王 進(jìn)

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

煤礦斜井在施工到末段平巷井底車(chē)場(chǎng)時(shí)，尤其是井底車(chē)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，為確保巷道穩(wěn)定性，通常會(huì)采用砌碹技術(shù)進(jìn)行支護(hù)。隨著使用時(shí)間的增加，砌碹巷道同樣會(huì)出現(xiàn)圍巖石破碎、巷道變形、底鼓嚴(yán)重的現(xiàn)象，需要定期進(jìn)行臥底清挖，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)道軌進(jìn)行修整校正，因此嚴(yán)重制約了井底調(diào)度效率。當(dāng)井底車(chē)場(chǎng)所處圍巖層位埋深較淺時(shí)，在雨季豐水期，地面降雨會(huì)滲透進(jìn)入車(chē)場(chǎng)圍巖裂隙，造成滲漏現(xiàn)象。巖石經(jīng)過(guò)雨水長(zhǎng)期浸泡，又會(huì)加劇開(kāi)裂碎脹，進(jìn)一步加重了巷道的變形程度[1-2]。因此，為解決這一問(wèn)題，通過(guò)向砌碹巷道頂?shù)装鍘r層施工鉆孔，注入復(fù)合型改良注漿材料，將破碎巖石重新粘結(jié)在一起，以便提高圍巖抗壓強(qiáng)度和完整性，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 井底車(chē)場(chǎng)工程概況

致新煤業(yè)有限公司位于貴州省安順市，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能為60萬(wàn)t/a，屬于煤與瓦斯突出礦井。井筒采用斜井開(kāi)拓方式，設(shè)置有中央風(fēng)井(地面標(biāo)高 +1428 m)、主斜井(地面標(biāo)高 +1415 m)、副斜井(地面標(biāo)高 + 1415m)，位于地面工業(yè)廣場(chǎng)南翼。其中，中央風(fēng)井以-23°施工；主斜井以-16°坡度施工，安裝有DTL100/553×280S強(qiáng)力輸送皮帶，用于礦井煤流系統(tǒng)提升運(yùn)輸，在巷道一側(cè)安裝有斜巷猴車(chē)，用于行人上下井；副斜井以-23°施工，主要用于運(yùn)輸提料，大型設(shè)備和礦用支架的提升等。井底車(chē)場(chǎng)水平標(biāo)高為 +1145 m，車(chē)場(chǎng)巷道埋深為 270 m。由于礦井地處喀斯特地貌山區(qū)，雨季期間雨水滲透侵蝕，造成巷道變形嚴(yán)重，變形段主要集中在如圖1所示的A-B段巷道，長(zhǎng)度為 85 m。

巷道變形原因分析：①巷道施工選擇層位問(wèn)題。井底車(chē)場(chǎng)布置在距離地表埋深 270 m 位置，距離主采M9煤層頂板垂高 12 m，距離M8煤層底板不足 7 m，且煤層頂板存在弱含水層，局部富水。雖然滲流量不大，但長(zhǎng)期對(duì)車(chē)場(chǎng)巷道周邊圍巖侵蝕，影響原巖穩(wěn)定性。②巷道砌碹加固后，原巖應(yīng)力被打破，處于新的平衡狀態(tài)。隨著巷道使用時(shí)間的加長(zhǎng)，不同采區(qū)的工作面動(dòng)壓相互疊加，造成井底車(chē)場(chǎng)巷道受力不平衡，出現(xiàn)圍巖結(jié)構(gòu)破壞，降低圍巖強(qiáng)度。③在復(fù)雜應(yīng)力作用下，砌碹巷道結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度下降，圍巖與巷道之間裂隙發(fā)育，影響范圍不斷擴(kuò)大。由于巖石破碎較嚴(yán)重，通過(guò)打設(shè)頂幫錨桿、錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的方案無(wú)法取得實(shí)際效果，致使主動(dòng)支護(hù)失效，加劇巷道的變形。

