蘇 波

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京100013）

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注漿加固技術(shù)在回撤通道破碎圍巖維護中的應(yīng)用

蘇 波1，2

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京100013）

針對酸刺溝煤礦6上105工作面推至距主回撤通道1～2m時，出現(xiàn)貫通側(cè)煤壁大面積垮落，頂板整體下沉，工作面大面積來壓，壓死部分支架的情況，對6上107工作面主回撤通道采用GRT-101有機高分子聚合物作為注漿材料進行注漿加固，通過對漿液擴散半徑、取芯結(jié)果、圍巖強度、窺視結(jié)果、推采效果的觀測，結(jié)果表明該加固方案能夠保持頂板和煤壁的穩(wěn)定，可有效防止工作面末采過程中出現(xiàn)冒頂和片幫事故。

注漿加固；回撤通道；破碎圍巖；注漿效果

蒙陜地區(qū)綜采工作面搬家多采用預(yù)留回撤通道的方式，隨著采煤工作面逐漸向回撤通道靠近，剩余煤柱寬高比降低，煤柱逐漸進入全面屈服狀態(tài)而失去承載的能力；采空區(qū)上方應(yīng)力逐漸向回撤通道上方和外側(cè)煤柱轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致回撤通道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃未蠓仍黾印Ｒ话銇碚f，當圍巖比較破碎時，回撤通道失穩(wěn)主要表現(xiàn)為兩種形式:一種是局部性的頂板冒落，但通過處理仍然能夠完成回撤工作；另一種是基本頂來壓，導(dǎo)致工作面殘余煤柱發(fā)生脆性破壞，破碎頂板將工作面支架掩埋，造成不可修復(fù)的破壞，回撤通道支護徹底失敗［1］。

在破碎煤巖體中開掘或加固巷道，單獨采用棚式或錨桿支護很難取得較好的支護效果，聯(lián)合注漿加固技術(shù)是較為有效的途徑［2］?；瘜W(xué)注漿是將膨脹率低、可注性好、滲透能力強的有機高分子材料注入煤巖體中的細小裂隙或孔隙中，將破碎巖體固結(jié)，從而改善圍巖結(jié)構(gòu)，增加圍巖自身承載能力［3］。巷道注漿加固可以提高破碎圍巖的強度與整體性，改善其力學(xué)性能，增強破碎煤巖體在采掘過程中受動壓影響時的穩(wěn)定性，控制圍巖變形與破壞，避免和減少破碎圍巖造成的片幫、冒頂事故。此外，化學(xué)漿液還具有固化速度快且時間可調(diào)等優(yōu)點，因此在工期緊張和臨時性工程中得到迅速推廣［4］。

酸刺溝煤礦原6上105工作面推至距主回撤通道1～2m時，出現(xiàn)貫通側(cè)煤壁大面積垮落、頂板整體下沉、工作面大面積來壓、壓死部分支架的情況。本文以6上107工作面主回撤通道為例，采用GRT-101有機高分子聚合物作為注漿材料，對回撤通道破碎煤巖體進行加固，以保證工作面安全順利地貫通。

1　項目概況

酸刺溝煤礦6上煤層傾角0～6°，煤厚7～12m，厚度變化較大，上覆砂質(zhì)泥巖。工作面采用綜合放頂煤開采，采高3.4～3.8m。由于回撤通道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、煤體較破碎，因此當受工作面超前采動影響時，主回撤通道附近易發(fā)生片幫和冒頂事故，嚴重影響末采、搬家時間及工作面的安全。

從6上105工作面末采情況可以判斷出:6上107工作面與主回撤通道在貫通前5m肯定會受到回采超前壓力的強烈影響，易出現(xiàn)冒頂和片幫事故［4-6］。為了保證6上107工作面順利回采，需提前對6上107綜放工作面主回撤通道在原錨桿、錨索支護的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)注漿加固控制巷道頂板和煤壁的穩(wěn)定。

