蘭永偉,　李鳳義

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 沈陽 110819;2.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江科技學(xué)院), 哈爾濱 150027)

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斷層破碎帶巷修注漿加固技術(shù)

蘭永偉1,2,李鳳義2

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 沈陽 110819;2.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江科技學(xué)院), 哈爾濱 150027)

為了完善斷層破碎帶巷道維修方法,以注漿加固理論為基礎(chǔ),通過注漿材料配比實(shí)驗(yàn),分析不同體積配比條件下,水泥水玻璃與凝固時間、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,確定水泥水玻璃體積比為1 ∶0.4的注漿加固最佳配比方案。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,提出了利用注漿加固技術(shù)、U型鋼梁棚和噴射混凝土相結(jié)合的巷道維修方案,成功解決了現(xiàn)場問題。該研究對于類似礦井的斷層破碎帶巷道維修具有借鑒意義。

斷層; 破碎帶; 巷道維修; 注漿加固

斷層破碎帶應(yīng)力分布比較復(fù)雜,易形成高應(yīng)力集中區(qū),圍巖非常破碎且極易垮落,在巷道掘進(jìn)過程中極易片幫冒頂[1-2],巷道形成以后由于斷層破碎帶的影響,受力大,變形顯著。因此,斷層構(gòu)造帶巷道支護(hù)及維修技術(shù)一直是煤礦行業(yè)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前,圍巖控制技術(shù)的關(guān)鍵是,通過一定的手段改善圍巖的狀態(tài),充分利用圍巖自身的強(qiáng)度保持支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。注漿作為改善巖土狀態(tài)的重要技術(shù),能夠在原位對巖土體進(jìn)行加固和改性,使一定范圍內(nèi)的巖體成為支護(hù)結(jié)構(gòu)不可分割的一部分,從而充分利用巖體本身的強(qiáng)度,較好地解決一些巖土工程穩(wěn)定問題，因此，在巖土工程界得到廣泛運(yùn)用[3]。注漿技術(shù)能夠有效控制圍巖變形,顯著改善支護(hù)效果,20世紀(jì)80年代以來,在煤礦軟巖巷道維護(hù)中的應(yīng)用也受到關(guān)注。

目前,斷層破碎帶常用的維護(hù)方法有“錨、網(wǎng)、W鋼帶”聯(lián)合支護(hù)、錨網(wǎng)梁索、全長錨固注漿錨索支護(hù)[4-6]等。筆者采用注漿加固技術(shù),通過對注漿材料水泥和水玻璃不同配比的實(shí)驗(yàn)研究,得出了最佳配比方案,并結(jié)合某礦斷層破碎帶巷道維修現(xiàn)場實(shí)際情況,應(yīng)用該注漿配比提出了合理的支護(hù)注漿方案,其結(jié)果對類似礦井具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　注漿加固原理及水泥水玻璃配比實(shí)驗(yàn)

1.1注漿加固破碎煤巖體原理

破碎煤巖的注漿加固過程中,漿液在泵壓的作用下擠壓或滲透到破碎煤巖的裂隙中去,漿液固結(jié)后,以固體形式充填在裂隙中并與巖體固結(jié)。這些充填的材料在巖體內(nèi)形成新的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu),注漿后的巖體增加了由加固材料形成的漿脈。漿脈在巖體中呈薄厚不一的片狀或條狀,但均相互聯(lián)系形成網(wǎng)絡(luò)骨架,網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)側(cè)則是均勻密實(shí)的巖體,形成網(wǎng)絡(luò)骨架的充填材料具有較好的彈性黏結(jié)強(qiáng)度。注漿可以提高圍巖的物理力學(xué)性質(zhì),使得圍巖自身強(qiáng)度提高,承載能力加強(qiáng)[7]。

1.2水泥水玻璃配比實(shí)驗(yàn)

