韓國(guó)將

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 陽(yáng)城大西煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000)

1 工程研究背景

地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤巖體內(nèi)產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而改變了巖體圍巖的應(yīng)力環(huán)境，尤其是斷層運(yùn)動(dòng)，使煤巖體發(fā)生上下盤位置的錯(cuò)動(dòng)，在巖體內(nèi)部形成較大的結(jié)構(gòu)面，致使周圍煤巖體破碎，進(jìn)而降低了煤巖體的穩(wěn)定性[1-3].

大西礦3016綜采工作面巷道采用“U”型布置方式，整個(gè)工作面呈東西布置，工作面整體走向長(zhǎng)度約為710 m，一次性采全高度約為3.8 m，日進(jìn)尺約0.63 m. 根據(jù)3016回采工作面物探報(bào)告結(jié)果及抽放鉆孔遇巖情況綜合分析可知，工作面存在一個(gè)異常區(qū)域，位于工作面運(yùn)輸順槽460～490 m. 進(jìn)一步探測(cè)可知，工作面存在FY1正斷層，東西方向長(zhǎng)度25～35 m. 如果不對(duì)該區(qū)域進(jìn)行處理，在工作面進(jìn)入斷層影響范圍內(nèi)后，容易因煤體破碎而引發(fā)大面積冒頂或滲水等現(xiàn)象引起安全事故。

為了避免安全事故的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，必須提高斷層范圍內(nèi)煤巖體的強(qiáng)度,而注漿加固技術(shù)是目前有效提高煤體強(qiáng)度[4-8]、經(jīng)濟(jì)快捷的方案。因此，計(jì)劃在斷層區(qū)域及前后方共70 m范圍內(nèi)展開深孔注漿加固，提高煤體完整性，防止片幫冒頂?shù)仁鹿?。工作面及注漿區(qū)域見圖1.

圖1 3016工作面布置及注漿區(qū)域圖

2 深孔注漿材料

良好性能的深孔注漿材料是保證注漿加固效果的關(guān)鍵。以硅酸鹽52.5級(jí)水泥為基料，加入石灰、石膏及復(fù)合添加劑，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合添加劑的摻量和試驗(yàn)不同水灰比材料的強(qiáng)度，來(lái)確定工程所需注漿材料的具體參數(shù)。

2.1 復(fù)合添加劑摻量分析

為了分析復(fù)合添加劑摻量對(duì)深孔注漿材料強(qiáng)度的影響，固定試驗(yàn)中注漿材料所用水灰比為0.6∶1，分別檢測(cè)不同摻量添加劑的注漿材料強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表1.

由表1可知，復(fù)合添加劑摻量增大對(duì)注漿材料的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)有著促進(jìn)作用，對(duì)材料最終強(qiáng)度影響不大，但由于深孔注漿材料需要強(qiáng)度快速增長(zhǎng)的屬性，故而應(yīng)適當(dāng)加入復(fù)合添加劑。當(dāng)摻量大于2%后，材料早期強(qiáng)度幾乎不變，因此確定復(fù)合添加劑的摻量為2%.

表1 不同摻量添加劑對(duì)注漿材料強(qiáng)度的影響表

2.2 水灰比對(duì)注漿材料強(qiáng)度的影響

確定復(fù)合添加劑的摻量后，采用DYE-300型抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水灰比,從(0.5∶1)～(0.8∶1)的5種注漿材料試樣不同齡期的單軸抗壓強(qiáng)度，分別是1 d、3 d、7 d,結(jié)果見表2.

表2 不同水灰比對(duì)注漿材料強(qiáng)度的影響表

由表2可知，水灰比增大后注漿材料強(qiáng)度減小。而在水灰比為(0.6∶1)～(0.7∶1)內(nèi)的材料強(qiáng)度變化幅度最小且強(qiáng)度較高，故而深孔注漿材料水灰比應(yīng)選擇在該范圍內(nèi)。

為了保證注漿效果，應(yīng)該選擇強(qiáng)度較高的注漿材料，因此選擇0.6∶1作為深孔注漿材料的水灰比，材料1 d單軸抗壓強(qiáng)度約為18.3 MPa，3 d強(qiáng)度約21.6 MPa，7 d強(qiáng)度約為27.1 MPa，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需求。

3 注漿加固方案及工藝

3.1 注漿鉆孔布置

合理的注漿加固區(qū)域設(shè)計(jì)能夠使?jié){液和煤巖體有效膠結(jié)，加固含構(gòu)造地質(zhì)范圍破碎煤體，提高其穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和注漿范圍，鉆孔設(shè)計(jì)從30161巷的440 m處開始施工。鉆孔呈三花眼布置，在70 m范圍內(nèi)共計(jì)施工鉆孔30個(gè)，見圖2. 下排注漿孔距離底板1 m，垂直于煤壁，上排注漿孔與下排注漿空的排距為1.5 m，注漿仰角為3°，鉆孔的間距均為5 m.

