1307工作面深孔超前预注浆工艺技术研究

2020-07-07王耀东

机械管理开发 2020年5期

王耀东

（山西晋煤集团天安公司，山西晋城 048006）

引言

随着矿井采掘深度的不断增加，巷道断层、陷落柱等地质异常现象逐渐成为影响矿井采掘衔接的主要因素之一。在巷道采掘过程中，往往存在多种地质异常并存现象，应对这些复杂地质因素进行超前处理，即通过补强、注浆、防风化[1]等方式提高顶底板围岩整体塑性，保证巷道掘进安全。以岳城煤矿1307工作面为例，回采时对DX214陷落柱前后进行了注浆补强，有效遏制了巷道围岩的进一步变形。

1 现场概况

岳城煤矿1307工作面为该矿西翼第三个工作面。该工作面长度756 m，可采长度708 m，煤层平均厚度4.66 m，采高3 m，煤层倾角1°～9°，工作面主要构造为陷落柱和正断层。其工作面位置见图1。

图1 1307工作面及DX214陷落柱位置图

2 注浆方案

2.1 参数设计

2.1.1 注浆压力

注浆压力作为注浆工程中重要的设计参数之一，它主导了浆液在破碎岩体中的充填、扩散以及压密整个过程，对注浆质量的提高以及注浆作业效率提升有着较大影响，注浆压力选取主要与地层岩性、水文地质条件、注浆材料性质等因素有关。

1）若注浆区域有较大涌水，按照现场静水压力计算，初始注浆压力必须高于此位置的静水压力，一般为静水压力的2～3倍，最大可达3～5倍[2]。

式中：P'为注浆处静水压力，MPa；P为设计注浆压力，MPa。

2）根据注浆地层深度计算：

式中：P为设计注浆压力，MPa；H为注浆处深度，m；K为由注浆深度确定的压力系数。压力系数K的取值如表1所示。

“杨晓梅”——或者应该叫做“娟儿”——面如死灰。杨年喜一口菜填进嘴里，却再也无法下咽，他瞪圆了眼睛，看着老太太。

表1 压力系数与深度对应关系表

岳城矿3号煤层埋深大于500 m，注浆压力系数K值取0.017，根据注浆地层深度计算的最低设计注浆压力为8 MPa，加之注浆过程因为粘度变化和其它因素的作用而造成注浆压力的损失，最终注浆压力选取 10～15 MPa。

2.1.2 注浆速度

矿井地层岩体的孔隙率与注浆设备参数是注浆速度选取的关键，根据工业试验场地1307工作面DX214陷落柱的岩性及实际地质条件，设计注浆速度范围为10～30 L/min。

2.1.3 单孔注浆量

1）浆液扩散半径的选取。如下页图2为注浆压力、浆液扩散半径之间的关系，此图所反映出的函数关系为双液浆现场注浆工程经验总结。其中双液浆正常水灰比为0.8∶1，因此取最低值3 m为浆液扩散半径。

图2 不同水灰比下注浆压力、水灰比浆液扩散半径关系图

2）单孔注浆量计算[3]。单孔注浆量计算公式为：

式中：Q为单孔注浆量，m3；λ为注浆损失系数，一般取 1.15～1.30，此处取 1.2；R为浆液扩散半径，m；h为注浆孔深，取11.1 m；n为岩层裂隙率0.5%～3%，取2%；γ为裂隙内浆液有效充填系数，取0.8。此处R取3 m即可。将各参数代入式中，得出单孔注浆量Q为6 m3。随着前期注浆的饱和，后期钻孔注浆量会逐渐减少。同时每孔的实际注浆量需根据注浆压力来确定，现场施工时需要严格控制注浆压力，当注浆出现较大程度的跑浆时，立即停止注浆。

2.1.4 注浆孔的设计

超前预注浆加固巷道顶板采用拱形布孔，形成拱形壳体围岩结构，顶板、两帮及底板钻孔离巷道轮廓线均为0.5 m。具体钻孔布置如图3所示。

图3 超前注浆加固钻孔布置（单位：mm）

如图3所示1—5号注浆孔注浆加固后形成顶板圆弧拱形壳体，在一定程度上隔离了深部围岩应力的传播，同时也保持巷道周围浅部煤岩体的稳定与巷道断面的成形，保障巷道围岩顶板的稳定性；7号注浆孔注浆用于控制施工过程中巷道迎头的稳定性，确保巷道迎头施工的安全性；6号、8号钻孔注浆控制巷道开挖后两帮岩体稳定的稳定性，抵抗巷道腰部高应力值产生的弹塑性破坏；9号—11号钻孔注浆主要用于控制巷道底板的稳定性，防止高应力集中致使底鼓量无限制增大；两个检查孔用于钻孔取芯，观测浆脉发展情况，确定注浆效果，陷落柱中有水时从检查孔可得知注浆堵水效果，因此其检查孔主要用于注浆效果评价。

2.2 加固工艺

2.2.1 注浆原则

为了达到较为理想的注浆效果，超前深孔注浆坚持先远后近、先外后内的原则，浆液浓度坚持先稀后浓的原则；柱体内有水时，应先注无水区域，后注涌水区域；注浆顺序靠后的钻孔可作为检查孔。

2.2.2 注浆水灰比

1）联邦双液注浆材料。本次工程注浆加固确定采用的注浆材料为联邦双液注浆材料，联邦加固Ⅰ、Ⅱ号注浆材料在混合之前稀释6 h内浆液不发生变性，两种浆液混合后凝固时间为3～10 min，凝固后1～8 h内浆液岩体强度可达到8～15 MPa以上，可用于采煤工作面、掘进工作面围岩强度要求较高场所，尤其是煤岩体表面浅层区域的注浆加固。根据实践经验，双液注浆材料的正常注浆水灰质量比为0.8∶1，注浆过程中漏浆严重时可适当降低浆液水灰质量比，最低控制在0.7∶1，注浆封孔水灰质量比为0.7∶1。

2）联邦单液注浆材料。联邦单液注浆材料注浆加固24 h后浆液岩体强度可达25 MPa以上，3 d后浆液岩体抗压强度可达35 MPa以上，最终抗压强度可达50 MPa以上，单液注浆材料正常注浆设计水灰比为0.6∶1。根据现场实际情况，陷落柱破碎带无明显涌水、渗水，无漏浆严重等现象时选用双液注浆材料，若存在异常充水构造带，选用单液注浆材料。

2.2.3 注浆工艺

由于1307工作面DX214陷落柱对于43211、

43212巷的影响长度达到100 m，一次性超前注浆很难实现，而且施工周期长，注浆效果及施工质量都将受到极大影响，基于现场实际情况，选用分段前进式超前注浆施工工艺。分段前进式深孔超前注浆是钻、注交替作业的一种注浆方式，按照设计要求，每循环加固长度为20 m，后续注浆段均预留2 m注浆岩层，用来保障钻孔的施工安全。其施工方式如下页图4所示。

2.3 封孔方式

超前预注浆加固施工中，每个钻孔施工完成后进行插管作业，内侧为PVC管（直径30 mm），外侧为6分注浆钢管，其中注浆钢管的内侧和孔口两根表面焊接铁丝，且内侧钢管一端需要打对穿孔，便于与PVC管连接，另外，内侧PVC管打对穿射浆孔。在焊铁丝钢管上缠绕棉纱，并向中部空间注联邦双液材料进行封孔，封孔采用联邦双液注浆材料进行，封孔长度可根据现场条件在2～5 m之间进行调节，初步确定封孔长度为3 m。封孔示意图见图5。