过复杂导水构造带顶板超前注浆加固技术研究与应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.019过复杂导水构造带顶板超前注浆加固技术研究与应用（河南能源集团贵州豫能投资有限公司安顺煤矿，贵州 安顺 561000）摘要 基于煤矿采掘工作面在遇到顶板破碎、应力集中、构造发育等复杂地质条件时，能够采取有效措施进行防范加固，提出了“钻孔注浆加固”的方案构想，根据不同注浆材料的特性进行甄别选择，采用有机-无机复合材料进行注浆，并对浆液扩散半径、钻孔参数设计、注浆量与压力值设定、效果评价等进行了全面考证分析，取得了较好应用效果。关键词 煤矿；注浆材料；顶板加固；封孔工艺中图分类号TD353文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0061蛳 030引言煤矿采掘活动中会受到复杂地质条件的限制影响。当巷道掘进或者采面回采到地质构造带，如断层、褶曲、陷落柱、火烧区等区域时，在周期来压的较大应力作用下，极易发生冒顶事故和瓦斯积聚超限事故。在应力较小的情况下，也会造成顶板下沉变形，呈现离层网兜；若断层与含水层裂隙导通，还会形成顶板淋水，增大巷道突水引发淹巷的风险咱员原圆暂。因此，通过探索顶板施工钻孔进行注浆加固的技术应用，对解决巷道的顶板隐患风险、提高作业安全性具有重要意义。1工程概况安顺煤矿四采区轨道下山位于矿井西翼，地表埋深 470590 m，为采区开拓大巷。巷道采用综掘工艺施工，掘进层位选择为泥质粉砂岩，顶板上覆两层煤，分别为 M8 煤层、M9 煤层，层间距岩柱厚度分别为 M9 煤层-轨道下山顶板 16.71 m，M8-M9煤层间距 14.59 m。经勘探掘进期间巷道前方预计揭露 7 条落差 1.54.2 m 的断层，且巷道北翼紧邻矿井采区边界落差 6070 m 的 F4 大断层。受断层影响，可能存在较多伴生构造。安顺煤矿水文地质类型划分为中等，四采区轨道下山经过瞬变电磁物探查明存在多处低阻富水异常区域。说明巷道顶板存在一定数量的含水层，在掘进期间经常发现打设锚杆、锚索后有淋水现象，导致锚固药卷无法有效膨胀，支护强度明显下降，离层片帮增多，造成较大安全隐患。2注浆材料选配调制为了有效解决巷道顶板淋水和裂隙离层现象，采取实施顶板注浆加固的措施。目前常用的注浆材料根据其成分主要分 3 个种类，即无机型材料、有机型材料、有机-无机复合材料。无机型注浆材料常见的有水泥浆、黏土浆、水泥-黏土浆和水泥-水玻璃双液浆等。这些原材料均可就地取材，制作成本低，来源较广，具有凝固后强度大、耐久性和抗腐蚀性强等优点。但也存在浆液颗粒不均匀、易沉淀、凝结时间长、扩散半径小、遇水后容易稀释等缺点，不能达到预期浆液配比浓度要求，且沉淀凝固后会出现上层为水、下层为固体的解析现象，不能实现理想的注浆效果。有机型注浆材料是在天然无机材料基础上添加人工合成物，如丙烯酰胺、聚氨酯、脲醛树脂、酚醛树脂等类型的聚合物，具有快速沉淀凝固、高渗透性、高强度、浆液混合均匀细腻、可充填毛细裂隙等优点咱猿暂。但因其具有化学成分，遇水搅拌后产生化学放热反应，也存在不易储存、容易受潮板结、制浆产生高温高热、有一定的刺鼻气味产生等缺陷。针对有机型和无机型 2 种材料的各自优缺点，筛选出了具有更强结构特点的有机-无机型混合材料，其性能指标参数如表 1 所示。表 1复合注浆材料性能指标参数该混合材料利用天然无机材料广泛取样加工序号项目A 组B 组1外观无色、浅灰色液态棕褐色液态2分散粘度/（MPa s）1503002003003密度/（g/cm3）1.321.451.111.324闪点/不可燃2005反应时间/s30200302006最高反应温度/907膨胀量/倍1.01.58抗压强度/MPa459抗拉强度/MPa1510粘结强度/MPa3能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4612023 年 8 月Aug.,2023文松松，等过复杂导水构造带顶板超前注浆加固技术研究与应用的特点，降低了生产成本。