高性能无机注浆材料在强动压影响巷道加固中的应用

马晋琴

（晋能控股山西科学技术研究院（晋城） 技术研究院，山西 晋城 048000）

0 引 言

煤炭作为我国的主体能源，占到化石能源消费总量百分之七十左右。随着开采强度逐年递增，浅部易采资源储量飞速递减，煤炭开采逐步向深部区域延伸。伴随而来的是开采环境急剧变化，地质条件复杂多变，矿压显现强烈，巷道变形加剧，维护成本增加。国内外学者对于破碎煤岩体、动压影响巷道、集中应力影响区域等工程的注浆加固机理及施工工艺进行了深入的研究，并取得大量的研究成果。但是，在新型无机注浆材料研究方面仍存在诸多不足，因此，有必要进行高性能无机注浆材料研发，以满足矿山加固工程的特殊目的[1-4]。

1 概 况

成庄矿2321 工作面位于一水平二盘区，主采3 号煤层，工作面走向长度1 078 m、倾斜长度104 m，平均采高6.25 m。23212 巷为2321 综放工作面新掘进风巷，与23214 巷之间仅有15 m 煤柱，工作面布置情况如图1 所示。

图1 2321 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of No.2321 Face

23214 巷为2323 工作面复用巷道，23214 巷与23212 巷间15 m 煤柱在经历上一工作面采动影响和新掘巷道扰动的双重作用下，几乎完全破碎，23212 巷掘出后，两帮随即发生移近变形，两帮移近量最大值达300 mm，致使底板鼓起，拉底量达0.3 ～0.6 m，2321 工作面开始回采后，在超前支承压力作用下，23212 巷围岩破坏加剧，尤其是在工作面推进缓慢时，造成巷道两帮移近量增大和严重底鼓变形，制约2321 工作面安全生产。2321 工作面回采过程中，两帮移近量峰值达到850 mm，底鼓量峰值达到700 mm。因而，有必要对该巷道进行预注浆加固，提高巷道围岩整体性和稳定性，促进采面安全高效生产。

2 新型无机注浆材料成分

目前，常用的注浆材料主要分为有机注浆材料与无机注浆材料2 大类。有机类注浆材料具有施工简单、凝固速度快、强度增长迅速、可注性良好、浆液扩散性能好等诸多优点，但有机浆液在凝固过程中产生大量的热量，易引发煤炭自燃，同时，材料制造成本高，严重制约其推广使用；无机类注浆材料是目前各类加固工程中应用最广泛的注浆材料，具有固结体强度高、无毒无害、材料制造成本低廉等诸多优点，其缺点是浆液初凝时间长，早期强度增长缓慢，不适用于井下需快速凝固的特殊场所。新型无机注浆材料需具备浆液流失时间短、早期强度高、强度增长迅速等诸多特性，同时，还应具备良好的物理力学特性。实验室采用超细硫铝酸盐水泥熟料、硬石膏、生石灰作为基料，添加不同比例的添加剂进行新型注浆材料的配比试验[5-7]。

2.1 硫铝水泥熟料

硫铝水泥熟料为济宁市金鲁城建材有限公司提供的SAC.42.5，采用SAC表示，其化学组成见表1。

表1 硫铝水泥熟料的化学成分Table 1 Chemical composition of sulphoaluminate cement clinker

2.2 石 膏

石膏为皖北煤电集团提供天然硬石膏，采用SG 表示。其化学组成见表2。

表2 石膏的化学成分Table 2 Chemical composition of gypsum

2.3 石 灰

石灰为郑州某厂产石灰，采用SH 表示，其化学组成见表3。

表3 石灰的化学成分Table 3 Chemical composition of lime

2.4 其它辅助性材料

试验中还选用了多种常见化学试剂和工业用材料外加剂，A 料添加剂和B 料添加剂对应原材料名称见表4。

表4 A 料、B 料添加剂材料Table 4 Additive of A and B materials

3 工业性试验

3.1 钻孔布置

为实现强动压影响下23212 巷高效注浆加固，提高该区域巷道围岩整体稳定性，有效降低巷道有害变形，在23212 巷两帮施工注浆钻孔，钻孔呈“三花”布置，钻孔直径42 mm，孔深10 m，上排孔距底板高度2.5 m，调整范围±150 mm，下排孔距底板高度1.0 m，调整范围±150 mm，钻孔间距6.0 m，两排钻孔均水平布置，钻孔布置如图2 所示。

图2 23212 巷钻孔布置侧视示意Fig.2 Drilling arrangement side viewof No.2321 Roadway

3.2 效果考察分析

现场注浆施工效果良好，从现场照片上可以看出，材料可注性较好，浆液扩散范围较大，如图3所示。

图3 23212 巷现场注浆加固巷帮情况Fig.3 Field grouting reinforcement of No.2321 Roadway

为准确掌握巷道注浆加固效果，在23212 巷5处地点建立“十”字测站，分别在巷道420、440、460、480、500 m 处，测站编号1 号～5 号，以监测巷道变形情况。以测站与工作面距离作为横坐标，以巷道顶底板移近量作为纵坐标，绘制巷道顶底板移近量变形曲线，如图4 所示。

图4 注浆加固后巷道顶底板移近量曲线Fig.4 Displacement curve of roadway roof and floor after grouting reinforcement

23212 巷在距离工作面90 m 处，巷道顶底板移近量开始增长，伴随着工作面继续推进，顶底板移近量增长缓慢；距工作面30 m 处，巷道顶底板移近量增长显著，曲线出现拐点；距工作面15 m处，巷道顶底板移近量飞速增长，曲线再次出现拐点，至此，顶底板移近量出现峰值225 mm。与23212 巷未加固段相比，变形量缩减一半以上，巷道变形得到有效控制。

4 结 语

通过试验配比得到超细硫铝酸盐基注浆材料，其主要成分包含硫铝酸盐水泥熟料、石膏、生石灰等；经过现场工业性试验验证，新型无机注浆材料取得良好的加固效果，有效降低巷道加固区域变形量，助力矿井安全高效生产。