煤礦破碎區(qū)巷道注漿治理工程實踐

徐晨

摘 要：葦子溝煤礦在井筒施工過程中遇到含水斷層破碎區(qū)。為了解決巷道支護變形問題，通過分析破碎區(qū)特點，合理選擇注漿材料、注漿孔布置、注漿壓力和注漿量等參數(shù)，達到了注漿修復加固的預期效果。

關鍵詞：破碎區(qū);注漿加固;煤礦

中圖分類號：TD353文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0060-04

Abstract： In the process of wellbore construction， Weizigou coal mine encountered a water-bearing fault crushing area. In order to solve the problem of roadway support deformation， the grouting material， grouting hole layout， grouting pressure and grouting amount and other parameters were selected by analyzing the characteristics of the crushing area. The expected effect of grouting repair and reinforcement is achieved.

Keywords： crushing area; grouting reinforcement;coal mine

1 工程概況

1.1 葦子溝煤礦概述

葦子溝煤礦主斜井從里程1 383 m開始至1 420 m為本次破碎圍巖治理區(qū)。該區(qū)段2013年掘進期間出現(xiàn)兩次冒落，冒落區(qū)已充填加固并架棚支護。現(xiàn)階段，受地壓影響，巷道變形且局部有淋水。

葦子溝煤礦副斜井井底車場與主斜井情況一致，從里程160 m開始至250 m位置均需要加固巷道破碎圍巖及局部淋水。

1.2 地質(zhì)概述

葦子溝煤礦主斜井治理段橫穿B7煤，B7煤前后分別是泥巖、砂巖巖性，與副井井底車場等同。從副斜井井底車場施工素描圖來看，井底車場破壞段主要是6煤底板至7煤底板范圍內(nèi)，巷道依次橫穿6煤、6下煤、泥巖、7號煤層、砂巖、細砂巖，各層巖性描述見圖1。

2 治理方案

2.1 設計原則和技術路線

本次施工嚴格遵循“安全、經(jīng)濟、合理”的設計原則，遵循“先試驗，后檢驗，再修改”的技術路線，保證施工設計得到及時優(yōu)化，使設計具有較強的針對性和可操作性[1]。由于此次加固巷道為礦井永久性巷道，使用壽命較長，今后將承擔的礦井運輸任務會越來越重，要求對變形巷道處理后，能提高巷道自身的支撐強度，減少巷道維修量和維修頻率，保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，決定對2條巷道破碎區(qū)段進行注漿加固。加固范圍為壁后15 m。

通過分析2條巷道破碎區(qū)特點認為：主要原因為松軟的煤（巖）體受礦壓顯現(xiàn)造成巷道的變形與破碎，若加固范圍小，則不能避免今后受礦壓影響出現(xiàn)再次破碎。因此，有效的加固范圍是本工程的關鍵。在這里，研究者選取壁后15 m作為重點治理范圍能有效地杜絕巷道受壓再次被破壞。對于出水區(qū)域而言，最終使其形成一定厚度的封堵帷幕，隔斷其滲流通道，便可取得理想的充填加固效果[2]。

2.2 淋水區(qū)治理方案

針對部分區(qū)域頂板淋水問題，選取較大淋水點，通過打斜孔打通導水通道，進行注漿堵水，若有水壓導致封堵效果不佳時，可將出水點引至固定區(qū)域進行疏放，待水壓降低后再次進行注漿封堵。

2.3 注漿材料的選擇

充填加固巷道、有效控制圍巖破碎是本次施工的目的。因此，注漿材料的選擇尤為重要，應根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)狀況合理有效地搭配漿液。漿液的性質(zhì)對注漿工程來說是非常重要的。只有選擇性能合適的漿液，才能達到實際注漿的目的;如果漿液選擇不當，使?jié){液難以注入或漿液流失、強度低，則會達不到注漿的目的。

