掘进巷道过地质构造带超前注浆加固技术研究
2021-09-15齐首靖
齐首靖
(山西汾西正城煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)
随着矿井采掘深度增加，煤炭回采时受地质构造、地应力等因素的影响更加明显，这些因素在一定程度上制约着矿井煤炭高效回采[1-2]。巷道掘进揭露地质构造期间围岩往往较为破碎，不仅容易引起巷道超高问题,而且会给巷道围岩控制带来威胁[3-5]。山西某矿3607运输巷在掘进过程中揭露有地质构造，矿井提出超前加固技术方案对地质构造带破碎围岩进行超前加固，为巷道掘进以及围岩控制创造良好条件，现场取得了较好的应用成果。
1 工程概况
3607运输巷沿着6号煤层顶板掘进，煤层埋深420 m，巷道设计长度为2 018 m，断面为矩形，净宽、净高分别为5.5 m、3.75 m。6号煤层赋存较为稳定，为全区可采煤层，煤层厚度平均3.75 m，倾角7°。6号煤层基本顶为粉砂岩厚5.9 m，直接顶为砂质泥岩、炭质泥岩互层厚度2.6 m；直接底为炭质泥岩厚度1.6 m，直接底为灰岩，厚度15.7 m。
根据已有地质资料以及物探显示，3607运输巷掘进过程中揭露DF53、DF56断层，在断层影响下围岩裂隙破碎，会给巷道围岩控制以及掘进安全带来较大威胁，具体工作面内断层发育位置如图1所示。为了确保巷道掘进安全，提出采用超前注浆方式对构造带内破碎岩体进行加固，确保掘进过程中围岩稳定。
图1 工作面内断层发育位置示意
2 超前加固技术分析
2.1 超前加固材料确定
现阶段矿井常用的注浆加固材料有：有机材料(化学材料)、无机材料(水泥浆)、有机-无机复合材料。其中无机材料以水泥浆为主，具有材料来源广、成本低等优点，但是也存在容易离析、浆液稳定性差、注浆有效扩散半径小等问题；有机材料以高分子材料为主，煤矿最为常用的有机注浆材料聚氨酯，有机注浆材料具有粘度低、强度高以及粘结力强等优点，但是也存在存储时间短、部分材料释放有害气体以及反应时释放热量等问题。有机-无机复合材料综合两种注浆浆液优点，不仅具有较强的可注性，而且能降低注浆材料反应温度，提高了阻燃性能。为此，本次注浆采用型号SCPJG-2有机-无机复合材料，该注浆材料性能参数如表1所示。
表1 注浆材料性能参数
2.2 注浆加固钻孔设计
注浆钻孔布置参数与注浆浆液扩展半径密切相关。3607运输巷掘进范围内地应力大，虽然裂隙发育，但是在构造应力以及地应力综合作用下裂隙封闭，注浆加固较为困难。现场对注浆半径进行测试，发现注浆浆液有效扩散半径为1 500 mm。
3607运输巷在地质构造影响下巷道掘进速度有所降低，具体掘进进尺降低至4.0 m/d。为了不影响巷道正常掘进，在检修班进行注浆加固。在运输巷掘进至200 m位置时开始注浆，具体注浆加固位置为巷道顶板上方2.5 m以及肩窝向外1.5 m位置。3607运输巷设计掘进宽度为5.5 m，现场共布置3个注浆钻孔，其中1号注浆孔在距离巷道左帮500 mm位置施工，开口位于巷道顶板下方300 mm位置处，钻孔仰角以及扩散角均为15°；2号钻孔与1号钻孔间距为2 000 mm，开口位于顶板下方300 mm位置，仰角15°，扩散角0°；3号钻孔与2号钻孔间距为2 000 mm，仰角及扩散角均为15°，距离巷道顶板300 mm。在掘进迎头布置的注浆孔孔深均为6 000 mm，钻孔孔径均为42 mm。具体注浆钻孔布置如图2所示。巷道每掘进4 m开始一个循环注浆。
图2 掘进迎头注浆钻孔布置示意
2.3 注浆加固参数
1) 注浆量。注浆量是衡量注浆加固效果的一个重要指标，具体注浆量可通过经验公式计算确定[6]。依据3607运输巷实际地质条件以及注浆钻孔布置，具体计算得到的单个注浆钻孔注浆量约为0.62 m3，注浆量约为760 kg。巷道每个注浆循环注浆孔孔深为6.0 m，共计3个钻孔，因此单个循环钻孔注浆量约为2 280 kg。注浆采用的CPJG-2有机-无机复合材料A、B组分按照1∶1配比混合均匀。
2) 注浆压力。钻孔注浆压力与地应力密切相关。现场测试发现，3607运输巷掘进范围内最大主应力、最小主应力分别为水平应力、垂直应力，其中最大主应力为26～36 MPa，分布方位角介于140～172°之间，最大主应力方向与巷道掘进轴向间有63～82°夹角。3607运输巷掘进范围内最大主应力取值为28 MPa、与掘进轴向夹角取值为70°，则最大主应力在垂直、水平方向上应力分量分别为14 MPa、21.6 MPa。为了确保注浆浆液可有效扩展，因此巷道注浆压力应在14 MPa以上，具体取值范围为14～18 MPa。
3 注浆加固效果分析
在3607运输巷掘进迎头采用图3所示的加固流程进行超前注浆加固。注浆加固完成后从浆液扩散、巷道掘进进尺以及巷道成型等方面对注浆加固效果进行分析。注浆后通过布置窥视钻孔对注浆浆液扩展情况进行窥视，发现钻孔实际扩展半径可达2.0 m，在后续巷道注浆加固时可对注浆半径进行适当优化。注浆加固后，巷道在地质构造带掘进时基本不出现超高问题，巷道成型效果得以好转。注浆加固前受到地质构造影响，巷道掘进进尺降低至4.0 m/d，注浆加固后，巷道掘进过程中基本不受破碎围岩影响，每个完整生产班可掘进4.0 m，巷道掘进进尺量增加至8.0 m/d。通过注浆加固为巷道掘进创造了良好条件。
图3 注浆加固流程
4 结 语
3607运输巷掘进过程中受DF53、DF56断层影响，围岩较为破碎，制约了巷道掘进以及围岩支护等工作的开展。为了确保巷道安全高效掘进，提出采用超前注浆方式加固断层破碎带内围岩，从而给巷道掘进以及围岩支护创造良好条件。
依据3607运输巷实际地质条件对超前注浆加固参数进行设计。现场应用后，巷道掘进过程中超高问题基本解决，巷道掘进进尺由加固前的4.0 m/d增加至8.0 m/d。注浆加固可为巷道掘进以及围岩控制创造良好条件，现场取得了较好的应用成果。
