特大断面硐室注射新型地质聚合物加强支护技术应用

李垒 LI Lei

（中煤第一建设有限公司第四十九工程处，邯郸 056000）

0 引言

潞安化工集团有限公司王庄煤矿是一座年生产能力700万吨以上的特级高产高效现代化矿井。矿井采用立井、斜井多水平分区式开拓、上下山开采的方式。提升副立井兼作进风井，净直径7.0m，该项目的开采范围地处山西省东南部，长治市西北10km，位于潞安矿区中段，王庄井田南部，安昌断层与二岗山北断层之间，东邻漳泽水库，西部与规划的古城煤矿相邻。东西宽约4km，南北长约7km，总面积26km。

图1 井下换装站断面图

王庄煤矿+540水平延深井下换装站主要用途为起吊、组装大采高支架及其维护，巷道设计总长度约619.275m，主体硐室掘进断面为95.37m，掘进高度9.86m，掘进宽度8.9m，属于特大断面硐室。锚网索喷支护工艺是目前应用比较成熟，普遍用于该矿井下巷道支护的一种支护工艺，但是对于井下换装站这种地质问题比较复杂、高地应力、围岩破碎等恶劣环境中进行的特大断面硐室掘进巷道，单一的锚网索喷支护，已经无法满足支护要求，施工的巷道出现明显下沉，局部出现喷浆层开裂，影响了巷道整体的安全稳定。

为了攻克这一难题，我们依托科学理论为指导，经过现场实际反复试验，发现向岩体内注射由河南理工大开发研制的一种新型地质聚合物能够很好地起到加强支护的作用，通过向已经锚网索喷支护完的巷道岩体内注射新型地质聚合物，既能够高效发挥出锚网索喷支护的作用，又能提高围岩自身的强度。因此，研究在地质条件比较恶劣的环境中，施工巷道断面特别大的单位工程，如何加强巷道支护保证巷道的稳定性是关键问题。

1 施工工艺技术特点

①传统加强巷道支护强度的办法，普遍是采用缩小锚杆、锚索的间排距；采用强度级别更高的锚杆、锚索；增加喷浆层的厚度，这些方法不但增加了巷道造价成本，延长了施工工期，而且在这种地应力比较高、围岩破碎的特大断面巷道内，对增加巷道的支护强度，效果不是很好，加固完的巷道依然很快出现不同程度的喷浆层开裂和顶板下沉。

②围岩注射新型地质聚合物加固是一种改善围岩结构及其性质，提高围岩整体性和自身承载能力、降低支护成本、提高支护效果的有效方法，是利用聚合物把围岩的各种弱面充实、重新胶结起来，改善围岩的物理力学性能，增强围岩自身承载能力，从而提高围岩整体稳定性和力学性能。围岩注射地质聚合物加固与锚杆支护相结合，不仅改善围岩岩性和应力分布，而且提高围岩承载力、大大减小巷道围岩变形，显著改善巷道维护状况。

2 工艺原理

①注射地质聚合物固化时，地质聚合物浆液在泵压的作用下，除了将一些较大的裂隙充填满，还可以将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩，甚至使其闭合，使松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，可以实现利用围岩本身作为支护结构的一部分。

②地质聚合物对裂隙面的粘结作用，使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而使巷道围岩的破坏机制发生转变，与原岩形成一个整体，从而在大构造应力下保持稳定而不易产生破坏。

③对锚网索喷支护过的巷道，注射新型地质聚合物，可以配合锚杆、锚索形成一个多层有效的组合拱，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺过程

打眼———注浆管缠麻———安装注浆管和阀门———用高压胶管连接注射枪和注浆泵———将1根吸管插入装有地质聚合物的桶内———开泵注浆———冲洗机具———停泵— —拆卸注射枪。

