煤岩注浆加固技术与高性能无机注浆材料研发

2019-03-20李西凡熊祖强刘旭峰王雨利

煤矿安全 2019年2期

李西凡，熊祖强，2，刘旭峰，王雨利

（1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作 454000；3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110000；4.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454000）

近年来随着注浆理论、工艺、材料及设备等方面的不断研发更新，注浆加固技术在矿业工程中得到了广泛的应用并取得了良好的效果[1]。通过对破碎煤岩体实施注浆，可以有效提高其强度及完整性，改善其变形性能。实践中由于工程背景的不同，对注浆材料的性能要求也不同。注浆材料的选择要符合具体工程的治理理念。当前在注浆材料领域形成了有机高分子材料与传统无机水泥材料2大体系，二者各有各的优缺点[2]。前者具有流动性好、渗透性强、凝结速度快等优点，但其存在反应放热量大、有毒且价格昂贵等缺点。后者具有结石体强度高、耐久性强、价格低廉等优点，但其存在结石率低、强度增长缓慢、可注性差等缺点。因此，规避二者缺点研发新型注浆材料成为当今研究热点[3-5]。由于现场工程特点各异，当前在煤矿注浆加固工程实践中，注浆材料的选择较为盲目。疏于结合工程的特点，往往会导致漏浆、堵孔、浆液扩散半径小、结石体与围岩变形不协调等不良现象的发生。以煤矿岩层控制实践中2种典型的注浆加固工程为背景，探讨了相关治理理念与治理工艺，并分别研发了与之相适应的注浆材料。

1 巷道破碎围岩浅孔层次注浆技术

巷道开掘后会经历多次采动影响，还会受到工作面固定支承压力的持续影响。这些采动及应力集中因素导致巷道浅部区域围岩破碎、裂隙发育，形成松动圈，越往深部逐步过渡至塑性区、弹性区。然而这种围岩破坏分区仅仅是1个动态平衡过程的反应，由于受本煤层邻近工作面采掘活动与本工作面固定支承压力以及上煤层工作面回采动压或遗留煤柱叠加应力等因素的影响，巷道围岩仍然会发生快速或缓慢持续性的变形破坏[6]。两帮的变形破坏会导致巷道底板实际跨度的增大，增加底板变形失稳的几率，甚至会引发强烈的底鼓变形[7-8]。由于巷道两帮的持续内敛以及底板的挠曲变形，使得巷道浅部围岩松散破碎，锚固基础丧失。

对于该类型巷道围岩变形的治理要注重时效理念，即要求治理措施快速发生作用以抑制采掘动压以及集中应力对巷道围岩的破坏[6]。结合围岩分区特点以及裂隙发育规律，浅部松动区及塑性区应为注浆治理的重点[9-10]。松动区裂隙发育程度较高，直接注浆可能会出现严重的漏浆问题，而塑性区由于裂隙发育不充分，可能会出现浆液难以注进的问题。基于此，需在注浆材料及工艺上进行相关研究。首先，注浆材料应适应围岩分区的特点，要求浆液在浅部区域能够实现快凝以解决漏浆问题。其次，在塑性区要求浆液具有合适的黏度及流动度，以满足在低裂隙发育程度下的可注性要求。此外，为了快速强化巷道围岩并提高锚杆、锚索的承载性能，要求材料具备早强特性。在具体的工程中，注浆作业是1个缓慢过程。因此，具备速凝特性的注浆材料必须按照双液思路设计，即在搅拌桶、注浆泵以及输送管路内是以单液形式存在，最后以混合液形式注入围岩裂隙，以保证具有足够的施工时间。

破碎围岩浅孔层次注浆技术示意图如图1。该注浆工艺设备配置主要有双液注浆泵、搅拌机、管路及混合装置等，其中注浆泵是注浆设备的核心。由于煤矿井下环境特殊且工况条件复杂，注浆压力及注浆量随时间变化频繁且变化幅度大，要求注浆泵具备较强的压力控制能力，能够随压力变化自动调节排浆量且严格防爆[4]。气动注浆泵采用压缩空气作为动力，具有结构紧凑，注浆压力、流量可以无极调控等优点，因此比较适合煤矿破碎围岩注浆。现场注浆工程中，注浆钻孔设计长度应深入至围岩塑性区。在完成钻孔施工后，应插入注浆导流管直至孔底以最大程度地保证整个钻孔覆盖区域围岩注浆的均匀性，防止因塌孔、浆液偏流效应等因素导致深部区域加固不良的问题。为防止浅部松动圈区域出现严重漏浆问题，在敷设注浆管后需进行封孔，封孔长度应隔过松动圈区域。在注浆过程中，若出现漏浆现象时，可采用降低浆液水灰比、间歇停顿并配合塞棉纱方式堵漏。

图1 巷道破碎围岩浅孔层次注浆技术示意图

2 采场超前支承压力区深孔防片帮注浆技术

2.1 浅孔注浆技术的弊端

在采场前方存在着随工作面推进而移动的超前支承压力。该超前支承压力峰值可达原岩应力的2～3倍，其可以引发煤体的变形、破坏，产生各种各样的结构面，造成工作面开采时片帮、冒顶现象的发生[11]。特别对于大采高工作面，其片帮问题尤其严重，已成为综采设备效能发挥的重要制约因素。目前多数矿井主要采用工作面煤壁浅孔注高分子材料方式来控制片帮，注浆成本极高且干扰生产，故多作为事后处理措施[12]。此外，高分子材料存在诸多安全隐患且影响煤质。因此，有必要开展工作面两巷深孔预注浆技术及相应注浆材料的研究，以规避当前治理措施的不足，确保对煤壁和顶板形成有效的控制。