注漿材料大體分為無機(jī)系和有機(jī)系兩大類,而在日常使用中,一般又分為水泥漿材和化學(xué)漿材兩大類。水泥漿材結(jié)石體強(qiáng)度高、造價(jià)低廉、材料來源豐富、漿液配制方便、操作簡單,是使用量較大的漿材。綜合考慮煤礦經(jīng)濟(jì)效益,選取水泥漿材作為主要充填原料。

水泥-水玻璃漿液是以水泥和水玻璃為主劑,兩者按一定的比例以雙液方式注入的注漿材料。這種漿液可以克服單液水泥漿的凝結(jié)時間長、不易控制、結(jié)石率低等缺點(diǎn),提高水泥注漿的效果,擴(kuò)大水泥注漿的適用范圍。注漿過程中,當(dāng)希望漿液滲透或擴(kuò)散半徑(或距離)較大時,要求漿液的凝結(jié)時間或凝膠時間(t)足夠長。當(dāng)有地下水運(yùn)動時,為防止?jié){液過分稀釋或被沖走,要求漿液在注入過程中速凝。另外,在加固工程中,為減少瞬時沉降,也希望縮短水泥漿液的凝結(jié)時間。水泥、水玻璃體積比(Vc∶Vs)不同所得的單軸抗壓強(qiáng)度、凝膠時間不同?，F(xiàn)場要求漿液既要滿足強(qiáng)度要求又要縮短凝固時間,為了滿足以上這些條件,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次配比實(shí)驗(yàn),令水泥漿中水泥與水的質(zhì)量比為1 ∶0.6,礦壓強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度,具體結(jié)果見表1。

表1水泥水玻璃漿液配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1Experiment result of cement-water-glass material ratio

Vc︰Vst/sσc/MPa3d7d1∶0.1101.7102.651∶0.2201.8362.961∶0.3301.9483.501∶0.4354.39010.601∶0.5353.9608.701∶0.6423.5008.151∶0.8420.8975.20

從表中可以得出,水泥水玻璃體積比不同,凝膠時間和抗壓強(qiáng)度也不同,綜合考慮凝膠時間及抗壓強(qiáng)度,選擇水泥水玻璃體積比為1 ∶0.4的配比方法較合理。

2　工程概況及注漿方案

2.1工程概況

某礦二水平九采回風(fēng)巷遇到F5(67)斷層,斷層落差較大,巷道在掘進(jìn)時由于頂板破碎,采用掛網(wǎng)、U型鋼、鐵道剎頂、噴漿等多種支護(hù)方式,勉強(qiáng)達(dá)到支護(hù)要求。在巷道使用過程中,由于斷層影響,巷道變形較大,雖經(jīng)多次巷道維修,但效果不理想,導(dǎo)致巷道斷面由原規(guī)程的3.5 m(寬)×2.8 m(高),縮減為目前的2.5 m(寬)×2.2 m(高)。相比之下巷道圍巖變形較大,頂板隨時都有冒落的可能,同時由于斷面減小,礦井回風(fēng)速度受到嚴(yán)重影響,威脅礦井生產(chǎn)及人員安全。

2.2注漿方案

2.2.1注漿孔布置方案

為了防止巷道繼續(xù)變形及冒頂事故的發(fā)生,結(jié)合礦井工程地質(zhì)資料分析該巷道遇斷層冒頂及片幫段情況,采取以預(yù)注漿加固技術(shù)為主,結(jié)合原有巷道U型鋼梁棚的支護(hù)方式。巷道斷面注漿孔布置如圖1所示。

具體參數(shù)如下:在巷道斷面每排平均布置5個孔,孔與孔之間間距不大于1.2 m;排距為1.5～2.0 m;打孔時如果遇到硬巖,孔深最少保證2.5 m,超過2.5 m后遇到硬巖,即可停止;如果在打孔過程中一直未遇到硬巖,孔深為5.5 m即可;兩幫靠近底板的孔不得超過底板1.5 m,并且盡量保證孔與底板夾角越小越好或者與底板平行。

