杜志龍,張 良,楊 猛

(1.杭州國電大壩安全工程有限公司,浙江杭州 310030;2.大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司,山西大同 037003)

斷層破碎帶化學(xué)注漿加固處理技術(shù)

杜志龍1,張 良2,楊 猛1

(1.杭州國電大壩安全工程有限公司,浙江杭州 310030;2.大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司,山西大同 037003)

Technology of Chem ical Grouting Reinforcement for Fault Cracked Zone

運用化學(xué)注漿新技術(shù)對大同煤礦集團(tuán)雁崖礦 416盤區(qū) 14-3工作面巷道斷層破碎帶進(jìn)行加固處理,該技術(shù)方法采用 HK-9101新型聚合物材料進(jìn)行注漿,與傳統(tǒng)煤礦注漿加固方法相比,能更有效加固頂板,為架設(shè)永久支護(hù)節(jié)約了時間和空間,且施工工藝簡便,為煤礦工程取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

斷層破碎帶;新型注漿材料;粘結(jié)頂板;注漿

大同煤礦集團(tuán)雁崖礦是一座開采時間超過 40a的老礦井,該礦區(qū)位于大同煤盆地的中部,跨大同市南郊區(qū)鴉兒崖鄉(xiāng)及左云縣南深井等地區(qū),整個礦區(qū)內(nèi)煤炭儲量非常豐富,但由于斷層發(fā)育等問題,直接影響了該礦區(qū)煤炭開采產(chǎn)量的提高,對煤礦生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的影響。

在生產(chǎn)過程中,該礦 416盤區(qū) 14-3巷揭露出2條斷層 (H=1.7～2.2m),由于受地應(yīng)力的影響,導(dǎo)致了斷層附近的煤體或巖體破碎和頂板破碎,掉頂嚴(yán)重,引起頂板支護(hù)困難,對煤礦開采安全威脅大,生產(chǎn)月進(jìn)度較低,直接影響了煤礦開采安全與生產(chǎn)。為此,在過斷層期間,采用杭州國電大壩安全工程有限公司的化學(xué)注漿新技術(shù),對該巷道進(jìn)行了超前加固,取得了顯著的加固效果,采煤工作面順利通過該斷層區(qū)域。

1 工程概況

在 416盤區(qū)14-3巷,距采煤工作面 380m處,遇到2條斜斷層[1],斷層范圍內(nèi)地質(zhì)情況:頂?shù)装逯饕獮榛鸪蓭r,埋深約 800m,煤層厚度約 3m,煤巖整體性較差,裂隙較發(fā)育。

該斷層與巷道夾角約 60°,落差近 4m,受此斷層影響,該區(qū)域巷道的煤體頂板破碎嚴(yán)重,整體性較差,雖然采用了打超前樹脂錨桿,縮小循環(huán)進(jìn)尺 (每班架 1棚,進(jìn)尺 0.6m)等方法,但仍然難以控制采煤工作面的片幫冒頂,每次進(jìn)行人工接頂作業(yè)時,安全威脅較大。為了有效避免幫頂大面積垮落,增加安全系數(shù),最終決定引入大壩基礎(chǔ)加固處理技術(shù),采用注化學(xué)漿的加固新技術(shù),對該斷層破碎區(qū)域進(jìn)行超前粘結(jié)加固。

2 注漿加固技術(shù)機(jī)理及注漿材料選擇

2.1 化學(xué)注漿加固技術(shù)機(jī)理

化學(xué)注漿技術(shù)發(fā)展已有近半個世紀(jì)的歷史。近年來,逐步引入到了煤礦開采領(lǐng)域。過去煤礦中加固頂板一般采用機(jī)械方法或者物理方法[2-3],如架棚挑棚、打樹脂錨桿錨索,注水泥漿等方法。

