程兆輝,王春森(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017300)

1 前言

隨著井工開采的深度不斷拓展,煤炭開采面臨著高應(yīng)力、軟巖等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境,尤其是在遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造情況時(shí),受其影響,巷道圍巖會出現(xiàn)松動破碎,受回采震動等的影響,原有的支護(hù)逐漸失去作用,巷道極易出現(xiàn)變形、破碎、垮落等問題,嚴(yán)重時(shí)會造成巷道斷面嚴(yán)重縮小,影響通風(fēng)、運(yùn)輸,給正常生產(chǎn)帶來安全隱患。因此,深入研究破碎圍巖變形原因,探索注漿加固技術(shù)的作用機(jī)理,對提高破碎巷道完整性、圍巖穩(wěn)定性具有重要意義。本文通過理論分析破碎圍巖變形破壞原因,研究了注漿加固技術(shù)原理,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際提出實(shí)施方案,并通過現(xiàn)場變形監(jiān)測檢驗(yàn)效果,結(jié)果表明,注漿加固技術(shù)可以有效降低孔隙率,加固破碎圍巖,巷道變形得到有效控制,在回采過程中,巷道穩(wěn)定性良好,未出現(xiàn)松動、破壞、支護(hù)失效等問題,破碎圍巖得到有效控制,實(shí)踐取得了良好效果,為同類型問題巷道圍巖控制提供了參考[1-3]。

2 注漿加固技術(shù)原理

2.1 圍巖破碎影響因素分析

影響巷道圍巖破碎的原因主要有三個(gè),高應(yīng)力、弱支護(hù)、構(gòu)造帶[4-5]。破碎圍巖的存在,本身是地質(zhì)構(gòu)造條件差造成,加上開挖、采動的影響,圍巖裂隙擴(kuò)展,破碎加劇。其次,巷道所處地層具有較高地應(yīng)力,局部破碎圍巖受集中應(yīng)力作用,發(fā)生局部的失穩(wěn)破壞,最終導(dǎo)致巷道變形破壞。破碎圍巖巷道對于支護(hù)的要求更高,一般在錨桿、錨索支護(hù)后,需要噴層加固,若仍使用一般的錨桿支護(hù),受采動影響,原有支護(hù)就會失去作用,導(dǎo)致巷道失穩(wěn)變形。因此,通過注漿填充破碎圍巖的裂隙,增大圍巖強(qiáng)度,提升圍巖完整性,提高圍巖支撐能力。

2.2 注漿加固作用機(jī)理

(1)充填壓密作用。圍巖實(shí)施注漿后,漿液全面填充裂隙,將原有的瓦斯等有害氣體排出,全面充填原有較大裂隙,同時(shí)在壓力作用下,煤巖體內(nèi)更加細(xì)微的裂隙被擠壓閉合,破碎裂隙被有效壓密,提升了巷道圍巖的整體性,強(qiáng)度提高。避免因裂隙持續(xù)擴(kuò)展,造成的應(yīng)力集中,巷道失穩(wěn)。

(2)骨架網(wǎng)絡(luò)作用。漿液填充圍巖內(nèi)裂隙并固化后,構(gòu)成凝固后的框架結(jié)構(gòu),漿液凝固后變成破碎圍巖的支撐骨架,從而起到防止破碎圍巖進(jìn)一步破壞的作用,圍巖支撐能力得到強(qiáng)化[6]。

(3)封閉作用。部分巷道圍巖的變形破壞,還有部分原因是軟弱巖體吸水膨脹造成,注漿后,原有的裂隙被填充,封閉了地下水與軟巖的接觸面,降低了軟巖膨脹變形的可能性。

3 注漿方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿材料

注漿材料大體上可分為無機(jī)、有機(jī)兩類[7]。無機(jī)材料以普通硅酸鹽水泥為主,具有凝結(jié)快、強(qiáng)度大、性價(jià)比高、效果持久等特點(diǎn),是目前井下注漿最常用的材料;缺點(diǎn)是粒度相對大,漿液配比稍微濃稠則不便于注入,且難以注入細(xì)密的裂隙,若漿液過于稀釋則難以快速凝固成型,造成材料浪費(fèi);無機(jī)材料適用于破碎程度高、裂隙明顯的大范圍圍巖注漿。有機(jī)材料以環(huán)氧類及不飽和聚酯材料為主,此類材料相對較貴,易于注漿操作,滲透能力較強(qiáng),但固化后強(qiáng)度不高;有機(jī)材料適用于破碎程度不高、加固要求不高的局部注漿。

(1)無機(jī)材料水泥漿。水泥漿液按照水灰比0.7∶1 ～1 ∶1 的比例調(diào)配,添加劑重約是水泥重的7% ～11%,水玻璃為46 ～54 波美度、2.7 ～3.1 模數(shù)。按照40% ～60%的比例,往水泥漿里添加水玻璃。注漿封孔使用馬麗散封孔。

