復(fù)雜地質(zhì)條件下超前預(yù)注漿技術(shù)應(yīng)用效果分析

齊 飛，盧夢(mèng)凡

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

某礦3206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至距巷口約680 m處遇地質(zhì)構(gòu)造帶，受地質(zhì)構(gòu)造影響頂板圍巖原生節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道頂板和圍巖破碎，掘進(jìn)迎頭頂板出現(xiàn)了隨掘隨冒的現(xiàn)象，所以，為保證掘進(jìn)3206運(yùn)輸順槽的施工安全，對(duì)構(gòu)造影響區(qū)前20 m巷道以補(bǔ)打錨索方式加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)掘進(jìn)迎頭上方的頂巖體采用新型無(wú)機(jī)化學(xué)材料進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)頂板結(jié)構(gòu)完整性和周?chē)鷰r體粘結(jié)強(qiáng)度，極大提高受地質(zhì)構(gòu)造影響圍巖自穩(wěn)性能和整體承載能力，以得到控制巷道變形目的，保證了巷道服務(wù)年限[1]。

1 工程概況

該煤礦主采3號(hào)煤層，其煤層平均厚度5.8 m，平均埋深約為500～700 m，煤層平均傾角6°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其頂板直接頂為灰黑色砂質(zhì)夾薄層泥巖。直接底為泥巖或細(xì)粉砂巖。3206工作面為孤島工作面，其西側(cè)為3208工作面，東側(cè)為3204工作面，目前其中2個(gè)工作面均已回采結(jié)束，其巷道布置如圖1所示。

圖1 3206工作面巷道布置示意圖

3206工作面其運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、高抽巷均為采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，巷道處在采空區(qū)邊緣煤體塑性區(qū)并受其殘余回采應(yīng)力影響導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)期間頂板控制困難，后期維護(hù)工作量大。3206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至距巷口約680 m處地質(zhì)遇構(gòu)造帶影響，掘進(jìn)迎頭目前已經(jīng)進(jìn)入構(gòu)造影響范圍內(nèi)，其頂板圍巖出現(xiàn)了隨掘隨冒的現(xiàn)象，嚴(yán)重危及到了施工人員安全、限制了施工進(jìn)程。

2 注漿加固的原理及作用

破碎圍巖注漿加固時(shí)，漿液注入破碎圍巖后充填圍巖內(nèi)部裂隙，并對(duì)開(kāi)裂破壞的圍巖進(jìn)行膠結(jié)，使圍巖內(nèi)部形成的裂隙消失，圍巖恢復(fù)為具有完整結(jié)構(gòu)的連續(xù)體。當(dāng)充入裂隙的漿液結(jié)石體具有足夠強(qiáng)度時(shí)，可有效阻止在高應(yīng)力作用下圍巖內(nèi)部開(kāi)裂離層位置的擴(kuò)容性破壞的發(fā)展?？梢?jiàn)，注漿加固是在改變破碎圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的加固過(guò)程。高應(yīng)力環(huán)境下，選擇具有高強(qiáng)度結(jié)石體的注漿漿液，在改變圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)，阻止圍巖內(nèi)部裂隙區(qū)擴(kuò)容破壞的發(fā)展，并且使破碎圍巖的可錨性顯著增強(qiáng)，為錨桿錨索支護(hù)提供足夠的錨固力。但單純的破碎圍巖注漿，并未改變圍巖的應(yīng)力條件，高應(yīng)力環(huán)境下，圍巖自身及圍巖裂隙面與漿液結(jié)石體間，都容易發(fā)生2次開(kāi)裂破壞，因而煤礦井下動(dòng)壓高應(yīng)力條件下的破碎圍巖采用單純注漿加固也易發(fā)生加固后的再次破壞[2]。

高壓注漿的目的是充填遭到破壞的巷道圍巖內(nèi)部裂隙，將破碎圍巖進(jìn)行重新組合，提高破碎圍巖的承載能力，同時(shí)恢復(fù)或構(gòu)成完整的巖體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)體，以有利于錨桿錨索加固時(shí)力的傳遞，大幅度提高加固質(zhì)量和效果。

3 注漿加固方案與實(shí)施

3.1 注漿設(shè)計(jì)

3.1.1 注漿材料選擇

本次注漿加固主要是提前對(duì)構(gòu)造影響區(qū)域下掘進(jìn)巷道迎頭頂板的破碎巖體進(jìn)行注漿，控制掘進(jìn)迎頭頂板隨掘隨冒的現(xiàn)象，要求注漿材料具有較高的粘聚力和強(qiáng)度，能注入細(xì)小的裂隙和孔隙[3]。因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件結(jié)合注漿材料特點(diǎn)，本次注漿材料確定采用化學(xué)注漿材料。

3.1.2 注漿材料特性

化學(xué)注漿材料滿(mǎn)足AQ1116—2020《煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料通用安全技術(shù)規(guī)范》和AQ/T1089—2020《煤礦加固煤巖體用高分子材料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，滿(mǎn)足表1所示特性。

表1 注漿材料特性

3.1.3 注漿孔布置

根據(jù)3206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)巷道斷面及需達(dá)到效果，本次注漿孔設(shè)計(jì)為沿掘進(jìn)面迎頭成排布置，其排距設(shè)計(jì)為1000 mm，間距設(shè)計(jì)為1500 mm，孔深度7.5 m和10.5 m，用錨桿液壓鉆車(chē)打孔，鉆頭直徑φ42 mm。孔深7.5 m的鉆孔上仰60°，靠近兩幫的鉆孔外扎15°；孔深10.5 m的鉆孔上仰45°，靠近兩幫的鉆孔外扎10°，使用封孔器對(duì)注漿鉆孔封孔，其中孔深7.5 m的鉆孔其封孔深度2500 mm，孔深10.5 m的鉆封孔深度4000 mm，斷面內(nèi)注漿孔布置設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 注漿孔布置設(shè)計(jì)圖