2.2 深孔片帮注浆技术的提出

工作面超前支承压力一方面会造成煤体破碎，诱发煤壁片帮，甚至冒顶，但另一方面也会增大煤体的可注性，增大浆液的扩散范围。因此，可利用超前支承压力这一特点，选择合适的注浆时机对煤体进行注浆，以防止工作面推进时产生不利的矿压显现。根据煤体受载状况，工作面前方可分为破坏区、塑性区以及弹性区。弹性区内煤体和顶板岩体裂隙不发育，可注性差，需采用劈裂注浆。注浆后的煤岩体强度未必有原始煤岩体强度高，而且还要经历强烈的采动影响再次发生破坏，从而使注浆失效。塑性区内的煤岩体在集中应力的作用下裂隙发育，空隙连通性增加，可注性强。破坏区内煤岩体完全破碎，可注性较好，但煤岩体基本丧失承载能力，要求注浆材料具有较高的强度，而且还存在漏浆的问题。因此，合理的注浆区域应选择在煤岩体塑性区，考虑到工作面位置的动态性，最优的注浆时机应使工作面前方煤体处于塑性区与弹性区的过渡区域，该区域接近于工作面超前支承压力峰值位置。

2.3 深孔注浆技术及材料选择

在掌握工作面超前支承压力分布规律后，可在工作面两巷提前打深孔，并进行插管、封孔等一系列工作，待钻孔进入至超前支承压力区峰值位置附近时进行注浆。由于大采高、放顶煤等高产高效工作面推进速度普遍较快，因此要求注浆材料需在1～2 d内达到较高的强度以满足高效开采的需要。此外，深孔注浆时浆液渗透时间较长，要求浆液初凝速度不能过快，在40～60 min内性状不发生大的改变，以满足施工和渗流的需要。

采场超前支承压力区深孔防片帮注浆技术示意图如图2。该治理工艺需超前工作面沿回采巷道进行打钻作业，钻孔深度覆盖整个工作面长度。可以将深孔注浆钻孔和瓦斯抽采钻孔统一，即提前成孔、插管、封孔后先行作为瓦斯抽采钻孔，待回采时期可以作为注浆钻孔。在一些工作面由于煤质较软或存在构造异常区，可能会出现塌孔、卡钻等钻进困难现象。这种情况下可采用“分次成孔”方案，即在出现钻进异常时，立即退钻，连接注浆管并采用速凝材料进行注浆，以固结异常区松散煤矸并封堵浅部漏浆通道，待浆液凝固后重新套孔并继续钻进成孔[13]。针对地质构造分布较多的区域，可结合物探技术，提前探测出工作面中地质异常区域，做到有的放矢，提高注浆效率。

图2 采场超前支承压力区深孔防片帮注浆技术示意图

3 高性能无机注浆材料

3.1 双液注浆材料

该材料是由A、B双组分构成。A组分由主料硫铝酸盐水泥熟料和添加剂组成，B组分由主料石膏、石灰和添加剂组成，添加剂主要由速凝剂、减水剂、增稠剂、缓凝剂等组成[13]。该材料主要应用于浅孔注浆加固工程，浅孔注浆要求浆液具备突出的快凝特性。故在材料配制过程中，通过调节主料及添加剂的掺量以满足流动度、凝结时间等指标要求。在材料使用过程中，A料、B料分别按相同的水料比加水拌合制得单液料浆，然后将其按体积比1∶1混合使用。在双组分料浆混合后，硫铝酸盐水泥熟料中的无水硫铝酸钙在石膏、石灰及外加剂作用下发生反应，在短时间内迅速生成大量的针柱状钙矾石晶体，形成主要的强度载体[6]。

该材料具备快凝、早强、高结石率、凝结时间和胶结强度可调等特性，其较为适合破碎围岩注浆加固需要，特别适用于软岩、构造区、动压等复杂条件下具有较强时效性要求的大变形巷道及掘进工作面的浅孔注浆加固工程。该材料的具体性能指标为：2种浆液在混合前，6 h内浆液不凝固、不泌水、不沉淀，具备良好的流动特性；2种浆液混合后，1～10 min失去流动性，10～30 min完全固化，适合于时效性要求较高的注浆工程需要；浆液在（0.6～1.2）∶1水灰比下浆体结石率可达100%；结石体24 h的强度能达到10 MPa以上。通过调节浆液水灰比，可以实现浅层堵漏和深层渗透注浆的需要，施工特性较好。双液注浆材料加固煤体现场采样图如图3。

图3 双液材料加固煤体采样图

3.2 单液注浆材料

该材料由超细水泥与早强剂、减水剂与增稠剂等添加剂组成。按质量计各成分组成为：超细水泥100份，早强剂 1.5～2.5份，减水剂 0.5～1.5份，悬浮剂0.5～1.0份，通常情况下，采用的水灰比为（0.6～0.8）∶1。该材料主要应用于深孔注浆加固工程，而深孔注浆时浆液的运动形式以渗流和劈裂运动为主，因此要求浆液必须具备较强的流动性和可注性。故在配制过程中，通过提高材料细度，增大水灰比，降低黏度等方法实现上述要求。该材料具备突出的高渗透性、高强等特性，特别适用于工作面防片帮、冒顶深孔注浆加固工程需要。该材料的具体性能指标为：细度可达 2 000目（6.5 μm），平均粒径为 3～5 μm，能够渗入细小裂隙；浆液在（0.6～0.8）∶1 水灰比下初凝时间大于45 min，终凝时间大于4 h，结石率可达100%；24 h强度可以达到25 MPa，最终强度可达50～70 MPa。