同时混合有机材料的添加物，可降低化学反应时的浆液温度，避免人员被腐蚀灼伤，更适用于现场施工钻孔后，对围岩裂隙进行壁后注浆，起到快速封堵加固的效果咱源暂。经过市场筛选，选定 SCPJG-2 型矿用复合注浆材料进行试验。3钻孔预注浆方案设计3.1扩散半径设定考虑到使用复合材料的注浆浆液粘稠度与流动性，结合钻孔施工间距和现场条件的限制影响，四采区轨道下山选择掘进层位又是在泥质粉砂岩层中。该岩层裂隙发育不完全，含水层呈现局部富水、水压水量小、易于疏干等特点，但遇水后岩层易风化侵蚀、产生离层片帮等现象，诱导节理发育，加上地应力作用，严重影响注浆后凝固期间的浆液稳定性和凝固强度。因此，为了确保注浆效果达标，经过综合考虑及现场清水耐压试验，设定浆液扩散半径理论值为 1.5 m。3.2注浆量计算判断钻孔注浆效果好坏，以及岩层裂隙的发育程度如何，最直观的观测方法就是单个钻孔的注浆量，也叫孔内裂隙容浆量，其计算方法如下：单孔注浆量计算公式如式（1）所示：（1）区域注浆总量公式如式（2）所示：Q0=NQ（2）式中：Q 为单孔注浆量，m3；Q0为区域注浆总量，m3；姿 为浆液流失系数，取值 1.11.3；R 为浆液扩散半径，m；H 为注浆孔孔深，m；浊 为孔隙率，取0.5%3%；茁 为空间充填有效系数，取 0.9；m 为结石凝固率，%；N 为钻孔个数，个咱缘暂。根据四采区轨道下山地质条件和注浆钻孔设计参数，将扩散半径 1.5 m、注浆钻孔孔深 6 m、孔隙1.5%、浆液流失 1.1、结实凝固率 100%代入式（1）计算，得到单孔注浆量为 0.63 m3。选用的 SCPJG-2 型复合注浆材料密度 为1 200 kg/m3，单孔注浆量为 0.63 m3，需用注浆复合材料 760 kg。根据注浆泵的实际能力，为避免注浆过量造成串浆、漏浆，影响注浆质量，每循环按照设计只对 3 个钻孔实施注浆，合计注浆量为 2 280 kg，平均浆液量为 380 kg/m。3.3注浆压力设定根据对四采区轨道下山安装顶板离层仪及矿压监测的采集数据分析，巷道以承受的水平地应力为主，强度也较大，达到了 3638 MPa；垂直应力较小，数值为 15.618 MPa。水平应力为垂直应力的1.62.1 倍。结合水平应力沿煤岩层倾斜赋存方向上的剪应力夹角约为 70毅，选取水平应力为垂直应力的两倍关系计算，则水平应力沿巷道垂线剪应力分量达到 21.6 MPa，垂直应力达 14 MPa。为了满足注浆质量与注浆量的保障，且介于计算的安全压力区间，故设定注浆压力的合理区间为 1419 MPa。3.4钻孔综合设计为了最大限度地争取巷道掘进与打钻注浆的平行作业，减小相互之间的时间、工序影响，设计巷道正前掘进期间，钻机在后巷顶帮施工钻孔，在掘进到位顶板支护完成后，利用检修班或者交接班时间开展钻孔注浆工作。每排施工 3 个注浆钻孔，分别控制巷道正前和左右两个肩窝，孔深设计 6 m，孔间距为 2 m，排距为 4 m，钻孔左右偏角为与帮部平行夹角 15毅，倾角为与水平方向夹角 15毅，钻孔选用准42 mm 钻头开孔打设咱6暂。注浆钻孔设计如图 1 所示。（a）钻孔平面（b）1-1 剖面（c）2-2 剖面图 1注浆钻孔设计4注浆工艺流程与劳动组织钻孔注浆需要按照一定的工艺流程开展制浆、注浆和支护工作，以保证施工安全。工艺流程如图Q=姿仔R2H浊茁m2 0002 000 1 0005005 500钻孔112215毅15毅正头正头钻孔1 000500 2 0002 0004 000正头622023 年 8 月Aug.,20232 所示。图 2钻孔注浆工艺流程4.1工序组织（1）注浆时间应尽量控制在检修或者交接班时间，实现平行作业，原则上不超过 3 h。