理

1) 通過對淋水段巷道頂板進(jìn)行復(fù)合注漿，漿液快速將破碎巖體以及滲水孔錨桿、索緊密有力地鉸接成整體，并與錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形成共同支護(hù)作用，顯著改善圍巖結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)力分布，減少圍巖破壞變形[8]。

2) 通過鉆孔注漿后，復(fù)合漿可在瞬間凝膠形成固體鏈接，密閉充填導(dǎo)水裂隙，降低圍巖滲透率，隔絕水源，堵漏止水；同時(shí)封閉微小孔、裂隙，阻止氣體侵入巖石內(nèi)部，保持圍巖的長期穩(wěn)定性；防止地下水及有毒有害氣體滲透到工作面。明顯改善施工地點(diǎn)環(huán)境和圍巖的賦存環(huán)境[9-10]。

3) 利用高壓泵將復(fù)合漿液充填到圍巖裂隙中去后，漿液快速凝固的同時(shí)改善巖體弱面的力學(xué)性質(zhì)，大幅提高裂隙內(nèi)部的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部發(fā)生相對位移的阻力，提高圍巖抗破壞的能力以及整體的穩(wěn)定性，有效避開相鄰工作面老空水的威脅[11]。

4 注漿加固治理方案

4.1 注漿方案

1) 為了治理運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間頂板淋水，保證掘進(jìn)安全。提出兩個(gè)治理方案：

方案1：疏排積水，水泥注漿。15102運(yùn)輸巷掘進(jìn)暫停，對巷道頂板K2含水層及15101采空區(qū)積水進(jìn)行疏放水，減少巷道頂板K2灰?guī)r含水層富水性；隨后采取水灰比為0.9的525號硅酸鹽水泥進(jìn)行注漿，減小運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間頂板淋水并保障掘進(jìn)安全。

方案2：聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿，疏放結(jié)合。根據(jù)巷道與相鄰采空積水區(qū)高差，合理調(diào)整留設(shè)15102運(yùn)輸巷與15101采空積水區(qū)之間防隔水煤柱。在運(yùn)輸巷660～720 m段掘進(jìn)期間，視情況采取超前聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿和合理疏排水手段治理頂板淋水。對錨索/錨桿孔出水流量小于等于2 m3/h的出水點(diǎn)采用超前注漿方式對巷道頂板、兩幫進(jìn)行封堵加固，每超前5 m為一個(gè)循環(huán)，共計(jì)12個(gè)循環(huán)。對出水流量大于2 m3/h的出水點(diǎn)，采取引流疏放。

2) 方案對比。

方案1優(yōu)點(diǎn)：對頂板K2灰?guī)r裂隙水及老空水源疏放，直接減少淋水及突水威脅；水泥漿配置方便，操作簡單；材料來源廣泛，價(jià)格低廉[12]。缺點(diǎn)：普通水泥漿抗分散性、滲透性差，凝膠時(shí)間難以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，粘結(jié)體強(qiáng)度小，性能整體偏差，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。15101老空水積水量大，疏放水周期過長，15102運(yùn)輸巷掘進(jìn)受影響較大，從而影響礦井采掘接替。

方案2優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合漿粘度低，可注性強(qiáng)，能注0.1 mm以上裂縫；在動(dòng)水條件下復(fù)合漿的抗分散性強(qiáng)，包水量大，適用于流動(dòng)水部位的堵漏或防滲，可按工程需要調(diào)節(jié)漿液的凝膠時(shí)間；固結(jié)體抗?jié)B性好，具有高延展性，抗壓強(qiáng)度可達(dá)10～20 MPa，抗拉強(qiáng)度高，適用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和動(dòng)水地層堵涌水[12]；受溫度、酸堿度及微生物作用等外部環(huán)境影響小，耐持久性好；巷道掘進(jìn)與疏放水同時(shí)進(jìn)行有利于礦井采掘接替；可減少排水系統(tǒng)費(fèi)用；頂板巖層加固后，巖層穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于巷道掘進(jìn)期間支護(hù)安全。缺點(diǎn)：增加注漿、打鉆等費(fèi)用；要求技術(shù)水平較高，需要多種配套設(shè)備工藝，多行業(yè)、跨行業(yè)技術(shù)集成特點(diǎn)顯著。兩種方案綜合比較，選取更加經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的方案2。

4.2 復(fù)合漿材制備及性能

1) 復(fù)合漿材的組成。按方案2設(shè)計(jì)要求，注漿使用由主劑、擴(kuò)鏈劑、促進(jìn)劑和乳化劑組成的聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿。主劑包括異氰酸酯、聚醚和硅酸鹽；擴(kuò)鏈劑由含兩個(gè)或者兩個(gè)以上官能團(tuán)組成，能與主劑形成聚合物單體；促進(jìn)劑能引發(fā)聚合反應(yīng)并調(diào)節(jié)控制凝膠時(shí)間；乳化劑能分散溶液并增加溶液均一性。復(fù)合漿材配方如表1。