圖1　巷道注漿孔斷面

2.2.2注漿工藝

首先按照注漿孔斷面布置要求,打設(shè)注漿孔,然后將封孔器與注漿管一同插入鉆孔,并固定封孔器,再將注漿接頭連接到注漿管上,啟動注漿泵,通過觀測注漿效果來控制注漿泵的開停,停泵后及時撤下連接頭,然后進(jìn)行下一組注漿。為了提高注漿速度,可以先后給幾個注漿孔安裝注漿管和封孔,然后統(tǒng)一注漿。工藝如圖2所示。

圖2　注漿系統(tǒng)

注漿管直徑為50 mm,長分別為1、2 m。1 m管四周不打眼,以保證漿液在此段不擴(kuò)散,用在最外端,便于后期巷道挑頂、擴(kuò)幫;2 m管四周打眼便于注漿充分?jǐn)U散,用在注漿孔深部,以滿足巷道斷面成形的需要。

注漿時嚴(yán)格按照漿液配比,采取先控制巷道兩幫,再集中巷道頂板的方式進(jìn)行,完成幫部注漿后再進(jìn)行拱部注漿以加固斷層冒落區(qū)深部巖層,并以此為一個注漿循環(huán)。在注漿過程中,要時刻觀察注漿孔附近頂板、幫壁情況,如果有漿液從幫壁或頂板滲出,立即將注漿泵風(fēng)量調(diào)小,減小注漿壓力,并用棉紗封堵頂板及幫壁的滲液孔,然后繼續(xù)正常注漿。注漿孔中所注入的漿液量根據(jù)現(xiàn)場注漿情況而定,一般至注漿孔注滿為止。完成一個循環(huán)后重復(fù)以上操作進(jìn)行第二個循環(huán)。

2.2.3注漿設(shè)備

注漿所用機(jī)具以注漿泵為主,按注漿泵的漿液混合方式分單液注漿和雙液注漿。單液注漿是指所有注漿材料經(jīng)充分混合反應(yīng)后,用單液注漿泵壓注到巖體中的注漿過程。雙液注漿是指兩組分注漿材料分別置于注漿泵的兩個料桶中,再壓注到巖體的過程中進(jìn)行混合反應(yīng)的注漿過程。結(jié)合井下實(shí)際情況,采用錨注施工注漿泵,根據(jù)漿液配比的要求,使用QZB-50/60型氣動雙液注漿泵和氣動水泥漿攪拌罐。供風(fēng)壓力為0.5～6.0 MPa,便于注漿壓力調(diào)整,以有效控制漿液的擴(kuò)散半徑。

2.2.4輔助施工

注漿液在一定時間后強(qiáng)度才能達(dá)到要求,結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)定為3 d,3 d以后方可進(jìn)行原巷道U型鋼梁棚拆除工作。為了保證安全,拆除鋼梁棚時,必須徹底拆完一架之后,架設(shè)好一架,并進(jìn)行掛網(wǎng),與此同時,進(jìn)行開幫、挑頂。巷道斷面為3.5 m(寬)×2.8 m(高),保證礦井通風(fēng)要求。

距離U型鋼梁棚架設(shè)及掛網(wǎng)完畢位置10 m后,噴射一層柔性混凝土,封閉圍巖,防止圍巖表面風(fēng)化。

3　注漿效果分析

注漿施工前二水平九采回風(fēng)巷圍巖變形和破碎嚴(yán)重,如圖3a所示。按照注漿支護(hù)方案,注漿后巷道圍巖得到加固,如圖3b所示。破碎巷道在注漿加固后,斷面得以有效擴(kuò)大,巷道內(nèi)通風(fēng)速度由7.27 m/s減小為4.71 m/s,滿足了現(xiàn)場通風(fēng)要求,注漿后效果明顯。