化學(xué)漿液是一種雙組分產(chǎn)品,入煤巖層幾秒鐘后,兩種組分即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),漿液遇水膨脹,對圍巖松動裂隙進(jìn)行充填,對破碎松散體進(jìn)行粘結(jié),最后固化成一種剛性塑料,使整個松散體成為一個堅固的整體,提高了圍巖的整體抗壓承載能力。

2.2 注漿材料選擇

注漿材料選擇次序:水泥漿 >水泥 -水玻璃 >化學(xué)漿,本工程要求膠凝時間短,起強(qiáng)度快,操作方便可控。經(jīng)比選,決定采用由杭州國電大壩安全公司生產(chǎn)的 HK-9101化學(xué)注漿材料。

該漿液在物理性能 (黏度、膠凝時間、聚合特點等)、強(qiáng)度性能 (粘結(jié)強(qiáng)度、固砂強(qiáng)度)及高滲透性等方面均可以滿足該項工程固結(jié)防滲的要求。另一方面,漿液具有穩(wěn)定性較好、無溶劑等特點,在煤礦井下可以安全使用。

不同條件下的試驗結(jié)果表明,HK-9101聚氨酯化學(xué)灌漿材料的滲透性、膠凝時間可以通過改變漿液濃度進(jìn)行有效控制,在對粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性能不產(chǎn)生較大影響情況下,使?jié){液的應(yīng)用范圍具有很大的擴(kuò)展性,井下應(yīng)用時,可根據(jù)具體地質(zhì)條件和工程應(yīng)用目的適當(dāng)調(diào)節(jié)膠凝時間。

2.3 HK-9101化學(xué)注漿材料簡介

HK-9101化學(xué)注漿材料是一種高分子材料產(chǎn)品,該產(chǎn)品具有反應(yīng)速度快、粘結(jié)力強(qiáng)、力學(xué)性能高等特點。干混凝土面 4h后粘結(jié)強(qiáng)度能達(dá)到5MPa,因此,特別適用于煤體、巖體的加固,同時該漿液遇水后能膨脹并封堵裂縫,也能起到較好的堵水作用。該產(chǎn)品為雙組份獨立包裝,無需現(xiàn)場稱量配漿等繁瑣工藝,使用時只要將 A組分和 B組分以 1∶1(體積比)通過氣動雙液注漿泵自動混合后,即可進(jìn)行灌漿。

該化學(xué)材料被注入進(jìn)地層后,低黏度的混合液體能迅速滲透煤巖體內(nèi)的微細(xì)裂縫,并迅速凝固,最終有效地加固裂縫周圍的松動巖體,使之成為一個整體,從而提高了圍巖的整體承載能力,控制巷道頂板的垮落。

HK-9101注漿材料漿液無溶劑,無刺激性氣味,在礦井等通風(fēng)不良的場所施工無不良影響。表1為該產(chǎn)品的基本性能指標(biāo)。

表 1 HK-9101化學(xué)注漿材料性能指標(biāo)

3 化學(xué)注漿加固技術(shù)施工工藝

3.1 漿液擴(kuò)散半徑及注漿孔布置

由于漿液擴(kuò)散半徑受裂隙孔隙影響極大[2],根據(jù)經(jīng)驗,按漿液擴(kuò)散半徑 3m來確定注漿孔距。按此漿液擴(kuò)散半徑,初步確定孔間距范圍 4～8m。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料,在斷層區(qū)域布孔,布孔時盡量斜穿過斷層區(qū)域。鉆孔可使用風(fēng)鉆等設(shè)備,鉆孔孔徑42mm,孔深控制在 8～10m,此次布孔在煤體內(nèi)共布置 11個注漿孔,孔間距約 4～8m,孔仰角30°?？變?nèi)安裝注漿管及封孔器。

3.2 注漿壓力

注漿壓力的大小是注漿工程成敗的關(guān)鍵因素之一。壓力太小,漿液擴(kuò)散半徑小,易產(chǎn)生注漿盲區(qū),影響注漿效果;壓力太大則可能在注漿過程中出現(xiàn)片幫等險情。根據(jù)煤巖性質(zhì),確定注漿壓力為5～8MPa。注漿時達(dá)到預(yù)定壓力即可換孔注漿。