表1 聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿材配方設(shè)計(jì)

將以上原料按照表 1配比分成A、B兩組，A組由硅酸鹽、乳化劑、聚醚、促進(jìn)劑等組成；B組由異氰酸酯等有機(jī)成分組成，注漿時(shí)將A、B兩組分按比列混合即得聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿[12]。

2) 復(fù)合漿的物化性質(zhì)。A、B兩組混合所得復(fù)合漿液呈淡黃色，不含任何揮發(fā)性有機(jī)成分，具有可注性、流動(dòng)性和滲透性強(qiáng)的顯著優(yōu)點(diǎn)。混合均勻后，漿液黏度迅速增大，瞬間失去流動(dòng)性并形成凝膠；根據(jù)不同的配方設(shè)計(jì)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間可控制在15～90 s和3～5 min。依據(jù)MT113—1995標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合漿材進(jìn)行阻燃性測試，結(jié)果表明復(fù)合漿材不能點(diǎn)燃或離火自熄，具有良好的阻燃性[12]。

4.3 注漿設(shè)備

根據(jù)聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合注漿的特殊性，使用鉆頭直徑42 mm礦用風(fēng)煤鉆施工注漿孔，雙液氣動(dòng)注漿泵連接風(fēng)動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿，注漿量以不發(fā)生大量跑漿為準(zhǔn)，且注漿壓力不低于2 MPa；采用直徑19 mm、長3～5 m的注漿管，注漿時(shí)根據(jù)需要適當(dāng)截取。

4.4 注漿作業(yè)參數(shù)

4.4.1 鉆孔布置

根據(jù)運(yùn)輸巷660～720 m段地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和注漿工藝要求，采用礦用風(fēng)鉆機(jī)在巷道實(shí)揭起始位置隨掘隨注，超前加固8.0 m再向前掘進(jìn)5 m，預(yù)留3.0 m保護(hù)帽的注漿加固方案。每個(gè)注漿循環(huán)迎頭布置4～6根注漿管，封孔段長1.5～2.0 m。每個(gè)循環(huán)布置三組注漿孔，具體參數(shù)如下：

1) 頂板超前加固孔。1號～3號孔：方位角270°，孔深6 m，傾角30°，孔徑42 mm；

2) 左幫超前加固孔。4號、5號孔：方位角240°，傾角0°，孔深6 m，孔徑42 mm；

3) 右?guī)统凹庸炭住?號、7號孔：方位角240°，傾角0°，孔深6 m，孔徑42 mm。 鉆孔布置如圖1所示。

圖1 復(fù)合漿加固迎頭斷面鉆孔布置示意

根據(jù)構(gòu)造帶煤體承受能力和最小抵抗面及圍巖條件，復(fù)合漿擴(kuò)散半徑按2.0 m考慮。由于15102運(yùn)輸巷在掘進(jìn)實(shí)揭后，揭露異常區(qū)段幫頂、巷道傾角等可能與預(yù)測情況有所出入，可在施工中對注漿孔密度、深度和鉆孔角度做合理調(diào)整。

4.4.2 注漿施工流程及要求

1) 注漿現(xiàn)場配備雙液撥動(dòng)注漿泵以及專門配套的注漿裝置，并進(jìn)行安裝調(diào)試。隨后將A組和B組分別接入注漿泵進(jìn)漿系統(tǒng)，調(diào)節(jié)體積比以1∶1比例進(jìn)料，通過靜態(tài)混合器自動(dòng)混合，直接注漿。

2) 漿液的固化時(shí)間與現(xiàn)場溫度有關(guān)，注漿前，宜將兩個(gè)組分在15～35 ℃溫度下放置12 h以上。

3) 現(xiàn)場要保證冷卻水壓和水量，嚴(yán)格控制注漿量和注漿速度。

4) 在注漿間隙，為防止堵管，可用A組分充滿混合頭和管路。在注漿結(jié)束后，A組分的管路可以用水沖洗，B組分和泵體要用配套的專用清洗劑或者機(jī)油清洗，清理現(xiàn)場并留人值班。

5 結(jié) 語

1) 通過對15102工作面運(yùn)輸巷注漿段的觀測，發(fā)現(xiàn)聚氨酯/硅酸鹽復(fù)合漿材經(jīng)過合理配比能快速凝膠對頂板大量滲水裂隙進(jìn)行有效的充填密實(shí)，從而達(dá)到堵漏止水效果。

2) 現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，注漿后，破碎巖塊與復(fù)合漿粘結(jié)形成的有效加固區(qū)有較強(qiáng)的承載能力并呈陀螺形分布。

3) 通過注漿加固，有效維持了破碎圍巖條件下巷道頂板的穩(wěn)定性，治理了頂板滲水以及煤柱潰水隱患問題，確保了15102工作面運(yùn)輸巷的順利掘進(jìn)。