現(xiàn)場跟蹤觀察結(jié)果表明,斷層冒落區(qū)已注漿完畢的巷道頂板圍巖穩(wěn)定,巖體在漿液的作用下已被填充并黏結(jié)成為一體,整體性較好,而且二水平九采回風(fēng)巷原有淋水的位置顯著減少,說明該漿料在填充裂隙的同時起到了很好的隔水作用,這也在一定程度上提高了頂部巖層強(qiáng)度。

通過注漿封堵了圍巖的裂隙,隔絕了空氣,防止圍巖風(fēng)化,提高了圍巖自身強(qiáng)度。注漿管注漿后相當(dāng)于全長錨固錨桿,將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體,從而將多層組合拱聯(lián)成一個整體,共同承載,提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量,從而提高了巖體強(qiáng)度。注漿后裂隙得到充填,圍巖完整性提高,這樣保證荷載能均勻地作用在巖體和支架上,避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先破壞。

圖3　注漿前后巷道

注漿使得支護(hù)結(jié)構(gòu)面尺寸增大,圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載所產(chǎn)生的彎矩減小,從而降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,因此，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力,擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

4　結(jié)　論

通過實(shí)驗(yàn)研究水泥和水玻璃最佳配比,并結(jié)合工礦斷層破碎帶巷道實(shí)際情況,應(yīng)用圍巖注漿加固技術(shù)進(jìn)行巷道修復(fù),得到如下結(jié)論:

(1)水泥水玻璃漿液體積比不同,凝膠時間不同。在漿液體積比一定的條件下,凝固后的漿液物的抗壓強(qiáng)度隨著時間增大而增大。水泥水玻璃體積比為1 ∶0.4的配比方法較合理。

(2)在斷層破碎帶巷修時,幫頂注漿孔注漿一定要注意先后順序,先注幫孔,最后注頂板孔,這樣有利于注漿穩(wěn)固帶從下到上形成,便于控制漿液擴(kuò)散半徑。

(3)注漿管長度可以根據(jù)巷道斷面加工成長短不等的幾種,短的注漿管壁四周不打漿液擴(kuò)散小眼,安設(shè)時裝在鉆孔外部,這樣有利于挑頂擴(kuò)幫,保證巷道斷面的要求。注漿管直徑可以根據(jù)巷道破碎情況設(shè)定,破碎嚴(yán)重時其直徑可以增大,反之減小。

(4)從現(xiàn)場注漿情況來看,注漿孔間距應(yīng)不大于1.2 m,排距為1.5～2.0 m,這樣一方面保證了漿液充分?jǐn)U散,另一方面也不因孔間排距太小多打孔,而影響經(jīng)濟(jì)效益。

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[3]陳金宇, 杜澤生. 煤礦巷道維修中注漿對初次支護(hù)的作用分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2011, 39(10): 11-13, 17.

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[7]鄒光華, 張鳳巖, 宋彥波. 巷道過含水?dāng)鄬悠扑閹У淖{加固技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2010, 38(6): 50-53.

(編輯荀海鑫)

Grouting reinforcement technology for mine roadway repair in fault fracture zone

LANYongwei1,2,LIFengyi2

(1.School of Resouce & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at improving mine roadway repair in fault fracture zone, this paper, building on grouting reinforcement theory and the experiments of grouting material ratio, presents an analysis of the relation between the geling time and cement-water-glass in different volume ratio conditions, and an analysis of the relation between the compressive strength and cement-water-glass in different volume ratio conditions. The paper features the best volume ratio of cement-water glass of 1 ∶0.4 for grouting reinforcement, offers the mine roadway repair scheme tailored to the grouting reinforcement by combining U-shaped shed with shotcrete according to the practical conditions, and provides a better solution to on-site problems. The research has reference to repairing similar mine roadway with fault fracture zones.

fault; fracture zone; mine roadway repair; grouting reinforcement

1671-0118(2012)06-0577-04

2012-11-05

蘭永偉(1974-),男,山西省原平人,講師,碩士,研究方向:礦山壓力及控制,E-mail:lanboboy@163.com。

TD353

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