要取得良好的注漿效果，要求漿液同時具有兩個特點：一是要求漿液具有可注性，在可泵期內(nèi)保持很好的流動性，黏度增長不大，從而保證漿液充分注入孔隙和裂隙中;二是要求漿液在可泵期后黏度迅速升高，從可泵期到初終凝的時間間隔較短，即漿液應具有良好的可控性，以使?jié){液黏結巖土體，并避免漿液在凝固前被地下水沖蝕[3]。

綜合漿液的特點，本次工程選擇普通純水泥漿、水泥-水玻璃混合漿、化學漿、超細水泥漿互補使用。在治理出水區(qū)段時選用普通純水泥漿、水泥-水玻璃漿、化學漿，以預防水力沖擊、控制凝膠時間與漿液擴散范圍;在加固煤（巖）體時，若采用普通純水泥漿和水泥-水玻璃混合漿可注性不高，可選用超細水泥漿代替普通水泥漿。超細水泥的平均粒徑<5 μm，最大粒徑約等于10 μm。專家學者通過可注性試驗測定，超細水泥的可注性是普通水泥的12倍，普通水泥難以注入滲透系數(shù)低于5×10-2 cm/s的砂質(zhì)地層和寬度小于0.2 mm的裂隙中，日本學者在滲透系數(shù)4.27×10-3 cm/s的砂中成功地進行了超細水泥注漿。超細水泥可注入滲透系數(shù)為10-3～10-4 cm/s的砂層中。最為關鍵的是，超細水泥無毒、無味、對地下水及環(huán)境無污染，屬環(huán)保型灌漿材料[4]。

根據(jù)注漿工程經(jīng)驗初步確定：漿液最佳水灰比為0.8～1∶1，雙液漿C∶S為2∶1。在注漿時，必須遵循由稀漸濃的注漿原則。為方便操作、準確控制注漿參數(shù)，列出漿液濃度分級如表1所示。

2.4 注漿設計

2.4.1 注漿孔布置。注漿孔成放射狀布置在巷道四周，每排布置8個孔;頂板2個、底板2個、兩幫4個，共計224個注漿孔?？咨顬?5 m，排距為5 m，即漿液擴散半徑為2.5 m。注漿孔布置如圖2所示

2.4.2 注漿孔設計。葦子溝主斜井與副井井底車場共設計注漿孔224個;其中主斜井64個、井底車場160個。注漿孔呈五花型布置，孔口下入Ф89 mm×6 mm注漿套管，套管長2 m。套管可采用樹脂錨固劑或水泥漿液固結，要求套管可承受6 MPa耐壓試驗，防止在注漿期間因壓力過大造成拔管現(xiàn)象?？卓诜ㄌm焊接Ф25 mm高壓球閥用于控制漿液。

2.4.3 注漿孔施工要求。施工鉆孔前，由技術人員現(xiàn)場確定好鉆孔方位角及傾角，鉆機施工人員調(diào)整并固定鉆機后進行開孔，開孔用Ф75 mm無芯鉆頭鉆進至指定深度2.2 m，然后用Ф110 mm無芯鉆頭擴孔，下Ф89 mm套管2.0 m，套管采用水泥漿與水玻璃比為1∶0.2，水灰比為1：0.6的雙液漿固結，套管口安裝壓力表（量程大于4.0 MPa）和注漿專用高壓球閥。待套管固結不少于2 h后，做耐壓試驗，試驗壓力≥3.0 MPa，套管不松動并且套管外壁不滲水為合格。若耐壓試驗不合格，則重新進行固結。在試驗過程中，要詳細記錄耐壓試驗數(shù)據(jù)。耐壓試驗合格后，用Ф75 mm的無芯鉆頭鉆進至指定孔深。

