复合破碎顶板巷道围岩注浆加固技术实践

白 伟

(陕西陕煤韩城矿业有限公司,陕西 渭南 715400)

0 引言

在矿山建设中,辅助运输系统巷道服务年限长久,巷道长期受压变形严重,加之风化及水湿侵袭围岩表面需要反复修缮保护,辅运大巷复修过程中,复合顶板变形严重,补打支护过程易发生冒顶事故。因此,巷道复修具有很大的危险性,也一直是安全工作研究的重点[1-3]。对于井巷复修虽然取得了一些成功经验,但施工频繁且工期较长,严重影响矿井生产接续,需要研究安全快速巷修新技术,在保证安全生产的基础上,尽可能缩短施工时间,提高施工效率,对于矿区建设及快速维修技术的突破与发展,都具有十分重要的意义[4-5]。

在松软破碎构造围岩中掘进巷道时,巷道掘进过程中会打破松软破碎围岩体原有弱面非连续介质的平衡状态,此时巷道围岩便会发生变形,释放大量的能量,进而使得巷道围岩中原本存在的围岩弱面进一步扩展,产生新的裂隙[6]。松软破碎围岩体在动压扰动下会出现膨胀、破碎、松软和大变形的现象,此时若不采取合适的支护手段,会使得巷道围岩的变形更为剧烈,支护困难,可能会致使巷道在变形破坏后无法正常使用[7]。熊祖强等[8]结合研制的无机注浆材料结合层次分区注浆加固技术得到浅部止浆层加固注浆的良好效果。徐香庆等[9]通过研制新型注浆材料对松软破碎围岩进行有效加固,保证了巷道的稳定性。冯志强等[10]通过硅酸盐对传统注浆材料进行改性研究,改进了材料本身自燃的安全性能缺点同时增强了加固的物理特性。孙健等[11]定量分析工作面注浆加固后煤体弹性模量的提高对顶板沉降量的影响,得出工作面顶板沉降计算公式,分析得到煤体强度最适条件下采煤速率。吴怀国[12]对比了硅酸盐改性聚氨酯加固材料区别于传统材料反应时的温度变化情况,并在实验室进行实时检测。

基于上述特征,针对松软破碎构造围岩一种常用的补强支护方式为注浆加固,通过注浆加固有效的改善破碎围岩的结构和性能,整体提升破碎围岩段的承载能力[13]。注浆加固时,浆液在注浆压力作用下进入破碎围岩内,会充填胶结围岩内部裂隙,提升围岩体的整体性。注浆加固是通过提升围岩自身的承载能力作为技术途径,达到改善围岩维护状态的目的。象山煤矿南一辅助运输大巷在掘成后使用至今约一年,在井底车场风门后300m的范围内,巷道来压出现顶板下沉、锚网断裂、浆皮脱落现象,矿方已经补打加强锚索喷浆进行支护,但该区域变形仍然严重。根据分析,该巷道顶底板下沉主要由巷道承压、顶板破碎不完整导致;该区域锚索施工密度较高,为了更好地治理顶板,特联合渭南陕煤启辰科技有限公司研发煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料SCPJG-2进行注浆加固处理,注浆加固将该区域顶板连成整体,以提高其顶板抗压强度,缓解顶板下沉情况。

1 项目概况

象山煤矿南一辅助运输大巷采用圆弧拱型断面,沿5号煤层直接顶破顶1.45 m施工,掘进断面21.6 m2,掘进宽度5.5 m,掘进高度4.45 m。南一辅助运输大巷井底车场位于南一下山采区东部,巷道南部以43 m煤柱与巷道东部21503综采工作面采空区相邻,西部以30 m煤柱与南一3号煤层回风大巷相邻。巷道北部对应上方为李家沟村东部,巷道中部对应上方为沙子庙村东部,巷道南部对应上方为杨家圪崂村西部,其余地区为山梁、沟谷、阶地,无其他水体、建筑。

该地区5号煤层为半亮型煤,煤层结构复杂,含夹矸1～2层,夹矸岩性为泥岩,厚度为0.1～0.4 m,平均厚0.2 m。煤层厚度变化较大,5-1煤层含夹矸厚度1.0～3.2 m。5-1煤层底板厚度1.0～2.0 m。5-2煤层厚度0.6～1.2 m,局部含夹矸。煤层强度系数0.5～1.0。

伪顶为泥岩,黑色泥岩,块状破碎,厚度1.5 m,沉积不稳定。巷道顶板为5号煤层直接顶,岩性变化较大;巷道南部、北部为浅灰色,中厚层状细砂岩或中砂岩,厚度5.5～12.0 m;巷道中部、中偏南部为泥岩或粉砂质泥岩,厚度1.5～8.0 m。直接顶顶板划分为1b类,为中等稳定型,基本顶稳定性为中等稳定,分类为Ⅰ级。

5号煤层直接底,岩性为浅灰色中细砂岩,中厚层状、泥质胶结,厚1.2～7.1 m。底板分类为Ⅰ类,属级软类型底板。

2 注浆材料及设备性能

2.1 注浆加固原理

注浆加固围岩体是采用特殊浆液将围岩内部的脆弱部分,通过浆液的化学特性改变围岩体的物理特征,利用胶结作用重新分布围岩体内的脆弱部分,将此部分重新排列整合为一个完整的高强度围岩体,这样的重新胶结排列使得围岩体的整体性和其本身物理力学特性得到大大改善。试验表明,注浆加固围岩体是一种高效提高围岩体自身承载力的最切实有效的技术方法,此种方法可以有效避免支护失效现象的产生,有利于矿井安全生产。