3.2 具体的施工步骤

①打眼下管，按设计钻孔位置、参数和规定顺序打注浆孔。采用Y27风钻造孔，钻孔直径Φ42mm，孔深：浅孔3m；深孔8m，打眼角度应垂直于巷道轮廓线。打眼间排距均按2m×2m，浅孔注浆完毕后再按浅孔注浆顺序进行深孔注浆，深孔和浅孔采用三花布置（图2）；打眼时，根据眼部高度作业人员分别站在地坪及事先用脚手架和木板等材料搭设工作台上施工钻眼，打好眼后，准备下注浆钢管。采用1.2寸无缝钢管加工的鱼鳞管做注浆管，注浆管口焊50mm长1寸带丝扣管，丝扣上安装1.5寸高压阀门，向已打好的眼内装设注浆钢管，安装封孔器。作用是封堵眼口，安装注浆阀门。防止注入的注浆材料溢出，造成漏液。用高压胶管连接好注射枪和注浆泵，将连接泵的吸管插入搅拌好的注浆材料桶内，然后准备注浆。

图2 注浆孔三花布置图

②注浆人员连接注浆泵压风及注浆管路，开压风运转注浆泵；开启搅拌机观察其运转是否正常；运料工将注浆材料运至搅拌机附近。

③注浆系统试运转并确认正常后，配料工将注浆材料按比例加入搅拌桶搅拌。

④将注浆管路与封孔器管连接，将封孔器停留在离孔口1m位置，将注浆管和注浆泵连接，开动注浆泵，封孔器封住注浆孔，开始注浆。待注浆压力或注浆量达到设计结束标准，关闭压风停泵。结束单孔注浆。

⑤在搅拌机中加入清水，开启注浆泵进行洗泵，至注浆管流出为清水时停止。

4 施工参数

①注浆参数：配比。水灰比为0.6:1。即3壶（10L）水，2袋（25kg）注浆料，2瓶（斤）灰色添加剂，0.25瓶（0.125kg）透明添加剂。注浆压力为3-5MPa。

②注浆孔深度及间距：浅孔3m，深孔8m；浅、深注浆孔间排距分别为2m；注浆孔直径45mm，用ϕ42钻头打设。

③注浆管规格及长度：1.2寸无缝钢管加工的鱼鳞管，长度1.9m。

④封孔要求。麻绳浸蘸搅拌好的注浆料，缠绕孔口管密实；麻绳缠绕孔口管2道，浅部0.3-0.5m，深部0.8-1.2m。

⑤浆量的估计：根据注浆段工作面顶板的现场破坏情况定。

⑥单孔注浆结束标准：1）达到设计注浆压力，并稳压十分钟以上。2）虽未达到注浆压力，但从周边岩体窜浆，打木楔封堵漏液。3）注浆过程中发现异常情况，及时停泵处理。

表1 施工设备、材料明细表

图3 ZSY80双液注浆泵结构示意图

5 质量要求

执行《煤矿井巷工程质量评定标准》、《煤矿井巷工程施工规范》外，在施工中还应注意以下几点：

①现场要有专人严格监督，是否按照正确注浆顺序进行施工，必须先注射浅孔，进行封堵，再按浅孔注射顺序进行深孔注射充填。②注浆压力要达到设计标准，稳压十分钟后在进行注浆，以达到注浆的预期效果。

6 安全、环保施工技术措施

①打点柱支护要牢固，下方用50mm厚×300mm宽×500mm长的木板垫底，上方用大头木楔背实，点柱要垂直打设。

②作业前及作业过程中，要严格执行敲帮问顶制度，随时用长柄工具将活矸处理掉，确保作业环境安全。

③打眼时如需要工作台，要事先利用大板、脚手架等材料搭设可靠的工作台，脚手架扣件必须上紧，确保牢固，大板用8#铁丝双股捆绑在脚手架上。脚手架后必须加支撑杆，并固定牢固。