2.5 注漿參數(shù)技術要求

2.5.1 壓水試驗。壓水試驗是利用注漿泵將水經(jīng)過管路系統(tǒng)以一定的水壓壓入注漿區(qū)段。在每次注漿前及注漿段注漿結束之后均應進行壓水試驗。進行壓水試驗時，流量由小逐漸加大，壓力比預計的注漿終壓高0.5 MPa，保持穩(wěn)定壓力和流量的壓水時間為10～20 min。當鉆孔最大吸水率大于0.5 L/（min·m·m）時，宜采用水泥速凝漿液注漿。

2.5.2 注漿壓力。選擇注漿壓力要綜合考慮煤（巖）層的埋深、孔隙度和靜水壓力等因素。對于注漿壓力的計算，目前并沒有一個統(tǒng)一的標準，但主要遵循注漿壓力隨深度增加而增大的原則。一般來說，注化學漿比注水泥漿時的注漿壓力小很多;淺部注漿比深部地層注漿壓力小;滲透系數(shù)大比滲透系數(shù)小的地層注漿壓力小。因此，本次注漿壓力在未經(jīng)試驗的情況下暫取靜水壓力的1.5～2.0倍，設計注漿孔口處最大壓力為1.0～3.0 MPa。

2.5.3 漿液擴散半徑。漿液擴散半徑?jīng)Q定了注漿的工程量和工程進度，其隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙大小、注漿時間、注漿壓力的增加而增大，隨著漿液濃度與黏度的增加而減小。它是描述注漿固結有效范圍的一個重要參數(shù)。在這里，根據(jù)鉆孔布置圖暫定擴散半徑約為2.5m（本次施工選取的擴散半徑及鉆孔個數(shù)有利于加固充填，以及淋水區(qū)域堵水效果更加有效）。

2.5.4 注漿量的計算。單孔漿液注入量可根據(jù)式（1）得出：

式中：[Q]為單孔注漿量;[A]為注漿損耗系數(shù)，取0.9;[π]為圓周率，取3.14;[R]為有效擴散半徑，取2.5 m;[L]為注漿斷長度，取15 m;[η]為孔隙率，取0.04;[β]為漿液充填系數(shù)，取0.8。將相關數(shù)據(jù)代入式（1）可得出[Q]為6.4 m3。

針對地層地質(zhì)構造分析情況，尤其是巷道圍巖的地質(zhì)構造等，需要特殊考慮。初步估計并經(jīng)工程經(jīng)驗分析校核，本次注漿堵水工程預計需要主斜井注漿量400 m3;井底車場注漿量960 m3;水玻璃漿190 m3。

2.5.5 注漿參數(shù)的調(diào)整。第一，采用固定壓力和濃度的漿液灌注30 min后，若孔口壓力變化微弱而吸漿量逐漸減少，或吸漿量基本不變而孔口壓力緩慢上升，則說明注漿壓力、漿液濃度等較合適，不宜更改參數(shù)。第二，采用固定壓力和濃度的漿液灌注30 min后，若孔口壓力逐漸上升且吸漿量逐漸減少，甚至孔口壓力急劇上升或吸漿量減少較多，而非鉆孔或管路問題，說明漿液濃度偏高，應及時調(diào)稀一級;反之，應加大注漿壓力，并提高漿液級配。第三，前三級的漿液濃度灌注時，若分別持續(xù)15 min，孔內(nèi)吸漿量較?。?1～2 L/min），可調(diào)稀增壓。第四，稀漿液注量宜為取單孔注漿量的30%。

2.6 施工質(zhì)量保證措施

①施工設計、技術安全措施上力求達到設計合理，措施嚴密，落實到位。②施工前要有針對性地對各專業(yè)工種進行技術培訓，制定各工序標準化作業(yè)細則，提高施工人員的整體技術水平，特別要對使用新型設備的人員進行培訓并確保培訓質(zhì)量，為建設優(yōu)質(zhì)工程創(chuàng)造條件。③認真執(zhí)行設計圖紙審核制度，并做好施工技術交底工作，使現(xiàn)場領工員及每一位施工人員都做到心中有數(shù)，嚴格按技術要求施工，保證設計目標的實現(xiàn)。④施工中若發(fā)現(xiàn)設計不符合現(xiàn)場實際或有疑問確須修改的，必須在設計變更經(jīng)礦審核同意后方可進行施工。⑤各班施工前后必須向礦調(diào)度如實匯報施工進展及工作量等情況。⑥從施工設備上，合理選擇施工方法和施工機具，保障設備運轉(zhuǎn)正常，確保施工的連續(xù)正常進行。⑦從勞動組織上建立質(zhì)量保障體系，組織嚴密、精心施工。⑧強化工期目標控制，制定實行有效的目標分解制度，確保工程保質(zhì)保量按期完成。