2.2 注浆材料

注浆加固层位为破碎围岩,由于破碎围岩松软低渗的特点,需要材料渗透性好,与岩石粘结性强,加固材料强度要高,综合考虑本次注浆使用渭南陕煤启辰科技有限公司生产的双采煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料(SCPJG-2)。煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料SCPJG-2是由特殊的2种组分组合的材料产品,A组分特殊材料产品通过化学搅拌芯与B组分特殊材料产品迅速搅拌反应,产生强度高的聚合物体。此种聚合物粘结力较强,聚合物通过吸附于煤岩体上产生耐高压,抗剪切力和抗冲击力,对强酸强碱具有高效的免疫力。聚合物具有较高的流动性,易渗入煤岩体内部,具有防水发泡特征,对煤岩体内部的细小裂隙具有较好的填充性能。聚合物材料不挥发有毒有害气体,具有很强的环保特性。特殊组分材料按照1∶1的体积比通过双液注浆装置经过化学搅拌芯混合搅拌均匀后经过注浆管注入煤岩体中。煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料性能效果如图1所示。

图1 材料加固效果示意

2.3 注浆设备

注浆加固设备采用ZZQ-0.9/5型气动注浆装置,双液注浆装置注浆原理如图2所示。供风压力不小于0.5 MPa,供风气量不小于4 m3/min。选用4′钢管做注浆管,花管每根长2 m,实管长2 m。混合器使用三通型号的人字混合器。抗震耐压力表使用160 Kgf/cm2(16 MPa)规格,型号为YK-1的压力表。高压胶管使用D=13 mm的双层钢丝胶管,耐压值为5 MPa,进风管采用高压胶管。

图2 双液注浆装置注浆原理示意

3 注浆加固施工设计

3.1 浆液的扩散半径

根据其他矿山注浆经验,煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料在“三软”煤层中的扩散半径一般为1.5～2.0 m(可根据现场实际进行调整)。

3.2 钻孔布置

根据大巷顶板变形情况,本次试验为30 m。本次注浆采用打孔注浆的方式,根据象山南一5号煤层胶带运输大巷注浆经验,煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料的扩散半径一般为2～3 m,因此设计钻孔排距约为3 m,每排布置3个钻孔,钻孔间距为2 m。设计注浆钻孔直径为42 mm,钻孔深度6 m,注浆管采用4′钢管,注浆管长度4 m,孔口处2 m注浆管为实管,孔内2 m注浆管为花管。封孔采用封孔器封孔。巷道注浆钻孔布置如图3所示,封孔示意如图4所示。

图3 南一辅助运输大巷顶板注浆加固方案示意

图4 注浆管及封孔示意

为保证实际注浆效果,达到稳定巷道的作用,预注浆单孔注浆量约为500 kg,累计施工钻孔30个,共计15 t。根据现场的实际情况,施工地点供风能力不低于3 m3/min,供风压力不小于0.5 MPa,注浆压力不小于10 MPa。化学浆液的注浆历时主要取决于不同类型材料的胶凝时间。从目前现有的注浆材料特性及现场注浆经验积累来看,从开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中所需要的时间为一般为10～20 min。

3.3 注浆顺序

根据井下现场的地质作业条件期间环境变化来设计注浆孔的注浆顺序。在注浆期间随时观察注浆孔的流浆量,动态调整注浆方式,对于一些围岩体裂隙较为发育的注浆孔,依据流浆量可以临时采用间隔跳跃的注浆形式,避免浆液流串影响注浆效果,提高均孔的注浆量;采用先外围注浆再对内圈注浆来加固面积较大的区域;使用深孔+浅孔配合的方式对较为破碎的围岩区域进行预注浆效果较好;一般在围岩体较为发育的区域,先使用浅孔注浆,利用浆液的扩散效应产生一个“止浆幕”,杜绝漏浆严重的现象产生,再向较深部注浆,形成新的更深的“止浆幕”层层累加对深部围岩体进行加固,保证浆液逐步扩散到设计注浆范围内的围岩体裂隙中,达到整体加固的效果。

4 效果性评价

图5为巷道顶板注浆扩散效果示意,可见扩散后的浆液通过化学反应作用后将围岩体与支护顶板的锚杆粘合为一个整体,提高了围岩体的完整性,提高了巷道顶板的稳定性,为未施工区域加强锚杆施工提供了较为稳定的锚固环境,可以较好地管理巷道顶板。图6中圆圈所示注浆加固的浆液充满破碎围岩内的裂隙通道,使得围岩破碎范围大大降低,增强了围岩的整体稳定性。符合安全生产标准化要求下的巷道成型轮廓,减少因施工产生的浮矸、落矸量,缩短处理矸石的时间,降低循环维修周期,提高维修效率和施工速度。

图5 巷道顶板注浆扩散效果示意

图6 注浆加固围岩后效果示意

5 结语

注浆对裂隙岩体胶结加固的本质是通过浆液扩散沉积形成固结体充填破碎岩体的裂隙,改善岩体结构面力学特性。同时,胶结作用的发挥提高了裂隙岩体的抗剪切能力,增加了整体的机械强度。实践表明,将注浆加固机制与岩体锚固机制结合起来,可以显著增加岩体的强度、刚度以及稳定性。象山煤矿南一辅助运输大巷的围岩质地较为松软且裂隙发育,依据南一辅助运输大巷顶板注浆加固现场情况,注浆加固可提高锚杆锚固效应,改善围岩物理力学参数,增强围岩体自承力,在岩体内部形成承载结构并提升顶板管理水平,为后续该矿区类型条件下的巷道围岩加固提供了借鉴。