④搭设脚手架时，脚手架下要固定在实底或用道木给脚手架穿鞋，不得直接将脚手架架在虚矸上。

⑤所有工作人员在工作台上作业时，必须佩戴保险带，保险带生根在安全可靠位置。

⑥打眼时，严禁其他人员站立在钎杆两侧，以防断钎伤人。

⑦打眼前、搭设工作台前要先对开裂顶板进行敲帮问道，在保证顶板安全的情况下进行作业。

⑧作业过程中，必须设专人监护帮部和顶板情况，并保证退路畅通，发现问题必须及时处理后方可继续作业。

⑨作业点20m范围内瓦斯浓度达到0.8%时，必须停止打眼，当瓦斯浓度下降到0.8%以下时，方可继续打眼。

⑩所用电缆及风带的敷设，必须挂设支护可靠地点，防止碰坏或砸坏。

⑪作业人员必须严格按要求使用气泵，服从师傅指挥，搞好现场互联保和个体行为自保，整个作业过程必须设专人监护。

⑫打眼和注浆不得同时作业，防止互相影响。

⑬注浆压力控制在3-5MPa。

⑭注浆压力要根据现场情况调整，防止压力过大造成顶板破坏。

⑮点柱不但能起到支撑作用，也可起到信号作用（即现场施工人员在注浆时要及时观察点柱支撑情况，如有顶板下沉压力过大等危险情况时要及时撤出人员，报告相关领导及时采取措施，防止事故发生）。

⑯注浆开始后，非作业人员全部撤离作业地点。

⑰专用气泵应固定牢靠，防止因震动滑倒伤人或损坏设备。需要移动气泵时，首先清理抬运路线，由一人专门托运风带，其他人负责运气泵，一名班组长现场监护指挥，确保抬运安全。

⑱卸压作业程序：先停泵-打开卸压阀-拔开高压管。

⑲打眼间距在2m以内眼位不许提前打设。

⑳注浆过程中，负责观察漏浆人员应密切关注顶板变化情况，发现顶板异常或点柱急剧变形应及时撤离，并通知停止注浆。负责观察漏浆人员以1-2人为宜，其余工作人员应站在警戒区域以外。

㉑深孔注浆完成后，注浆施工要缓慢推进。由于地质聚合物完全凝固并达到强度需要1-2天时间，因此注浆推进循环时间须确保2天以上。严禁未注浆区域站人或从事任何作业。

㉒施工过程中如遇锚杆、锚索失效情况，要及时补打锚杆、锚索并及时预紧达设计要求。

㉓补打锚杆、锚索前要先检查巷道规格，如规格不够要先进行处理达设计要求后再补打锚杆、锚索。

㉔准备好防护用品：塑胶手套3套、清水等。备料和开泵人员戴好塑胶手套，作好劳动保护。

㉕作业过程中，人员必须爱护设备，不得随意浪费材料。

㉖注浆时，电缆、管路要用破风筒布保护起来。防止注浆液粘着在上面。

㉗注浆过程中必须详细观察注浆孔周围漏浆情况，发现漏浆严重时，可停泵2-3分钟后再注浆，也可换孔注浆。

㉘每次停泵时间超过5分钟时，必须及时用清水将注浆泵及管路清洗干净。

㉙施工用材料要分类堆放整齐、标识清楚。

㉚作业完毕，作业人员必须清理好现场，保证巷道文明生产。

7 效益分析

注射新型地质聚合物加强巷道支护强度，避免了更改锚网索喷支护的参数，节省了所用锚杆、锚索的数量以及喷浆的方量，大大节省了打设锚杆、锚索的施工时间和喷射混凝土的时间，提高了施工速度，降低了生产成本，减少了设备的租赁费用和人工费用；同时在社会上的影响增大，提高了企业在工程项目投标的竞争力量。而且钢材本身就是一种消耗不可再生资源的成品，注射新型地质聚合物，可以避免消耗更多的钢材，这符合国家关于建筑节能工程的有关要求。

8 结束语

特大断面硐室注射新型地质聚合物加强支护技术，在山西省王庄煤矿+540m水平延深井下换装站巷中成功应用。2019年08月井下换装站开始施工于2020年06月完成最大断面支架换装硐室的掘进支护工程，支架换装硐室断面形式为直墙半圆拱，巷道设计总长度约619.275m，主体硐室掘进断面为95.37m，通过向已经锚网索喷支护过的硐室巷道内注射新型地质聚合物，巷道的稳定性得到很大改善，通过技术人员利用科学的观测法进行了实际观测，观测结果证明在一定时间内硐室巷道顶帮没有再出现喷浆层开裂，顶板继续下沉现象。

综上所述，在特大断面硐室巷道内注射新型地质聚合物，能够实现加强巷道支护的目的，保证巷道整体的稳定性。因此该工法在同行业中具有广泛推广和应用的价值。