煤矿破碎区巷道注浆治理工程实践

徐晨

摘 要：苇子沟煤矿在井筒施工过程中遇到含水断层破碎区。为了解决巷道支护变形问题，通过分析破碎区特点，合理选择注浆材料、注浆孔布置、注浆压力和注浆量等参数，达到了注浆修复加固的预期效果。

关键词：破碎区;注浆加固;煤矿

中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0060-04

Abstract： In the process of wellbore construction， Weizigou coal mine encountered a water-bearing fault crushing area. In order to solve the problem of roadway support deformation， the grouting material， grouting hole layout， grouting pressure and grouting amount and other parameters were selected by analyzing the characteristics of the crushing area. The expected effect of grouting repair and reinforcement is achieved.

Keywords： crushing area; grouting reinforcement;coal mine

1 工程概況

1.1 苇子沟煤矿概述

苇子沟煤矿主斜井从里程1 383 m开始至1 420 m为本次破碎围岩治理区。该区段2013年掘进期间出现两次冒落，冒落区已充填加固并架棚支护。现阶段，受地压影响，巷道变形且局部有淋水。

苇子沟煤矿副斜井井底车场与主斜井情况一致，从里程160 m开始至250 m位置均需要加固巷道破碎围岩及局部淋水。

1.2 地质概述

苇子沟煤矿主斜井治理段横穿B7煤，B7煤前后分别是泥岩、砂岩岩性，与副井井底车场等同。从副斜井井底车场施工素描图来看，井底车场破坏段主要是6煤底板至7煤底板范围内，巷道依次横穿6煤、6下煤、泥岩、7号煤层、砂岩、细砂岩，各层岩性描述见图1。

2 治理方案

2.1 设计原则和技术路线

本次施工严格遵循“安全、经济、合理”的设计原则，遵循“先试验，后检验，再修改”的技术路线，保证施工设计得到及时优化，使设计具有较强的针对性和可操作性[1]。由于此次加固巷道为矿井永久性巷道，使用寿命较长，今后将承担的矿井运输任务会越来越重，要求对变形巷道处理后，能提高巷道自身的支撑强度，减少巷道维修量和维修频率，保证生产安全，提高生产效率，决定对2条巷道破碎区段进行注浆加固。加固范围为壁后15 m。

通过分析2条巷道破碎区特点认为：主要原因为松软的煤（岩）体受矿压显现造成巷道的变形与破碎，若加固范围小，则不能避免今后受矿压影响出现再次破碎。因此，有效的加固范围是本工程的关键。在这里，研究者选取壁后15 m作为重点治理范围能有效地杜绝巷道受压再次被破坏。对于出水区域而言，最终使其形成一定厚度的封堵帷幕，隔断其渗流通道，便可取得理想的充填加固效果[2]。

2.2 淋水区治理方案

针对部分区域顶板淋水问题，选取较大淋水点，通过打斜孔打通导水通道，进行注浆堵水，若有水压导致封堵效果不佳时，可将出水点引至固定区域进行疏放，待水压降低后再次进行注浆封堵。

2.3 注浆材料的选择

充填加固巷道、有效控制围岩破碎是本次施工的目的。因此，注浆材料的选择尤为重要，应根据该区域地质状况合理有效地搭配浆液。浆液的性质对注浆工程来说是非常重要的。只有选择性能合适的浆液，才能达到实际注浆的目的;如果浆液选择不当，使浆液难以注入或浆液流失、强度低，则会达不到注浆的目的。

要取得良好的注浆效果，要求浆液同时具有两个特点：一是要求浆液具有可注性，在可泵期内保持很好的流动性，黏度增长不大，从而保证浆液充分注入孔隙和裂隙中;二是要求浆液在可泵期后黏度迅速升高，从可泵期到初终凝的时间间隔较短，即浆液应具有良好的可控性，以使浆液黏结岩土体，并避免浆液在凝固前被地下水冲蚀[3]。

综合浆液的特点，本次工程选择普通纯水泥浆、水泥-水玻璃混合浆、化学浆、超细水泥浆互补使用。在治理出水区段时选用普通纯水泥浆、水泥-水玻璃浆、化学浆，以预防水力冲击、控制凝胶时间与浆液扩散范围;在加固煤（岩）体时，若采用普通纯水泥浆和水泥-水玻璃混合浆可注性不高，可选用超细水泥浆代替普通水泥浆。超细水泥的平均粒径<5 μm，最大粒径约等于10 μm。专家学者通过可注性试验测定，超细水泥的可注性是普通水泥的12倍，普通水泥难以注入渗透系数低于5×10-2 cm/s的砂质地层和宽度小于0.2 mm的裂隙中，日本学者在渗透系数4.27×10-3 cm/s的砂中成功地进行了超细水泥注浆。超细水泥可注入渗透系数为10-3～10-4 cm/s的砂层中。最为关键的是，超细水泥无毒、无味、对地下水及环境无污染，属环保型灌浆材料[4]。