2 注漿加固支護(hù)方案

2.1 注漿方案制定

采取先施工頂幫鉆孔，后向周?chē)鷰r體進(jìn)行注漿的措施，混合漿液進(jìn)入巖層裂隙當(dāng)中實(shí)現(xiàn)充填加固。由于砌碹結(jié)構(gòu)本身在施工期間是將整塊的固定形狀砌塊進(jìn)行有序拼接澆筑，經(jīng)過(guò)應(yīng)力作用擠壓破壞，原始砌塊也會(huì)產(chǎn)生裂隙，呈現(xiàn)破碎狀態(tài)。在鉆孔內(nèi)進(jìn)行注漿時(shí)，漿液會(huì)滲透進(jìn)入原始砌塊的裂隙中，實(shí)現(xiàn)對(duì)砌塊的修補(bǔ)作用，提高圍巖和砌塊的完整性。當(dāng)巷道周邊所有巖體裂隙被完全充填后，在一定范圍內(nèi)重新膠結(jié)形成新的完整圍巖體。在此基礎(chǔ)上，再次施工錨桿、錨索，可以提高支護(hù)加固的補(bǔ)強(qiáng)效果[3]。經(jīng)過(guò)注漿后，膠結(jié)層對(duì)于頂板弱含水層能夠起到較好的防滲效果，降低雨季期間地面滲透的雨水對(duì)巷道構(gòu)成的侵蝕影響。

2.2 復(fù)合型注漿材料選配

配制注漿材料的原料包括硫鋁酸鹽水泥、石灰和石膏等材料。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)，硫鋁酸鹽水泥∶生石灰∶石膏質(zhì)量配比方案為50∶6.25∶43.75。配制混合漿液前，分別對(duì)硫鋁酸鹽水泥與水以體積比1∶1進(jìn)行攪拌混合，得到A料；生石灰與石膏混合后與水?dāng)嚢?，得到B料，然后在A(yíng)、B料混合過(guò)程中同時(shí)加入催化劑、速凝劑、減水劑等輔助材料，得到新型注漿混合材料。

3 新型注漿材料性能參數(shù)確定

3.1 初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度

對(duì)破碎圍巖注漿的目的是在短時(shí)間內(nèi)提高巖體的完整性和抗壓強(qiáng)度，因此，檢測(cè)注漿后的凝固時(shí)間，以及不同條件下的抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)注漿效果的重要依據(jù)[4]。將水灰比(質(zhì)量比，下同)以從0.5∶1逐漸增加到2.0∶1，對(duì)上述兩項(xiàng)指標(biāo)分別測(cè)定，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制曲線(xiàn)如圖2所示。

(a)初凝時(shí)間影響曲線(xiàn)

由圖2分析可知：當(dāng)水灰比從0.5∶1增加到2∶1時(shí)，水灰比越大，反應(yīng)所需的初凝時(shí)間越長(zhǎng)；在水灰比達(dá)到0.9∶1之后開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn)，初凝時(shí)間迅速升高。圍巖抗壓強(qiáng)度隨水灰比升高而下降，當(dāng)水灰比達(dá)到1.1∶1時(shí)，材料抗壓強(qiáng)度為 10.08 MPa，而初始比 0.5∶1 時(shí)抗壓強(qiáng)度為 17.2 MPa；達(dá)到2∶1時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅有 3.45 MPa。而圍巖的原巖抗壓強(qiáng)度和剪切力強(qiáng)度至少需要滿(mǎn)足 12 MPa 以上，因此，需保證混合漿液水灰比不能大于0.9∶1。

3.2 結(jié)塊的干縮率和泌水率

漿液膠結(jié)后結(jié)塊的干縮率和泌水率指標(biāo)是為確定漿液凝固后水分的析出量，判斷漿液的實(shí)際凝固狀態(tài)。若仍然含有水分，說(shuō)明此時(shí)結(jié)塊尚未達(dá)到強(qiáng)度要求，處于未完全凝固狀態(tài)；若含水量降低，則已完全凝固。同樣，水灰比從2∶1下調(diào)至0.5∶1時(shí)，對(duì)干縮率和泌水率兩項(xiàng)指標(biāo)在漿液靜置凝固 2 h、4 h 條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制曲線(xiàn)如圖3所示。

(a)干縮率影響曲線(xiàn)

由圖3分析可知：隨著水灰比增大，混合漿液干縮率不斷下降，泌水率不斷上升；靜置 4 h 的干縮率明顯高于靜置 2 h 的干縮率，說(shuō)明放置時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)塊含水量越低，強(qiáng)度越好。當(dāng)水灰比達(dá)到0.9∶1時(shí)，漿液泌水率開(kāi)始上升，此時(shí)泌水率為0.34%。泌水率越低，說(shuō)明漿液的穩(wěn)定性越強(qiáng)，能夠達(dá)到要求的注漿效果。