2　注漿加固設(shè)計方案

2.1加固材料的選取

根據(jù)酸刺溝6上107工作面主回撤通道巖體強度較低，有較多細小裂隙，節(jié)理結(jié)構(gòu)較發(fā)育、且工期緊張等原因，決定選用GRT-101有機高分子聚合物作為注漿材料。該材料是由體積相等的A，B兩種有機高分子聚合物組成，需經(jīng)充分混合發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成對煤巖體具有較高黏性的有機彈性體后，經(jīng)專用的注漿泵將混合后的高分子材料壓注到破碎煤巖體內(nèi)，可人為地改善松軟破碎煤巖體的物理力學(xué)性能，在破碎煤巖體內(nèi)滲透、膨脹、充滿整個裂隙面形成網(wǎng)絡(luò)骨架，起到補強加固、充填密實的作用。原本松散煤巖體粘結(jié)為整體，具有較強的抵抗采動應(yīng)力破壞的能力。

2.2注漿加固工藝

注漿加固施工工藝包括:打孔、插管封孔、注漿等幾道工序。工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　破碎煤巖注漿加固施工工藝系統(tǒng)

2.3技術(shù)方案

根據(jù)酸刺溝6上107工作面主回撤通道的煤厚、傾角、圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、以及鉆孔窺視的結(jié)果，確定在235m的范圍內(nèi)對回撤通道貫通側(cè)、煤柱側(cè)及頂部采取注漿加固的技術(shù)方案。

2.3.1注漿孔布置及封孔位置

注漿鉆孔施工機具為錨索鉆機和幫錨桿鉆機，使用?42mm鉆頭打孔，一次成孔，封孔器在孔內(nèi)深度為2000mm。

回撤通道貫通側(cè)幫部鉆孔仰角15°，施工2排鉆孔，鉆孔深度 10000mm，上排孔距巷道頂板1000mm，下排鉆孔與上排鉆孔相距2000mm。上下2排孔呈三花眼布置，孔間距為4000mm。

煤柱側(cè)幫部鉆孔深度6000mm，其他同上。

回撤通道頂板鉆孔仰角45°，施工2排鉆孔，鉆孔深度以鉆探到煤層頂板為準，注漿孔距煤幫1500mm布置，注漿孔間距為 4000mm，排距為3000mm。注漿孔布置見圖2。

圖2　6上107工作面主回撤通道注漿孔布置

2.3.2注漿壓力、注漿量及注漿時間

注漿壓力過高將導(dǎo)致圍巖發(fā)生新的破壞，壓力過低不能保證漿液的有效注入，注漿壓力控制在2～4MPa。單孔注漿量為100～150kg/m，單孔最大注漿量原則不超過200kg/m，若單孔吃漿量過大或長時間不升壓，應(yīng)采取間歇注漿方式，間隔時間不宜超過1min。遇到特殊情況，可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。

注漿時間應(yīng)根據(jù)注漿終壓、圍巖裂隙發(fā)育、鉆孔吃漿量、漿液外漏等具體情況而定。

3　注漿工藝及調(diào)整

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，對貫通側(cè)上部鉆孔進行注漿時，頂板的錨桿孔會漏漿，當壓力升高時，煤柱側(cè)的錨桿孔也會流出漿液，說明回撤通道節(jié)理、裂隙較發(fā)育，部分地段裂隙已貫通，在加大注漿壓力的情況下，能實現(xiàn)漿液的延伸與擴展。從施工工期及工程實驗的角度考慮，決定在剩余的100m巷道縮減注漿孔數(shù)量，每排從原來的6個孔，減為貫通側(cè)的2個幫孔。同時必須對原先的注漿工藝進行調(diào)整，才能保證安全可靠。

3.1施工順序

為了使?jié){液能夠充分地注入到圍巖各個層位中，保證注漿效果，采用 “由低到高”的注漿順序。施工初期為滿足該注漿順序，主回撤通道兩幫底部注漿孔采用 “間隔”施工，已完成總工程量的2/3。但由于施工巷道長度范圍較大，造成設(shè)備反復(fù)搬移，大量增加輔助時間。按隔孔打鉆的實際鉆孔數(shù)量和沿巷道長度分布范圍，每天在45～50m范圍布置3臺注漿泵，每臺泵負責(zé)約15m范圍，一次性接好風(fēng)管和高壓軟管，省去拆接管時間。