根据注浆工程经验初步确定：浆液最佳水灰比为0.8～1∶1，双液浆C∶S为2∶1。在注浆时，必须遵循由稀渐浓的注浆原则。为方便操作、准确控制注浆参数，列出浆液浓度分级如表1所示。

2.4 注浆设计

2.4.1 注浆孔布置。注浆孔成放射状布置在巷道四周，每排布置8个孔;顶板2个、底板2个、两帮4个，共计224个注浆孔。孔深为15 m，排距为5 m，即浆液扩散半径为2.5 m。注浆孔布置如图2所示

2.4.2 注浆孔设计。苇子沟主斜井与副井井底车场共设计注浆孔224个;其中主斜井64个、井底车场160个。注浆孔呈五花型布置，孔口下入Ф89 mm×6 mm注浆套管，套管长2 m。套管可采用树脂锚固剂或水泥浆液固结，要求套管可承受6 MPa耐压试验，防止在注浆期间因压力过大造成拔管现象。孔口法兰焊接Ф25 mm高压球阀用于控制浆液。

2.4.3 注浆孔施工要求。施工钻孔前，由技术人员现场确定好钻孔方位角及倾角，钻机施工人员调整并固定钻机后进行开孔，开孔用Ф75 mm无芯钻头钻进至指定深度2.2 m，然后用Ф110 mm无芯钻头扩孔，下Ф89 mm套管2.0 m，套管采用水泥漿与水玻璃比为1∶0.2，水灰比为1：0.6的双液浆固结，套管口安装压力表（量程大于4.0 MPa）和注浆专用高压球阀。待套管固结不少于2 h后，做耐压试验，试验压力≥3.0 MPa，套管不松动并且套管外壁不渗水为合格。若耐压试验不合格，则重新进行固结。在试验过程中，要详细记录耐压试验数据。耐压试验合格后，用Ф75 mm的无芯钻头钻进至指定孔深。

2.5 注浆参数技术要求

2.5.1 压水试验。压水试验是利用注浆泵将水经过管路系统以一定的水压压入注浆区段。在每次注浆前及注浆段注浆结束之后均应进行压水试验。进行压水试验时，流量由小逐渐加大，压力比预计的注浆终压高0.5 MPa，保持稳定压力和流量的压水时间为10～20 min。当钻孔最大吸水率大于0.5 L/（min·m·m）时，宜采用水泥速凝浆液注浆。

2.5.2 注浆压力。选择注浆压力要综合考虑煤（岩）层的埋深、孔隙度和静水压力等因素。对于注浆压力的计算，目前并没有一个统一的标准，但主要遵循注浆压力随深度增加而增大的原则。一般来说，注化学浆比注水泥浆时的注浆压力小很多;浅部注浆比深部地层注浆压力小;渗透系数大比渗透系数小的地层注浆压力小。因此，本次注浆压力在未经试验的情况下暂取静水压力的1.5～2.0倍，设计注浆孔口处最大压力为1.0～3.0 MPa。

2.5.3 浆液扩散半径。浆液扩散半径决定了注浆的工程量和工程进度，其随着岩层渗透系数、裂隙大小、注浆时间、注浆压力的增加而增大，随着浆液浓度与黏度的增加而减小。它是描述注浆固结有效范围的一个重要参数。在这里，根据钻孔布置图暂定扩散半径约为2.5m（本次施工选取的扩散半径及钻孔个数有利于加固充填，以及淋水区域堵水效果更加有效）。

2.5.4 注浆量的计算。单孔浆液注入量可根据式（1）得出：

式中：[Q]为单孔注浆量;[A]为注浆损耗系数，取0.9;[π]为圆周率，取3.14;[R]为有效扩散半径，取2.5 m;[L]为注浆断长度，取15 m;[η]为孔隙率，取0.04;[β]为浆液充填系数，取0.8。将相关数据代入式（1）可得出[Q]为6.4 m3。

针对地层地质构造分析情况，尤其是巷道围岩的地质构造等，需要特殊考虑。初步估计并经工程经验分析校核，本次注浆堵水工程预计需要主斜井注浆量400 m3;井底车场注浆量960 m3;水玻璃浆190 m3。