3.3 化學(xué)反應(yīng)放熱影響

注漿材料在混合凝固的過(guò)程中會(huì)發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)，在裂隙充填有限的空間環(huán)境下當(dāng)熱量過(guò)高極易引發(fā)火災(zāi)事故，因此，須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定反應(yīng)的最高溫度，以便合理控制反應(yīng)溫度。采集數(shù)據(jù)繪制曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 不同水灰比條件下反應(yīng)溫度影響曲線(xiàn)

由圖4分析可知：隨著水灰比增大，混合漿液的反應(yīng)溫度不斷下降；在水灰比0.5∶1時(shí)，溫度為 55.7 ℃；水灰比2.0∶1時(shí)，反應(yīng)溫度只有 31.4 ℃。因此，在該配比區(qū)間內(nèi)，不會(huì)引發(fā)因反應(yīng)放熱導(dǎo)致的煤體燃燒事故發(fā)生。

3.4 注漿參數(shù)確定

在 85 m 長(zhǎng)井底車(chē)場(chǎng)變形嚴(yán)重地段巷道頂幫施工注漿鉆孔，孔徑為 Φ42 mm，設(shè)計(jì)孔深 8 m，鉆孔間距設(shè)計(jì) 3 m。在巷道壁后淺層 4 m 范圍采用水灰比 0.8∶1 的混合漿液進(jìn)行注漿，終壓設(shè)定小于 1.5 MPa，避免壓力過(guò)高導(dǎo)致離層和裂隙再次發(fā)育；在4～8 m 孔深區(qū)段采用水灰比0.9∶1的比例，終壓控制在4～4.5 MPa，注漿時(shí)隨時(shí)觀(guān)察巖層注漿量、返漿量和壓力變化。為確保注漿效果和裂隙完全充填，采取分段注漿方法，先對(duì)圍巖 4 m 范圍以?xún)?nèi)深度進(jìn)行注漿，待凝固后再施工鉆孔，對(duì)深部4～8 m 范圍進(jìn)行注漿，為后期補(bǔ)打錨桿、錨索創(chuàng)造基礎(chǔ)。

4 注漿效果應(yīng)用分析

經(jīng)過(guò)對(duì)車(chē)場(chǎng)巷道圍巖裂隙進(jìn)行加固治理，注漿后由于大部分裂隙被充填，有效降低裂隙容水率。通過(guò)施工驗(yàn)證鉆孔向孔內(nèi)注水，對(duì)比注漿前后相同區(qū)段圍巖的容水量大小。以5個(gè)不同區(qū)段范圍為例，驗(yàn)證孔深 5 m，每孔注水 10 min，得到注水結(jié)果如表1所示。

表1 驗(yàn)證鉆孔容水率觀(guān)測(cè)表

經(jīng)過(guò)注水驗(yàn)證：注漿加固后圍巖的隔水率提升89.8%～91.5%，具有顯著的阻隔效果。此外，經(jīng)過(guò)巷道設(shè)點(diǎn)圍巖觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)加固段巷道最大頂?shù)滓平繛?97.1 mm，兩幫水平移近量為 64.3 mm。相較于加固前最嚴(yán)重時(shí)巷道頂?shù)滓平窟_(dá) 674 mm，兩幫移近量達(dá) 425 mm，巷道圍巖控制效果較好。

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)井底車(chē)場(chǎng)巷道的變形原因分析，提出采取圍巖壁后注漿加固的治理措施。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)，確定硫鋁酸鹽水泥∶生石灰∶石膏質(zhì)量配比方案為 50∶6.25∶43.75。

2)通過(guò)對(duì)不同水灰比條件下混合漿液的初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度、干縮率和泌水率，及化學(xué)反應(yīng)溫度等重要指標(biāo)參數(shù)的測(cè)定，選定水灰比0.9∶1。經(jīng)過(guò)注漿加固后，將圍巖隔水率提升89.8%～91.5%，巷道最大頂?shù)滓平繛?97.1 mm，兩幫水平移近量為 64.3 mm，巷道圍巖變形控制取得較好的效果。