圖2 30161巷中試驗(yàn)鉆孔布置圖

3.2 注漿系統(tǒng)及施工工藝

1) 注漿系統(tǒng)及設(shè)備。

深孔注漿系統(tǒng)主要由注漿泵、攪拌桶、稱漿桶和若干管件及連接裝置組成，示意圖見圖3.

圖3 注漿系統(tǒng)示意圖

人工將粉料和水倒入氣動(dòng)攪拌桶中混合，隨后由吸漿管將漿液儲(chǔ)存在盛漿桶中，由液壓泵將漿液輸送至煤體。

深孔注漿所用注漿泵的型號(hào)為ZBY230/25-56，產(chǎn)自鎮(zhèn)江。該注漿泵的最大流量為230 L/min，最大注漿壓力可達(dá)25 MPa，能夠隨著壓力改變自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，可以科學(xué)有效地控制注漿材料的水灰比。攪拌桶為QB230的礦用攪拌桶，該設(shè)備輕便高效，移動(dòng)快捷。

2) 現(xiàn)場(chǎng)施工方法。

現(xiàn)場(chǎng)注漿效果與施工工藝有緊密的聯(lián)系，注漿施工應(yīng)注意：

a) 注漿前檢查管路，檢查設(shè)備是否運(yùn)行正常，由于注漿材料凝固較快，需要提前清理管路，防止部分管路阻塞而堵塞注漿管路。

b) 是否控制好注漿材料的水灰比是影響注漿效果的關(guān)鍵。施工時(shí)需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的材料配比加入水和粉料攪拌，先加入水，后加入粉料。攪拌足夠均勻后，打開注漿泵開始注漿。注漿壓力一般控制在注漿泵的注漿壓力上限，即25 MPa，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤壁有漏漿現(xiàn)象時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)小，當(dāng)注漿泵停止泵送，表明此孔注滿。

c) 注漿過(guò)程中需要對(duì)注漿鉆孔附近的煤壁進(jìn)行觀察，當(dāng)出現(xiàn)漏漿時(shí)調(diào)小注漿壓力，該現(xiàn)象停止后增大注漿壓力，若反復(fù)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，而且間歇時(shí)間較短，應(yīng)當(dāng)停止注漿，檢查管路內(nèi)是否有漿液凝固而阻塞注漿管路。

d) 雙液注漿材料的單一組分穩(wěn)定，短時(shí)間不會(huì)發(fā)生凝固，但存放時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。使用完畢后及時(shí)處理剩余漿液，并用清水沖洗管路、攪拌桶、閥門等部件，防止材料發(fā)生沉積。

4 注漿加固效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)注漿加固效果，在15#、17#以及6#、8#注漿孔附近區(qū)域展開鉆孔窺視。鉆孔窺視儀器采用KDVJ-400礦用鉆孔電子窺視儀，直徑35 mm，長(zhǎng)270 mm，可左右360°旋轉(zhuǎn)，焦聚可調(diào)，監(jiān)視器圖像可左右上下?lián)Q位。選擇其中一個(gè)窺視結(jié)果展開分析，通過(guò)對(duì)比鉆孔不同深度處的圖像，分析注漿加固的效果，窺視結(jié)果見圖4.

圖4 注漿后鉆孔窺視結(jié)果圖

由圖4可知，鉆孔0-50 m注漿加固效果良好。整體鉆孔內(nèi)壁光滑，漿液填滿鉆孔中的裂隙。從鉆孔20 m處可知，淺部的漿液較少，但沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的裂隙，表明斷面構(gòu)造區(qū)域影響的主要部分在深處。隨著深度增大，孔壁內(nèi)所見的漿液量逐漸增大，沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的裂隙，表明深孔注漿的漿液與煤體膠結(jié)良好，煤體的完整性得到提高，注漿效果較好。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)注漿效果，在3016工作面回采進(jìn)入斷層影響范圍后，對(duì)工作面煤壁片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在斷層影響邊緣處沒有發(fā)生片幫現(xiàn)象，隨著工作面推進(jìn)，工作面即巷道煤壁開始發(fā)生片幫，片幫深度均在150 mm以內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層，煤壁片幫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，但整體片幫深度在300 mm以內(nèi)，其余過(guò)程中未出現(xiàn)大面積片幫和冒頂現(xiàn)象，表明深孔注漿有效加固了斷層影響下的破碎煤體，提高了煤體的穩(wěn)定性，有效降低了斷層對(duì)工作面順利回采帶來(lái)的不安全因素。

5 結(jié) 論

1) 研發(fā)了深孔雙液注漿材料，通過(guò)不同摻量和不同水灰比材料的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定復(fù)合添加劑摻量為2%，實(shí)際工程中所用材料的水灰比為0.6∶1.

2) 設(shè)計(jì)了深孔注漿的鉆孔布置和注漿工藝，分析了注漿工作流程和實(shí)際施工中的工藝要點(diǎn)。

3) 通過(guò)鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，注漿材料跟煤體膠結(jié)情況良好，煤體的圍巖完整性提高。3016工作面推進(jìn)過(guò)程中，煤壁片幫現(xiàn)象減少，未出現(xiàn)大面積或片幫深度大的安全事故。