高地应力掘进工作面过地质构造带超前注浆加固技术

2021-04-12陈建明

山东煤炭科技 2021年3期

陈建明

（陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳 713500）

孟村煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，矿井埋深大。在巷道掘进过程中，在高地应力和复杂地质条件的共同作用下，围岩节理、裂隙发育，破碎的顶板围岩在掘进作业扰动下很容易在支护前冒落，造成巷道成型差和巷道超高，降低了掘进速度，给支护作业带来很大的安全隐患。因此，对孟村煤矿掘进巷道过地质构造带提出了超前注浆加固的技术方案[1-3]，提前对破碎围岩进行注浆，使其形成一个稳定的整体，提高围岩的自承能力，消除安全隐患，提高掘进速度。

1 工程概况

孟村矿主采4#煤层，埋深390～620 m，煤层厚度3.70～26.02 m，401102 工作面采用综采分层放顶煤采煤方法，割煤高度3.5 m，放煤高度8.1 m，采放比1:2.31。401102 工作面回风巷为煤巷，顶底板皆为4#煤，断面为矩形，宽度5.5 m，高度3.75 m。掘进过程中，巷道迎头左帮顶部至右帮底部出现一条主要节理，层理紊乱，煤质松软破碎，此区域围岩压力较大，动压显现强烈，破碎的围岩在支护前掉落，导致巷道超高1.5 m，给巷道支护作业带来很大的安全隐患。

2 注浆材料的选择

现有的注浆材料主要分为三大类：无机注浆材料、有机注浆材料和有机-无机复合注浆材料。

无机注浆材料包括水泥浆、超细水泥浆、粘土浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。无机注浆加固材料具有材料来源广、无污染、成本低、结石体强度高、耐久性好等优点；其缺点是浆液稳定性差，容易沉淀和离析，材料颗粒大，难以注入到细小裂隙或孔隙中，扩散半径小，凝固时间长，凝固时间不易控制，施工时间长，早期强度低，结石体存在一定收缩[4]。

有机注浆材料主要包括丙烯酰胺类浆液、脲醛树脂类浆液、聚氨酯类浆液、酚醛树脂类浆液等。有机注浆材料具有强度高、黏度低、粘结力强、固结体强度高、渗透性能好、凝结时间短、凝固时间可调、可注入微小裂隙等优点；其缺点是反应温度高、储存时间短、部分材料有异味等。

针对上述两种材料的优缺点，又开发出了有机-无机复合注浆材料，在保证有机注浆材料优异性能的基础上，降低了反应温度，提高了材料的阻燃性能，更适合用于巷道围岩注浆加固使用[5]。本次注浆加固选用SCPJG-2 型矿用复合加固材料。SCPJG-2 型复合加固材料的性能指标见表1。

3 注浆加固方案

3.1 浆液扩散半径

浆液扩散半径是确定钻孔间距及钻孔布置形式的依据。401102 回风巷埋深大，地应力高，导致地质构造带处节理发育，但是在高地应力作用下，节理封闭，浆液注入困难，注浆压力大，扩散半径小。根据相关工程经验及现场注浆试验，浆液扩散半径确定为1.5 m。

3.2 注浆量

浆液注入量是衡量注浆加固效果好坏的一个重要指标。浆液注入量可用下式进行估算。

表1 SCPJG-2 型复合加固材料的性能指标

单个钻孔的注浆量：

注浆段总注入量：

式中：Q 为单孔注浆量，m3；Q0为注浆段总注浆量，m3；R 为浆液扩散半径，m；H 为注浆钻孔深度，m；η 为煤岩体裂隙率，一般取0.5%～3%；β 为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.9；m 为结石率，%；λ 为浆液损失系数，一般取1.1～1.3；N 为注浆钻孔数，个。

根据401102 回风巷地质条件，浆液扩散半径为1.5 m，钻孔深度6 m，煤岩体裂隙率1.5%，浆液损失率1.1，结石率100%。通过上式可以算出单个钻孔注浆量：

SCPJG-2 型复合加固材料密度约为1200 kg/m³，单孔注浆量约为760 kg。每个循环3 个钻孔，每循环共注浆2280 kg，控制深度6 m，每米注浆量为380 kg。