(2)有機(jī)高分子注漿材料。按照1∶1比例添加雙組份材料,初凝大約100 ～120 s,注漿封孔使用馬麗散封孔。

3.2 主要參數(shù)

(1)注漿壓力。要綜合考慮注漿深度、圍巖破碎程度、裂隙發(fā)育程度等條件,合理設(shè)定注漿壓力,壓力大小將直接影響漿液滲透能力,對注漿加固效果起到?jīng)Q定性作用。單孔注漿壓力可采用式(1)計(jì)算

式中:P——注漿最大壓力,MPa;

H——注液點(diǎn)到靜水位的水柱高,m;

r——水的密度,取1 g/cm3。

(2)注漿量。因圍巖情況千差萬別,注漿量受圍巖破碎程度及裂隙發(fā)育程度影響,不同條件下注漿量差別較大。具體可參考式(2)完成初步測算。

式中:Q單——單孔注漿量,kg;

A——漿液損失率;

R——擴(kuò)散半徑;

H——注漿深度;

N——圍巖孔隙率;

B——漿液充填系數(shù);

M——漿液密度。

(3)注漿工藝。注漿工藝過程大概分4 個(gè)主要步驟[8]:鉆孔設(shè)計(jì)、打鉆施工、注漿封孔、評估驗(yàn)收。注漿孔施工完畢,將注漿管推入孔底,封孔后注漿,見回流即可停止注漿,帶壓保持一段時(shí)間后停止作業(yè),此時(shí)漿液填充裂隙并滲透進(jìn)入更廣范圍裂隙。待漿液固化,單孔施工結(jié)束,隨后檢查施工質(zhì)量。

3.3 注漿設(shè)備

結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際和注漿參數(shù)需求,鉆孔使用液壓鉆機(jī)進(jìn)行,配備麻花鉆桿[9]。注漿、封孔采用型號為ZBQ 系列多功能氣動注漿泵,配合混合槍、高壓膠管、封孔器使用。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某礦103 工作面軌道巷,受一較大斷層影響,巷道圍巖較為破碎,巷道施工時(shí)采用錨網(wǎng)索支護(hù),在工作面回采過程中發(fā)生變形,且有加重趨勢。為防止出現(xiàn)嚴(yán)重變形,影響工作面通風(fēng)及正常生產(chǎn),決定采用注漿加固技術(shù)進(jìn)行加固。

4.2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)斷層位置,在103 工作面軌道巷距開切眼310 m 位置布置注漿站。為有效減少工程量,避免重復(fù)施工,決定使用現(xiàn)場現(xiàn)有的瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行注漿施工,通過瓦斯抽采孔分次分段注漿,達(dá)到加固目的。注漿站內(nèi)布置上下2 排共計(jì)5 個(gè)鉆孔,鉆孔傾角8° ～15°,鉆孔相互間隔3 m,鉆孔長度10 ～20 m,排間豎直間距1.5 m。注漿鉆孔布置如圖1所示。

圖1 103 軌道巷注漿鉆孔布置圖

4.3 注漿參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場條件,注漿材料采用水泥漿+水玻璃無機(jī)材料,根據(jù)式(1)(2),計(jì)算得出注液壓力為4 MPa,單孔注液量約186.1 kg,選用紗布+馬麗散封孔,注漿結(jié)束后帶壓保持1 h,以確保漿液充分滲入裂隙。

4.4 效果分析

1)現(xiàn)場觀察

現(xiàn)場觀察可見,巷道整體變形量較小,工作面推過時(shí),巷道處所見掉落煤巖體裂隙填充漿液到位,應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。

2)現(xiàn)場監(jiān)測

注漿前后,分別對軌道巷兩幫移近量進(jìn)行了近一個(gè)月的現(xiàn)場監(jiān)測,對比發(fā)現(xiàn),注漿后兩幫移近量大大減小,且逐步趨于穩(wěn)定,破碎圍巖得到控制。注漿前后巷道兩幫移近變形對比如圖2所示。

圖2 注漿前后巷道兩幫移近變形對比

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過理論分析,針對性地提出了破碎圍巖巷道注漿加固的技術(shù)方案,結(jié)合現(xiàn)場條件遠(yuǎn)程了注漿加固技術(shù)應(yīng)用。

(2)采用水泥漿+水玻璃注漿加固破碎圍巖的辦法,有效填充了裂隙、封堵了水源,提高了圍巖完整性及承載力,巷道圍巖得到有效控制。

(3)注漿壓力及注漿量可以通過式(1)(2)初步測算得出,合理的注漿壓力及注漿量,對注漿效果影響比重較大。

(4)經(jīng)過對注漿前后軌道巷兩幫移近量近一個(gè)月的現(xiàn)場監(jiān)測,結(jié)果表明,注漿后兩幫移近量大大減小,且逐步趨于穩(wěn)定,破碎圍巖得到控制。

(5)應(yīng)用表明,通過注漿加固技術(shù)來控制破碎圍巖是可行的,應(yīng)用取得良好效果,對同類型巷道破碎圍巖控制具有一定借鑒意義。