3.1.4 注漿量計(jì)算

本次注漿為確保其效果，現(xiàn)對(duì)每米注漿所需量計(jì)算如下

式中:Q單為每孔注漿量（kg）；A為漿液損失率；R為擴(kuò)散半徑；H為注漿深度；n為圍巖孔隙率；B為漿液充填系數(shù)；M為漿液密度[4]。

經(jīng)計(jì)算，本次注漿單孔其消耗應(yīng)不大于200 kg/孔。

3.2 注漿方案

3.2.1 注漿施工工藝

按設(shè)計(jì)要求施工注漿孔→開(kāi)泵注漿→注漿至終壓或單孔量達(dá)200 kg停泵、封孔→結(jié)束并檢查注漿效果→下一注漿點(diǎn)開(kāi)始。

3.2.2 工藝要求

1）按設(shè)計(jì)眼位開(kāi)孔且其偏差量為±50 mm范圍。

2）施工前進(jìn)行預(yù)注漿，將漿液填充率、配漿比、注漿量、終壓等指標(biāo)進(jìn)行確定[5]。

3）施工過(guò)程按隔排跳躍施工且由中間孔至兩幫孔順序施工，并對(duì)鉆孔核實(shí)確定不遺漏。

4）化學(xué)漿制備：將2組成分分別倒入配料桶并插入吸液管，連接注漿泵。

5）注漿過(guò)程中必須將封孔器與孔口管連接牢固且拆卸時(shí)必須右旋拆下，保證漿液不能外溢。

6）注漿結(jié)束后對(duì)注漿泵等相關(guān)設(shè)備管路進(jìn)行清洗，防止發(fā)生堵塞。

7）因使用的化學(xué)漿凝固期間為放熱過(guò)程，故在出現(xiàn)漿液外漏時(shí)必須停止且采取措施進(jìn)行封堵。

8）本次注漿采用化學(xué)漿液，由于其粘度低，滲透力強(qiáng)，需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)量單孔注漿不超200 kg，超時(shí)應(yīng)及時(shí)結(jié)束注漿。

3.3 注漿效果分析

在注漿結(jié)束后進(jìn)行正常掘進(jìn)并施工窺視孔，窺視孔采用鉆孔內(nèi)部窺視儀進(jìn)行窺視，以觀察本次注漿段在破碎圍巖中的凝固效果[6]。根據(jù)本次注漿孔位設(shè)計(jì)，在注漿區(qū)域隔4 m在頂部施工2個(gè)孔深為8 m的窺視孔分別孔1、孔2，其孔窺視如圖3所示。

圖3 孔1、孔2窺視視圖

通過(guò)窺視孔1、孔2可看出，注漿后在巷道頂板0～1 m深度范圍內(nèi)巷道整體圍巖破碎嚴(yán)重，裂隙縱橫交錯(cuò)。但注漿后有明顯的化學(xué)漿凝結(jié)體，實(shí)現(xiàn)了巷道的封閉；在巷道頂板2～5 m范圍內(nèi)存在大量裂隙但裂隙均已被注漿材料填充，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂隙發(fā)育帶的膠結(jié)，注漿效果良好；在巷道5～8 m深度范圍裂隙發(fā)育明顯減少，孔壁相對(duì)完好，可見(jiàn)部分注漿結(jié)膠體的填充達(dá)到有效深度，達(dá)到了本次注漿的預(yù)期。

為持續(xù)觀察本次注漿效果，特對(duì)施工區(qū)域及相鄰未施工區(qū)域建立礦壓觀察點(diǎn)，每隔1 d觀測(cè)1次，持續(xù)30 d，其觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 觀測(cè)區(qū)域圍巖位移量

從圖4可看出，30 d內(nèi)注漿施工區(qū)域巷道頂板總下沉量為129 mm，未注漿區(qū)域頂板下沉量達(dá)202 mm，進(jìn)一步驗(yàn)證了注漿對(duì)圍巖變形速率有著較好的控制效果。3206運(yùn)順掘進(jìn)迎頭頂板圍巖破碎段通過(guò)注漿提高了圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)3206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)迎頭頂板圍巖破碎變形機(jī)理分析，提出了采用注漿加固手段進(jìn)行控制，并通過(guò)對(duì)注漿加固原理研究確定了本次注漿步驟、單孔注漿量、注漿壓力等具體參數(shù)。通過(guò)注漿后的區(qū)域窺視，驗(yàn)證了注漿區(qū)域巷道頂板8 m范圍內(nèi)的圍巖能實(shí)現(xiàn)有效固結(jié)。通過(guò)對(duì)注漿區(qū)域及未注漿區(qū)域巷道的30 d觀測(cè)，驗(yàn)證了本次注漿加固能有效控制巷道圍巖變形速率。本次的工程實(shí)例，充分說(shuō)明了在復(fù)雜質(zhì)地條件下，選擇合理有效的注漿加固方案對(duì)圍巖裂隙的充填、圍巖變形率、頂板淋水等能夠有效控制，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下安全掘進(jìn)具有借鑒意義。