断层破碎带化学注浆加固处理技术

2010-09-09杜志龙

采矿与岩层控制工程学报 2010年6期

关键词：浆液断层顶板

杜志龙,张良,杨猛

(1.杭州国电大坝安全工程有限公司,浙江杭州 310030;2.大同煤矿集团雁崖煤业有限公司,山西大同 037003)

断层破碎带化学注浆加固处理技术

杜志龙1,张良2,杨猛1

(1.杭州国电大坝安全工程有限公司,浙江杭州 310030;2.大同煤矿集团雁崖煤业有限公司,山西大同 037003)

Technology of Chem ical Grouting Reinforcement for Fault Cracked Zone

运用化学注浆新技术对大同煤矿集团雁崖矿 416盘区 14-3工作面巷道断层破碎带进行加固处理,该技术方法采用 HK-9101新型聚合物材料进行注浆,与传统煤矿注浆加固方法相比,能更有效加固顶板,为架设永久支护节约了时间和空间,且施工工艺简便,为煤矿工程取得了良好的技术经济效益。

断层破碎带;新型注浆材料;粘结顶板;注浆

大同煤矿集团雁崖矿是一座开采时间超过 40a的老矿井,该矿区位于大同煤盆地的中部,跨大同市南郊区鸦儿崖乡及左云县南深井等地区,整个矿区内煤炭储量非常丰富,但由于断层发育等问题,直接影响了该矿区煤炭开采产量的提高,对煤矿生产效率和生产安全带来了严重的影响。

在生产过程中,该矿 416盘区 14-3巷揭露出2条断层 (H=1.7～2.2m),由于受地应力的影响,导致了断层附近的煤体或岩体破碎和顶板破碎,掉顶严重,引起顶板支护困难,对煤矿开采安全威胁大,生产月进度较低,直接影响了煤矿开采安全与生产。为此,在过断层期间,采用杭州国电大坝安全工程有限公司的化学注浆新技术,对该巷道进行了超前加固,取得了显著的加固效果,采煤工作面顺利通过该断层区域。

1 工程概况

在 416盘区14-3巷,距采煤工作面 380m处,遇到2条斜断层[1],断层范围内地质情况:顶底板主要为火成岩,埋深约 800m,煤层厚度约 3m,煤岩整体性较差,裂隙较发育。

该断层与巷道夹角约 60°,落差近 4m,受此断层影响,该区域巷道的煤体顶板破碎严重,整体性较差,虽然采用了打超前树脂锚杆,缩小循环进尺 (每班架 1棚,进尺 0.6m)等方法,但仍然难以控制采煤工作面的片帮冒顶,每次进行人工接顶作业时,安全威胁较大。为了有效避免帮顶大面积垮落,增加安全系数,最终决定引入大坝基础加固处理技术,采用注化学浆的加固新技术,对该断层破碎区域进行超前粘结加固。

2 注浆加固技术机理及注浆材料选择

2.1 化学注浆加固技术机理

化学注浆技术发展已有近半个世纪的历史。近年来,逐步引入到了煤矿开采领域。过去煤矿中加固顶板一般采用机械方法或者物理方法[2-3],如架棚挑棚、打树脂锚杆锚索,注水泥浆等方法。

化学浆液是一种双组分产品,入煤岩层几秒钟后,两种组分即进行化学反应,浆液遇水膨胀,对围岩松动裂隙进行充填,对破碎松散体进行粘结,最后固化成一种刚性塑料,使整个松散体成为一个坚固的整体,提高了围岩的整体抗压承载能力。

2.2 注浆材料选择

注浆材料选择次序:水泥浆 >水泥 -水玻璃 >化学浆,本工程要求胶凝时间短,起强度快,操作方便可控。经比选,决定采用由杭州国电大坝安全公司生产的 HK-9101化学注浆材料。

该浆液在物理性能 (黏度、胶凝时间、聚合特点等)、强度性能 (粘结强度、固砂强度)及高渗透性等方面均可以满足该项工程固结防渗的要求。另一方面,浆液具有稳定性较好、无溶剂等特点,在煤矿井下可以安全使用。