3.3 注浆压力

根据地应力实测结果，孟村矿井最大主应力为水平应力，垂直应力为最小主应力。最大主应力为水平应力，在26～38 MPa 之间，最大水平主应力的大小约为垂直主应力的1.66～2.10 倍，测点最大水平主应力方位角集中在145°～171°之间，与中央大巷、工作面顺槽等巷道轴向夹角为65°～81°，与盘区大巷轴向夹角为8°～35°。

401102 工作面回风巷最大水平应力取28 MPa，与回风巷夹角取70°，最大水平主应力的大小为垂直主应力的2 倍，则最大水平主应力在巷道垂线方向的分量为21.6 MPa，垂直应力为14 MPa。为了保证浆液可以扩散到深部围岩裂隙内，注浆压力不应小于14 MPa，结合相关工程经验，选取本次终孔注浆压力为14～18 MPa。

3.4 注浆钻孔设计

401102 回风巷受地质构造带的影响，掘进速度慢，每天掘进4 m。为了不影响掘进速度，决定在检修班进行注浆作业。注浆加固范围为巷道顶板以上2.5 m 以及巷道肩窝处向外1.5 m。401102回风巷宽度5.5 m，共设计3 个钻孔，第一个钻孔距左帮500 mm 处打设，开口处距顶板300 mm，以15°仰角和15°扩散角打设；第二个钻孔间隔2000 mm，开口处距顶板300 mm，以15°仰角打设；第三个钻孔距第二钻孔间距2000 mm，开口处距顶板300 mm，以15°仰角和15°扩散角打设；钻孔直径42 mm，钻孔深度均为6000 m。

401102 回风巷超前注浆加固钻孔布置图如图1。

图1 超前注浆加固钻孔布置图

4 施工工艺流程及注意事项

巷道超前注浆加固施工工艺流程图如图2。

图2 巷道超前注浆加固施工工艺流程图

4.1 劳动组织

（1）施工时间。注浆施工在检修班进行，不影响巷道掘进，三个注浆孔施工和注浆时间约为3 h。

（2）施工顺序。为了减少邻近钻孔串浆，注浆采用顺序施工，打一孔注一孔。

（3）施工人员。注浆施工共需要4 人，打孔注浆间隔进行，注浆时1 人操作注浆泵，2 人进行运料、倒料，1 人观察注浆情况及辅助。

4.2 注意事项

（1）采用封孔器封孔，封孔深度2 m，注浆管使用DN15 钢管，每节长度1 m，每个钻孔使用4根注浆管，花管实管相结合，注浆管结构示意图如图3。

图3 注浆管结构示意图

（2）超前注浆采用高压注浆，注浆前一定要保证注浆管路连接牢靠，防止管路脱落伤人。

（3）SCPJG-2 型复合加固材料配比为1:1（体积比），施工时要严格按照该配比施工。

（4）浆液凝固时间短，注浆时应连续泵注，停泵时间不超过30 s。

（5）若有浆液从煤壁裂缝中流出时，停泵10～20 s，待浆液凝固后继续注浆。

（6）注浆时要随时观察注浆压力情况，压力发生异常时，及时停泵处理，达到终孔压力后，及时停泵。

5 超前注浆效果观测

对于超前注浆加固的施工效果，分别从注浆扩散半径、巷道成形、掘进速度等方面进行检验。

5.1 浆液扩散半径

注浆时，浆液渗出范围一般距孔口2 m 以内，最远处距孔口4 m。通过钻孔窥视仪进行钻孔观测，在距离注浆钻孔1.5 m、2 m、2.5 m 处分别施工平行观察孔进行观测。3 处观察孔均可看到浆液渗透到裂隙内，1.5 m、2 m 处观察孔裂隙充填饱满，浆液充填痕迹纵横交错，充填效果较好。2.5 m 处观察孔仅可看到较大裂隙充填痕迹，微小裂隙充填不明显。因此可以确定复合加固材料的扩散半径在2 m 以上，后期可以根据此扩散半径优化注浆钻孔的设计。