高性能無機注漿材料在強動壓影響巷道加固中的應用

馬晉琴

（晉能控股山西科學技術(shù)研究院（晉城） 技術(shù)研究院，山西 晉城 048000）

0 引 言

煤炭作為我國的主體能源，占到化石能源消費總量百分之七十左右。隨著開采強度逐年遞增，淺部易采資源儲量飛速遞減，煤炭開采逐步向深部區(qū)域延伸。伴隨而來的是開采環(huán)境急劇變化，地質(zhì)條件復雜多變，礦壓顯現(xiàn)強烈，巷道變形加劇，維護成本增加。國內(nèi)外學者對于破碎煤巖體、動壓影響巷道、集中應力影響區(qū)域等工程的注漿加固機理及施工工藝進行了深入的研究，并取得大量的研究成果。但是，在新型無機注漿材料研究方面仍存在諸多不足，因此，有必要進行高性能無機注漿材料研發(fā)，以滿足礦山加固工程的特殊目的[1-4]。

1 概 況

成莊礦2321 工作面位于一水平二盤區(qū)，主采3 號煤層，工作面走向長度1 078 m、傾斜長度104 m，平均采高6.25 m。23212 巷為2321 綜放工作面新掘進風巷，與23214 巷之間僅有15 m 煤柱，工作面布置情況如圖1 所示。

圖1 2321 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of No.2321 Face

23214 巷為2323 工作面復用巷道，23214 巷與23212 巷間15 m 煤柱在經(jīng)歷上一工作面采動影響和新掘巷道擾動的雙重作用下，幾乎完全破碎，23212 巷掘出后，兩幫隨即發(fā)生移近變形，兩幫移近量最大值達300 mm，致使底板鼓起，拉底量達0.3 ～0.6 m，2321 工作面開始回采后，在超前支承壓力作用下，23212 巷圍巖破壞加劇，尤其是在工作面推進緩慢時，造成巷道兩幫移近量增大和嚴重底鼓變形，制約2321 工作面安全生產(chǎn)。2321 工作面回采過程中，兩幫移近量峰值達到850 mm，底鼓量峰值達到700 mm。因而，有必要對該巷道進行預注漿加固，提高巷道圍巖整體性和穩(wěn)定性，促進采面安全高效生產(chǎn)。

2 新型無機注漿材料成分

目前，常用的注漿材料主要分為有機注漿材料與無機注漿材料2 大類。有機類注漿材料具有施工簡單、凝固速度快、強度增長迅速、可注性良好、漿液擴散性能好等諸多優(yōu)點，但有機漿液在凝固過程中產(chǎn)生大量的熱量，易引發(fā)煤炭自燃，同時，材料制造成本高，嚴重制約其推廣使用；無機類注漿材料是目前各類加固工程中應用最廣泛的注漿材料，具有固結(jié)體強度高、無毒無害、材料制造成本低廉等諸多優(yōu)點，其缺點是漿液初凝時間長，早期強度增長緩慢，不適用于井下需快速凝固的特殊場所。新型無機注漿材料需具備漿液流失時間短、早期強度高、強度增長迅速等諸多特性，同時，還應具備良好的物理力學特性。實驗室采用超細硫鋁酸鹽水泥熟料、硬石膏、生石灰作為基料，添加不同比例的添加劑進行新型注漿材料的配比試驗[5-7]。

2.1 硫鋁水泥熟料

硫鋁水泥熟料為濟寧市金魯城建材有限公司提供的SAC.42.5，采用SAC表示，其化學組成見表1。

表1 硫鋁水泥熟料的化學成分Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement clinker

2.2 石 膏

石膏為皖北煤電集團提供天然硬石膏，采用SG 表示。其化學組成見表2。

表2 石膏的化學成分Table 2 Chemical composition of gypsum

2.3 石 灰

石灰為鄭州某廠產(chǎn)石灰，采用SH 表示，其化學組成見表3。

表3 石灰的化學成分Table 3 Chemical composition of lime

2.4 其它輔助性材料

試驗中還選用了多種常見化學試劑和工業(yè)用材料外加劑，A 料添加劑和B 料添加劑對應原材料名稱見表4。

表4 A 料、B 料添加劑材料Table 4 Additive of A and B materials

3 工業(yè)性試驗

3.1 鉆孔布置

為實現(xiàn)強動壓影響下23212 巷高效注漿加固，提高該區(qū)域巷道圍巖整體穩(wěn)定性，有效降低巷道有害變形，在23212 巷兩幫施工注漿鉆孔，鉆孔呈“三花”布置，鉆孔直徑42 mm，孔深10 m，上排孔距底板高度2.5 m，調(diào)整范圍±150 mm，下排孔距底板高度1.0 m，調(diào)整范圍±150 mm，鉆孔間距6.0 m，兩排鉆孔均水平布置，鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 23212 巷鉆孔布置側(cè)視示意Fig.2 Drilling arrangement side viewof No.2321 Roadway

3.2 效果考察分析

現(xiàn)場注漿施工效果良好，從現(xiàn)場照片上可以看出，材料可注性較好，漿液擴散范圍較大，如圖3所示。

圖3 23212 巷現(xiàn)場注漿加固巷幫情況Fig.3 Field grouting reinforcement of No.2321 Roadway

為準確掌握巷道注漿加固效果，在23212 巷5處地點建立“十”字測站，分別在巷道420、440、460、480、500 m 處，測站編號1 號～5 號，以監(jiān)測巷道變形情況。以測站與工作面距離作為橫坐標，以巷道頂?shù)装逡平孔鳛榭v坐標，繪制巷道頂?shù)装逡平孔冃吻€，如圖4 所示。

圖4 注漿加固后巷道頂?shù)装逡平壳€Fig.4 Displacement curve of roadway roof and floor after grouting reinforcement

23212 巷在距離工作面90 m 處，巷道頂?shù)装逡平块_始增長，伴隨著工作面繼續(xù)推進，頂?shù)装逡平吭鲩L緩慢；距工作面30 m 處，巷道頂?shù)装逡平吭鲩L顯著，曲線出現(xiàn)拐點；距工作面15 m處，巷道頂?shù)装逡平匡w速增長，曲線再次出現(xiàn)拐點，至此，頂?shù)装逡平砍霈F(xiàn)峰值225 mm。與23212 巷未加固段相比，變形量縮減一半以上，巷道變形得到有效控制。

4 結(jié) 語

通過試驗配比得到超細硫鋁酸鹽基注漿材料，其主要成分包含硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、生石灰等；經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證，新型無機注漿材料取得良好的加固效果，有效降低巷道加固區(qū)域變形量，助力礦井安全高效生產(chǎn)。