2.5.5 注浆参数的调整。第一，采用固定压力和浓度的浆液灌注30 min后，若孔口压力变化微弱而吸浆量逐渐减少，或吸浆量基本不变而孔口压力缓慢上升，则说明注浆压力、浆液浓度等较合适，不宜更改参数。第二，采用固定压力和浓度的浆液灌注30 min后，若孔口压力逐渐上升且吸浆量逐渐减少，甚至孔口压力急剧上升或吸浆量减少较多，而非钻孔或管路问题，说明浆液浓度偏高，应及时调稀一级;反之，应加大注浆压力，并提高浆液级配。第三，前三级的浆液浓度灌注时，若分别持续15 min，孔内吸浆量较小（<1～2 L/min），可调稀增压。第四，稀浆液注量宜为取单孔注浆量的30%。

2.6 施工质量保证措施

①施工设计、技术安全措施上力求达到设计合理，措施严密，落实到位。②施工前要有针对性地对各专业工种进行技术培训，制定各工序标准化作业细则，提高施工人员的整体技术水平，特别要对使用新型设备的人员进行培训并确保培训质量，为建设优质工程创造条件。③认真执行设计图纸审核制度，并做好施工技术交底工作，使现场领工员及每一位施工人员都做到心中有数，严格按技术要求施工，保证设计目标的实现。④施工中若发现设计不符合现场实际或有疑问确须修改的，必须在设计变更经矿审核同意后方可进行施工。⑤各班施工前后必须向矿调度如实汇报施工进展及工作量等情况。⑥从施工设备上，合理选择施工方法和施工机具，保障设备运转正常，确保施工的连续正常进行。⑦从劳动组织上建立质量保障体系，组织严密、精心施工。⑧强化工期目标控制，制定实行有效的目标分解制度，确保工程保质保量按期完成。

2.7 注浆施工安全措施

①在施工作业期间，必须遵守矿相关规章制度，接受矿调度的统一协调和指挥，执行调度指令和制度。②施工地点派专人看守，设置警戒线，非工程施工人员严禁入内。③应积极采取洒水防尘措施，减轻或消除施工期间因拌料造成的通风污染。④注浆前必须进行压水试验，注浆压力应严格控制在巷道能够承受的范围以内（[P]≤5 MPa）。⑤试压过程中，除值班人员和司泵人员外，其余人员远离，试压时应由专人指挥，统一行动。⑥注浆期间应密切观察巷道情况，发现异常应及时停泵处理，以防止意外事故发生。⑦注浆时，注浆泵应由专人操作。注浆期间，司泵人员未经允许严禁擅自离开工作岗位，做到精心操作，发现异常情况及时停泵处理。⑧为防止颗粒杂物进入管道造成堵塞，影响注浆和固结效果，应对注浆浆液进行严格过滤。过滤采用两道震动过滤网进行，过滤由粗到细，对过滤出的杂物要及时清除，以免影响浆液的流动。⑨每次注浆结束后应及时将孔口密封，防止窜浆，并及时将注浆管路、阀门、注浆泵、压力表、缓冲器、安全阀、搅拌机以及灰浆池等进行彻底清理，防止残留水泥凝固，影响下一次注浆。⑩若在造孔时出现固管质量问题，施工人员应重新造孔并进行固管。?严格按照注浆措施施工，开孔深度达到设计要求，孔口管必须固定牢固。高压阀必须开关灵活。注浆前设专人负责关闭阀门。?注浆完毕，封孔必须采用双液浆进行封闭。?注浆期间，应密切保持注浆站与施工现场之间的联系，确保信息传递迅速;加强注浆管路的巡视，发现异常情况及时处理。无关人员不得进入施工现场或靠近注浆管路接口和焊接处，以防发生意外。?严格按照限量和限压法进行注浆施工，力求达到较好的堵水效果。

3 注浆加固效果

注浆效果的影响因素主要为围岩注浆控制技术，注浆效果的保证主要依靠注浆监测和检测技术。为了监测巷道的动态变化，我们对注浆加固后的巷道每隔10 m设置位移量观测点，每旬观测一次。其观测站巷道表面位移观测数值如表2所示，修复达到稳定期后，巷道位移量变化较小，巷道顶底板位移量平均约为16 mm，两帮移近量平均约为8 mm，并且各个量的变化幅度较小。说明注浆加固有效控制了破碎带巷道围岩的变形，效果良好。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[2]国家能源局.煤矿井巷工作面注浆工程施工与验收规范：NB/T 51030—2015[S].北京：煤炭工业出版社，2015.

[3]住房和城乡建设部.煤矿井巷工程施工规范：GB 50511—2010[S].北京：人民出版社，2010.

[4]张永成.注浆技术[M].北京：煤炭工业出版社，2012.