2.7 注漿施工安全措施

①在施工作業(yè)期間，必須遵守礦相關規(guī)章制度，接受礦調(diào)度的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和指揮，執(zhí)行調(diào)度指令和制度。②施工地點派專人看守，設置警戒線，非工程施工人員嚴禁入內(nèi)。③應積極采取灑水防塵措施，減輕或消除施工期間因拌料造成的通風污染。④注漿前必須進行壓水試驗，注漿壓力應嚴格控制在巷道能夠承受的范圍以內(nèi)（[P]≤5 MPa）。⑤試壓過程中，除值班人員和司泵人員外，其余人員遠離，試壓時應由專人指揮，統(tǒng)一行動。⑥注漿期間應密切觀察巷道情況，發(fā)現(xiàn)異常應及時停泵處理，以防止意外事故發(fā)生。⑦注漿時，注漿泵應由專人操作。注漿期間，司泵人員未經(jīng)允許嚴禁擅自離開工作崗位，做到精心操作，發(fā)現(xiàn)異常情況及時停泵處理。⑧為防止顆粒雜物進入管道造成堵塞，影響注漿和固結效果，應對注漿漿液進行嚴格過濾。過濾采用兩道震動過濾網(wǎng)進行，過濾由粗到細，對過濾出的雜物要及時清除，以免影響漿液的流動。⑨每次注漿結束后應及時將孔口密封，防止竄漿，并及時將注漿管路、閥門、注漿泵、壓力表、緩沖器、安全閥、攪拌機以及灰漿池等進行徹底清理，防止殘留水泥凝固，影響下一次注漿。⑩若在造孔時出現(xiàn)固管質(zhì)量問題，施工人員應重新造孔并進行固管。?嚴格按照注漿措施施工，開孔深度達到設計要求，孔口管必須固定牢固。高壓閥必須開關靈活。注漿前設專人負責關閉閥門。?注漿完畢，封孔必須采用雙液漿進行封閉。?注漿期間，應密切保持注漿站與施工現(xiàn)場之間的聯(lián)系，確保信息傳遞迅速;加強注漿管路的巡視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理。無關人員不得進入施工現(xiàn)場或靠近注漿管路接口和焊接處，以防發(fā)生意外。?嚴格按照限量和限壓法進行注漿施工，力求達到較好的堵水效果。

3 注漿加固效果

注漿效果的影響因素主要為圍巖注漿控制技術，注漿效果的保證主要依靠注漿監(jiān)測和檢測技術。為了監(jiān)測巷道的動態(tài)變化，我們對注漿加固后的巷道每隔10 m設置位移量觀測點，每旬觀測一次。其觀測站巷道表面位移觀測數(shù)值如表2所示，修復達到穩(wěn)定期后，巷道位移量變化較小，巷道頂?shù)装逦灰屏科骄s為16 mm，兩幫移近量平均約為8 mm，并且各個量的變化幅度較小。說明注漿加固有效控制了破碎帶巷道圍巖的變形，效果良好。

參考文獻：

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[2]國家能源局.煤礦井巷工作面注漿工程施工與驗收規(guī)范：NB/T 51030—2015[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2015.

[3]住房和城鄉(xiāng)建設部.煤礦井巷工程施工規(guī)范：GB 50511—2010[S].北京：人民出版社，2010.

[4]張永成.注漿技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.