不同注浆压力下浆液扩散半径试验研究

2019-07-25孙志强

煤矿现代化 2019年5期

孙志强,张露

（河南能源义煤公司石壕煤矿，河南三门峡 472100）

注浆是煤矿常用的一种围岩加固方式，具有提高围岩完整性、增强围岩承载能力的作用，已经成为维护巷道稳定的常用加固手段之一。钻孔间排距是注浆方案设计当中重要参数之一。合理的钻孔间排距应该保障浆液充分扩散，同时尽量减少浪费，而钻孔间排距设计主要依据是浆液扩散半径。浆液扩散半径影响因素较多，尤其受工程条件差异性影响显著，必须针对某一具体工程地质条件得出的浆液扩散半径数值才有意义。目前工程施工中钻孔间排距多具有随意性，注浆效果不佳或存在浪费[1～3]。因此，本文以石壕煤业13162顺槽为工程背景，研究该条件下浆液扩散半径，指导钻孔间排距合理设计，同时，该试验方法可以应用于其他矿井，以期提高注浆钻孔设计间排距的合理性和注浆加固效果。

1 工程概况

13162顺槽采用滞后注浆方式，根据围岩破坏深度，采用4m、12m两个孔深，层次注浆。

1.1 钻孔初始布置

4m孔：钻孔上、中、下排矩形布置。上排孔距顶板1m，仰角0°；中排孔距顶板2m，仰角0°；下排孔距顶板3.5m，仰角0°。排距2m，孔径42mm。

12m孔布置：钻孔上、下排矩形布置，上排孔开孔高度距顶板1.5m，仰角5°；下排孔开孔高度距顶板3m，仰角0°，孔深12m，排距2m，孔径42mm。如图1所示。

图1 4m、12m钻孔布置图

1.2 注浆材料

4m孔目的是封堵锚杆孔、裂隙等漏浆通道，采用河南理工大学研发的双液注浆材料，由A、B两种粉料组成，使用水灰比0.8：1，混合后1min左右失去流动性，5min～10mmin终凝，2h强度12MPa以上，是一种良好的浅部围岩封堵注浆材料；

12m孔目的是深部裂隙加固，采用河南理工大学研发的超细单液注浆材料，粉料细度＞1250目，使用水灰比0.6：1，浆液可以保持20min左右良好流动性，60min初凝，240min终凝，1d强度25MPa以上，材料流动性好、扩散性强、强度高、强度增长迅速，是一种用于深部围岩注浆的加固材料。

1.3 注浆方式

采用循环注浆方式，20m为1个循环，即先注4m孔，滞后4m孔20m开始注12m孔。

2 浆液扩散半径影响因素分析

1）围岩裂隙。裂隙是浆液扩散的通道，是浆液扩散半径的决定性因素。裂隙不发育区域，扩散半径小，裂隙发育区域，扩散半径大；裂隙发育程度受地质条件影响，不同区域变化大；动压影响巷道裂隙发育程度随工作面回采矿压显现影响呈动态变化，区域性明显。因此，必须把同一孔深的试验钻孔集中布置，尽量满足裂隙条件接近。

2）注浆材料流动性。在煤体裂隙发育程度确定的情况下，注浆材料流动性是决定扩散半径的关键因素。双液注浆材料稠化速度快，黏性迅速变大，可以起到良好的堵漏作用，同时也决定了材料流动距离小；单液注浆材料具有良好流动性，材料超细，原理上能够满足任意裂隙的扩散，同时也决定了单液注浆出现漏浆时难以封堵，难以继续提高注浆压力，造成试验终止。因此，12m孔试验应在4m孔已注浆封堵区域进行，最大程度减少漏浆。

3）注浆压力。在裂隙发育程度、材料选择一定的前提下，注浆压力对扩散半径起到较大影响作用。注浆压力是浆液扩散的动力，注浆压力与扩散半径呈正相关关系。设置不同注浆压力进行试验，对比不同压力下浆液扩散半径。

4）注浆流量。注浆流量对扩散半径起到一定影响作用。对于浅孔，贯通裂隙较少，注浆流量过大时，浆液在孔内扩散不及，会产生瞬间高压，造成注满假象，人为终止注浆后，孔内浆液扩散，裂隙没有得到较好的充填；同时，流量过大，当出现漏浆时，停泵处理堵漏后再次开泵，大流量浆液会瞬间冲开凝固裂隙，造成漏浆难以封堵。因此，浅孔注浆应采用小流量，而深孔注浆对流量大小适应性更强。

围岩裂隙由现场条件决定，浆液流动性与材料本身有关，注浆流量受注浆泵选型限制，注浆压力为现场可控因素。

3 浆液扩散半径试验方案

3.1 试验钻孔布置

1）4m孔。钻孔布置：在未注浆区域进行，开孔高度距离底板2m，间距5m，依次布置6个，编号为1#～6#；试验压力：0～8MPa；注浆泵：2ZBQ40/11 气动注浆泵；注浆材料：双液注浆材料，水灰比0.8：1；封孔长度：1m。

2）12m孔。钻孔布置：在按照初始方案4m孔已注浆区域进行，开孔高度距离底板2m，间距2m，依次布置 6 个，编号为 1#～6#；试验压力：0～12MPa；注浆泵：ZBYSB40/22-7.5kw液压注浆泵；注浆材料：单液注浆材料，水灰比0.6：1；封孔长度：均为2m。

3.2 压力控制方式

在孔口安装压力表，按照“漏浆对应压力”记录方式，即每出现一次漏浆，记录漏浆卸压前一刻压力表压力，记录漏点位置与孔口距离，该距离即为该压力下扩散半径之一，最后对数据进行汇总。

3.3 试验终止条件

当达到设计压力时，保持设计压力继续注浆，不再提高泵压，泵不工作时停止注浆。如果出现煤体表面松动或者漏浆难以封堵时，也可终止。

4 试验结果及分析

1）4m孔。共出现10处漏浆，第10处时重复堵漏，注浆终止，平均注浆量0.2吨，漏浆位置见图2，位置参数见表1。

图2 4m孔漏浆位置分布图

表1 4m孔漏浆位置参数

由表1可知，4MPa以内，水平方向及向下扩散半径0～1.6m；8MPa以内，水平方向及向下扩散半径0～1.9m，平均1.6m，最大可达3.5m，向上1m。

4m孔扩散半径关键因素为浆液凝固速度，扩散半径较小，注浆压力增大有利于扩散半径增大。

2）12m孔。共出现9处漏浆，其中7处为串孔，2处为锚索孔漏浆。平均注浆量0.6吨，漏浆位置见图3，位置参数见表2。

图3 12m孔漏浆位置分布图

表2 12m漏浆位置参数

由表2可知，4MPa以上，即出现大量煤炮声，裂隙大量张开，8MPa以下，扩散半径在0～4m内均有分布，平均3m，12MPa以下，扩散半径0m～6m，水平方向和向下大于4m，向上约2m。

12m孔注浆，单液注浆材料良好的流动性决定了扩散半径较大，注浆压力的主要作用是使浆液进入深部微小裂隙和向上部运动，应不低于10MPa。

3）钻孔间排距优化。4m孔采用双液注浆材料，扩散半径较小，向上更小，优化为钻孔布置整体上移500mm，减小上排钻孔与顶板间距，排距仍为2m，注浆压力不小于8MPa，水平方向和向下浆液扩散半径1.6m，向上1m；12m孔采用单液注浆材料，优化为钻孔高度位置不变，由于串孔较多，排距增大到4m，注浆压力不小于10MPa，水平方向和向下浆液扩散半径大于4m，向上2m。