3.3 化學(xué)注漿系統(tǒng)設(shè)備

使用小型多功能氣動注漿泵,采用雙液注漿系統(tǒng)。設(shè)備布置如圖 1所示。

圖1 注漿系統(tǒng)設(shè)備布置

3.4 施工工藝

注漿施工工藝:鉆孔→埋管→安裝封孔器→連接注漿系統(tǒng)→將吸漿管分別插入裝有漿液 A組分和B組分的桶內(nèi)→開泵注漿→注漿完成→沖洗機(jī)具→停泵→拆卸注射槍→結(jié)束。

每孔注漿量可根據(jù)注漿壓力確定,施工時必須嚴(yán)格控制注漿壓力,當(dāng)注漿壓力達(dá)到 5～8MPa或出現(xiàn)大面積漏漿 (漏漿量≈泵的注入量)時,即可換孔注漿或停止注漿。

注漿順序:由下而上順序進(jìn)行。

本次加固巷道 60m,共 11個注漿孔,施工中收集的注漿數(shù)據(jù)見表 2。

表2 各注漿孔注漿量

3.5 工程特殊情況處理方法

在注漿過程中,不可避免地會出現(xiàn)跑漿、竄漿等異常情況。若出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象時,可在跑漿的裂縫中用木楔、棉紗、棉絲等物嵌塞或配合糊堵快速水泥,并作間歇式注漿;當(dāng)跑漿嚴(yán)重時,可改變注漿孔位置并縮短漿液凝膠時間來加以控制;當(dāng)發(fā)生竄漿時,應(yīng)及時關(guān)閉竄漿孔的孔口閥門,注漿孔的注漿量在可能的情況下,應(yīng)加倍注入。如長時間不上壓,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,一般是超擴(kuò)散,應(yīng)首先查明有無漿液流失、泵的吸漿是否正常,根據(jù)地質(zhì)條件資料,鉆孔附近是否有采空區(qū)、大裂縫等。然后,根據(jù)不同情況,采取相應(yīng)的措施。如有漿液流失,應(yīng)及時采取封堵,調(diào)濃漿液縮短凝膠時間、間歇注漿等措施加以控制;如因注漿泵吸漿不正常,則應(yīng)采取措施加以排除;如有采空區(qū)或大裂縫,則應(yīng)縮短凝膠時間,加大漿液注入量。注漿壓力應(yīng)嚴(yán)格控制在煤巖能夠承受的范圍以內(nèi),以避免出現(xiàn)片幫等險情。注漿期間應(yīng)密切觀察周圍情況,發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)及時停泵處理,以防掉塊傷人。

4 結(jié)論

化學(xué)注漿技術(shù),能及時地改變圍巖的松散結(jié)構(gòu),提高巖體的整體強(qiáng)度,從而提高施工速度,保證工作面的正常接替,值得煤礦在過斷層等異常情況時應(yīng)用。此外,在煤炭生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié),如:采煤面的片幫、冒頂?shù)阮愃魄闆r,也可應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行治理。

[1]齊 清,孫兆明,趙 飛 .應(yīng)對中段走向斷層的技術(shù)措施[J].有色金屬,2010(1):8-10.

[2]K.R.薩蒂爾 .錨桿和錨索支護(hù)法—日益廣泛用作快速,安全和低成本的頂板加固法 [J].周書良譯 .美國《工程與采礦雜志》,1992(1):27-31.

[3]張化遠(yuǎn),柳風(fēng)志 .長錨索錨桿聯(lián)合加固采場 [J].化工礦山技術(shù),1989(2):23-25.

[責(zé)任編輯:王興庫]

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1006-6225(2010)06-0061-02

2010-07-01

杜志龍 (1979-),男,浙江嵊州人,工程師,從事化學(xué)灌漿材料應(yīng)用研究。