3.2鉆孔角度

為了使?jié){液進入貫通側(cè)、頂板和煤柱側(cè)的軟弱結(jié)構(gòu)面中，使之形成整體，提高頂、幫的穩(wěn)定性，必須對僅剩的2個鉆孔的工藝進行調(diào)整。一方面漿液在圍巖內(nèi)分布要均勻，另一方面貫通側(cè)鉆孔打設(shè)角度要便于施工，故對原鉆孔角度進行相應(yīng)調(diào)整，貫通側(cè)底部注漿孔仰角15°不變；上部注漿孔仰角由15°調(diào)整為30°。全部鉆孔孔口位置、鉆孔深度、鉆孔施工順序等執(zhí)行原設(shè)計。隔孔打完并完成注漿的區(qū)域，打設(shè)區(qū)段內(nèi)第一次打孔時剩余的鉆孔，一個區(qū)段完成后向下一區(qū)段轉(zhuǎn)移。

3.3注漿壓力

化學(xué)漿液屬純液態(tài)高分子材料，滲透力強，在適宜壓力下可滲透到深部巖層微裂隙。原設(shè)計要求注漿壓力控制在2～4MPa，本工程封孔位置較深，且使?jié){液要進入頂板和煤柱側(cè)的裂隙結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)將貫通側(cè)上部鉆孔注漿終壓調(diào)整到6MPa，下部鉆孔壓力不變，但風(fēng)門等設(shè)施及靠近巷口區(qū)域應(yīng)注意觀察，不得因注漿量過大引起以上部位的破壞及圍巖變形。

由于注漿壓力加大，原錨桿、錨索孔漏漿現(xiàn)象較以前嚴重，處理漏漿處采用漿液凝固封閉鉆孔堵漏外，必須加強漏漿鉆孔的人工堵漏處理，對漏漿錨桿、錨索托盤周邊，填塞棉紗、廢布等各種含纖維質(zhì)材料，適當?shù)却牧夏?，堵塞漏漿通道后繼續(xù)注漿。等待過程應(yīng)每隔30s左右運行注漿泵1～2個行程，防止?jié){液凝固堵塞注漿孔及管路系統(tǒng)。

4　注漿加固效果

整個工程用時35d，注入漿料209.451t，打孔210個（由于串漿原因打廢8個），實際有效注漿孔202個，其中方案調(diào)整前135m打148個鉆孔注入漿料139t，用時27d；方案調(diào)整后的100m巷道，打54個鉆孔注入漿料70.451t，用時8d。

4.1漿液擴散半徑

擴散半徑分為鉆孔的橫向方向和縱向方向兩種，與煤巖體的發(fā)育情況、鉆孔角度、注漿壓力、施工經(jīng)驗等因素有關(guān)。本項目施工過程中，與注漿孔相距6m處的錨桿孔出現(xiàn)漏漿情況，說明在鉆孔的橫向方向漿液擴散距離達到6m，通過取芯和窺視結(jié)果看出，在鉆孔的縱向方向擴散距離約2.5m，達到了設(shè)計要求的擴散半徑，可以形成完整的網(wǎng)狀骨架。

4.2取芯結(jié)果

選取典型吃漿量大和吃漿量小的注漿孔各1個，采取周邊打鉆取芯的方法，檢驗注漿效果，取芯孔孔徑為89mm，孔深10m，取芯結(jié)果見圖3。

圖3　6上107工作面主回撤通道注漿后所取巖芯

從圖3中可以看出，漿液將裂隙充填飽滿、密實，漿液黏接效果好，漿液微量發(fā)泡，在確保加固效果的基礎(chǔ)上，控制了材料成本。

4.3圍巖強度

對上述取芯的兩個鉆孔進行圍巖強度測試，其中吃漿量大的鉆孔附近，圍巖強度最大達到16.8MPa，最小為8MPa，平均10MPa以上；吃漿量小的鉆孔附近，圍巖強度最大12.3MPa，最小7MPa，平均10MPa以上。