不同条件下的试验结果表明,HK-9101聚氨酯化学灌浆材料的渗透性、胶凝时间可以通过改变浆液浓度进行有效控制,在对粘结强度和抗渗性能不产生较大影响情况下,使浆液的应用范围具有很大的扩展性,井下应用时,可根据具体地质条件和工程应用目的适当调节胶凝时间。

2.3 HK-9101化学注浆材料简介

HK-9101化学注浆材料是一种高分子材料产品,该产品具有反应速度快、粘结力强、力学性能高等特点。干混凝土面 4h后粘结强度能达到5MPa,因此,特别适用于煤体、岩体的加固,同时该浆液遇水后能膨胀并封堵裂缝,也能起到较好的堵水作用。该产品为双组份独立包装,无需现场称量配浆等繁琐工艺,使用时只要将 A组分和 B组分以 1∶1(体积比)通过气动双液注浆泵自动混合后,即可进行灌浆。

该化学材料被注入进地层后,低黏度的混合液体能迅速渗透煤岩体内的微细裂缝,并迅速凝固,最终有效地加固裂缝周围的松动岩体,使之成为一个整体,从而提高了围岩的整体承载能力,控制巷道顶板的垮落。

HK-9101注浆材料浆液无溶剂,无刺激性气味,在矿井等通风不良的场所施工无不良影响。表1为该产品的基本性能指标。

表 1 HK-9101化学注浆材料性能指标

3 化学注浆加固技术施工工艺

3.1 浆液扩散半径及注浆孔布置

由于浆液扩散半径受裂隙孔隙影响极大[2],根据经验,按浆液扩散半径 3m来确定注浆孔距。按此浆液扩散半径,初步确定孔间距范围 4～8m。根据相关地质资料,在断层区域布孔,布孔时尽量斜穿过断层区域。钻孔可使用风钻等设备,钻孔孔径42mm,孔深控制在 8～10m,此次布孔在煤体内共布置 11个注浆孔,孔间距约 4～8m,孔仰角30°。孔内安装注浆管及封孔器。

3.2 注浆压力

注浆压力的大小是注浆工程成败的关键因素之一。压力太小,浆液扩散半径小,易产生注浆盲区,影响注浆效果;压力太大则可能在注浆过程中出现片帮等险情。根据煤岩性质,确定注浆压力为5～8MPa。注浆时达到预定压力即可换孔注浆。

3.3 化学注浆系统设备

使用小型多功能气动注浆泵,采用双液注浆系统。设备布置如图 1所示。

图1 注浆系统设备布置

3.4 施工工艺

注浆施工工艺:钻孔→埋管→安装封孔器→连接注浆系统→将吸浆管分别插入装有浆液 A组分和B组分的桶内→开泵注浆→注浆完成→冲洗机具→停泵→拆卸注射枪→结束。

每孔注浆量可根据注浆压力确定,施工时必须严格控制注浆压力,当注浆压力达到 5～8MPa或出现大面积漏浆 (漏浆量≈泵的注入量)时,即可换孔注浆或停止注浆。

注浆顺序:由下而上顺序进行。

本次加固巷道 60m,共 11个注浆孔,施工中收集的注浆数据见表 2。

表2 各注浆孔注浆量

3.5 工程特殊情况处理方法

在注浆过程中,不可避免地会出现跑浆、窜浆等异常情况。若出现跑浆现象时,可在跑浆的裂缝中用木楔、棉纱、棉丝等物嵌塞或配合糊堵快速水泥,并作间歇式注浆;当跑浆严重时,可改变注浆孔位置并缩短浆液凝胶时间来加以控制;当发生窜浆时,应及时关闭窜浆孔的孔口阀门,注浆孔的注浆量在可能的情况下,应加倍注入。如长时间不上压,产生这种现象的原因,一般是超扩散,应首先查明有无浆液流失、泵的吸浆是否正常,根据地质条件资料,钻孔附近是否有采空区、大裂缝等。然后,根据不同情况,采取相应的措施。如有浆液流失,应及时采取封堵,调浓浆液缩短凝胶时间、间歇注浆等措施加以控制;如因注浆泵吸浆不正常,则应采取措施加以排除;如有采空区或大裂缝,则应缩短凝胶时间,加大浆液注入量。注浆压力应严格控制在煤岩能够承受的范围以内,以避免出现片帮等险情。注浆期间应密切观察周围情况,发现异常,应及时停泵处理,以防掉块伤人。