每循环注浆3 个钻孔，可单孔注浆，也可连接三通实现同时注浆。（2）钻孔施工结束后可将封孔装置直接安装连接到位，搅拌制浆至设计比重后即可实施注浆，减少中间环节的时间影响。（3）为了有序组织各工序同步进行，需要安排至少 56 人协同作业，主要负责制浆、封孔、材料运输、注浆泵清洗、参数记录、静置观察等现场指导工作。4.2标准流程（1）为了增加注浆量，便于浆液扩散，在孔底端部使用 1 节长 1 m 的花管，利用接箍依次连接 3 根DN15 注浆钢管，每根长度 1 m，总封孔深度 4 m，在中部安装封孔器，防止浆液外溢跑浆。注浆管安装结构如图 3 所示。图 3注浆封孔器结构（2）将 SCPJG-2 型复合注浆材料按照 11 配比搅拌制浆，采用高压方式向孔内注浆。根据实际进浆量，控制最大注浆压力不超过 5 MPa，停泵间隙时长小于 30 s，防止管路内的浆液沉淀凝固，造成升压结束的假象。（3）注浆期间要安排专人负责看护孔口返浆情况和管路连接安全状况，严格控制注浆压力，避免高压导致管路破裂、浆液喷溅伤人。（4）若在注浆期间压力表长时间不升压，且孔壁周边有浆液渗出，说明孔内裂隙发育，容浆量过大，浆液浓度配比不足，不能对大空间裂隙有效充填，可加大浆液比重，采用间歇性注浆方式。但停泵期间要及时采用清水冲洗管路，避免堵塞凝固，待压力表升压后，达到封孔要求即可停泵，完成钻孔注浆。5注浆效果分析评价5.1取芯观察对注浆段顶板加固后，使用钻机对该段岩石进行取芯，发现岩心样本整体完整性较好，但管状样本周边有明显裂隙被水泥浆充填后凝固的痕迹。说明注浆材料的粘合作用较好，且巷道原淋水区域经过注浆后，未再发现滴淋水现象，对裂隙的充填、含水层阻隔也起到了一定的效果。5.2工程质量的提升注浆加固前，巷道掘进经常出现片帮、离层安全隐患，又因导通部分含水层，锚固锚杆、锚索时药卷起效速度慢，导致顶板悬顶作用失效，需要补打锚杆、锚索进行补强支护。支护材料的实际投入量是设计用量的 1.31.4 倍。经过注浆加固后，成型质量显著提高，超挖冒顶现象也大幅下降，而且人工成本和材料投入成本也得到了管控。5.3单进效率的提升变更加固方案前，巷道掘进效率受限，且需要投入大量人力、物力和时间开展加固性维护，无法按照正规循环实行掘进作业。注浆加固后，通过采取平行作业方式，综掘机单进效率由 4 m/d 增加至5.6 m/d，每月可增加进尺 48 m。6结论对于顶板破碎、应力集中的巷道掘进，可通过采用钻孔注浆加固的方式改善作业条件。利用浆液粘结性强、凝固强度大、可快速反应、比重可调可控、流动性好、易于充填渗透等综合优势，对于顶板裂隙充填加固具有普适性，改善了巷道的安全支护条件，经过实践效果验证，在矿井采掘活动中具有推广应用价值。参考文献1 赵海生.掘进巷道破碎顶板注浆加固技术应用 J.山西化工，2021（4）：181-182.2 秦泽.复采工作面回采巷道顶板注浆加固技术研究与应用 J.山东煤炭科技，2021（12）：78-80.3 晁先进.回采工作面破碎顶板注浆加固技术及应用 J.煤炭科技，2020（5）：78-79.4 崔瑞军.综采工作面过断层破碎区顶板注浆加固技术研究 J.山西化工，2022（4）：96-97.5 王中州.综放工作面过断层构造带注浆加固技术应用 J.能源与环保，2020（11）：165-169.6 齐首靖.掘进巷道过地质构造带超前注浆加固技术研究 J.煤，2021（9）：54-55.作者简介文松松（1995-），男，助理工程师，毕业于六盘水师范学院地质工程专业，主要从事矿井安全技术管理工作。收稿日期：2022-11-28施工钻孔连接管路开泵注浆施工准备下一循环掘进支护整理记录清洗设备孔口注浆管（2 m）封孔器花管（1 m）孔内注浆管（1 m）能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.463