可以看出，由于煤巖體發(fā)育情況及漿液的擴散作用，吃漿量大的鉆孔已將漿液擴散至吃漿量小的鉆孔處，所以兩鉆孔內(nèi)圍巖強度差異縮小，其強度達到了未受采動影響時煤體強度的80%（未受采動影響時煤體強度約為14MPa）。

4.4窺視結(jié)果

窺視結(jié)果如圖4所示?？梢源笾驴闯隽严兜淖呦?、漿液的充填效果、漿液擴散半徑等重要參數(shù)。窺視結(jié)果表明:注漿后的煤巖體已被顯著提高了物理力學(xué)性能，漿液在破碎煤巖體內(nèi)膨脹、滲透、充滿了整個裂隙面而形成網(wǎng)絡(luò)骨架，起到了補強加固、充填密實的作用。

4.5推采情況

該回撤通道在末采期間，雖受到回采超前壓力作用，但由于提前采用了化學(xué)注漿加固，未出現(xiàn)類似6上105面的冒頂和片幫事故，保證了工作面安全、快速的末采及搬家工作。

圖4　6上107工作面主回撤通道注漿后圍巖窺視結(jié)果

5　結(jié) 論

（1）6上107工作面主回撤通道圍巖節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，煤體強度低，通過化學(xué)注漿加固使得被加固煤巖體內(nèi)裂隙被漿液充填飽滿，加之漿液自身強度高，粘結(jié)力強，漿液和圍巖共同作用形成承載整體。

（2）漿液在鉆孔中的橫向方向擴散距離達到6m，在鉆孔的縱向方向擴散距離達到2.5m。

（3）在掌握現(xiàn)場圍巖條件情況下，對加固設(shè)計在施工順序、鉆孔布置、注漿壓力等方面進行調(diào)整，可以實現(xiàn)在不影響加固效果的情況下，加快施工進度，節(jié)約材料成本。

（4）漿液擴散半徑、取芯結(jié)果、圍巖強度、窺視結(jié)果、推采情況5種質(zhì)量檢測情況表明，酸刺溝煤礦6上107工作面主回撤通道的化學(xué)注漿加固設(shè)計是合理的。

［1］劉 勇，呂華文.注漿加固對回撤通道穩(wěn)定性影響的模擬分析［J］.煤礦開采，2014，19（1）:52-55.

［2］康紅普，馮志強.煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.煤礦開采，2013，18（3）:1-7.

［3］馮志強，康紅普，楊景賀.裂隙巖體注漿技術(shù)探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33（4）:63-66.

［4］呂華文.破碎煤巖體鉆錨注加固技術(shù)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2003.

［5］劉 勇.斷層破碎帶中巷道注漿加固設(shè)計與實踐［J］.煤礦開采，2012，17（6）:56-58.

［6］馬 冰.化學(xué)注漿加固技術(shù)在酸刺溝煤礦的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2013（7）:110-115.

［責(zé)任編輯：林 健］

Application of Grouting Technology for Broken Surrounding Rock Maintain in Dismantling Tunnel

SU Bo1，2
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Institute of Mining，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China）

Some problems appeared as 6up105 working face mining advanced to the main dismantling tunnel about 1-2m in Suancigou coal mine，which is about large area fall appeared in coal wall at transfixion side，roof fall totally，large area of working face roof appeared pressure，some supports were pressured，and then dismantling tunnel of 6up107 working face was reinforced by high-molecular polymer grouting material（GRT-101）.According test of grouting diffuse diameter，coring results，surrounding rock strength，peeping results and mining results，the results showed that the reinforcement scheme could keep roof and coal wall stability，roof fall and wall caving were prohibited during working face closure mining.

grouting reinforcement；dismantling tunnel；surrounding rock；grouting result

TD353.8

A

1006-6225（2016）04-0069-04

2016-03-02

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.018

國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項目（U1261211）；中國煤炭科工集團重點項目（2014ZD001）

蘇 波（1980-），男，山西長治人，工程師，碩士，從事巷道支護及相關(guān)研究工作。

［引用格式］蘇 波.注漿加固技術(shù)在回撤通道破碎圍巖維護中的應(yīng)用［J］.煤礦開采，2016，21（4）：69-72.