礦井?dāng)鄬尤毕莼瘜W(xué)注漿加固處理技術(shù)

礦井?dāng)鄬尤毕莼瘜W(xué)注漿加固處理技術(shù)杜志龍.1，張良. 2，楊猛.1
（1. 杭州國(guó)電大壩安全工程有限公司，2. 同煤集團(tuán)雁崖礦）　　摘要：運(yùn)用化學(xué)注漿新技術(shù)對(duì)同煤集團(tuán)雁崖礦416盤區(qū)14－3工作面斷層缺陷進(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，其能更有效加固頂板，為架設(shè)永久支護(hù)節(jié)約了時(shí)間和空間，且施工工藝簡(jiǎn)便，為煤礦工程取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
　　關(guān)鍵詞：新型注漿材料；粘結(jié)頂板；注漿

　　同煤集團(tuán)雁崖礦是一座開采時(shí)間超過40年以上的老礦井，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(gè)礦區(qū)內(nèi)煤炭?jī)?chǔ)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(duì)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(duì)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)。針對(duì)這一情況，在我們多年化學(xué)灌漿研究工作的指導(dǎo)下，發(fā)展了一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)、有保障的頂板加固方法。2009年7月，在過斷層期間，采用杭州國(guó)電大壩安全工程有限公司的化學(xué)注漿新技術(shù)，對(duì)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 2009年7月中旬，在416盤區(qū)14－3巷，距采煤工作面380m處，遇到兩條斜斷層[1]，斷層范圍內(nèi)地質(zhì)情況：頂?shù)装逯饕獮榛鸪蓭r，煤層深度約距地表800米，煤層厚度約3米，煤巖整體性較差，裂隙較發(fā)育。該斷層與巷道夾角約60度，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，縮小工作循環(huán)進(jìn)尺（每班架一棚，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(shí)，安全威脅較大。為了有效避免幫頂大面積跨落，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(duì)該斷層區(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(gè)世紀(jì)的歷史，一般主要用于水電大壩工程、交通隧洞等大型工程中，近年來，隨著國(guó)家對(duì)煤礦開采安全的重視，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。注化學(xué)漿在煤礦中應(yīng)用是一種比較新穎的化學(xué)加固方法，它是一種雙組分產(chǎn)品，入煤巖層幾秒鐘后，兩種組分即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，漿液遇水開始膨脹，對(duì)圍巖松動(dòng)裂隙進(jìn)行充填，對(duì)破碎松散體進(jìn)行粘結(jié)，最后固化成一種剛性塑料，從而使整個(gè)松散體成為一個(gè)堅(jiān)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(shí)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(guó)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(粘度、膠凝時(shí)間、聚合特點(diǎn)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(xiàng)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(diǎn)，在煤礦井下可以安全使用。不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明，HK-9101聚氨酯化學(xué)灌漿材料的滲透性、膠凝時(shí)間可以通過改變漿液濃度進(jìn)行有效控制，在對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性能不產(chǎn)生較大影響情況下，這樣使?jié){液的應(yīng)用范圍具有很大的擴(kuò)展性，井下應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)具體地質(zhì)條件和工程應(yīng)用目的進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間。 2.3HK-9101化學(xué)注漿材料簡(jiǎn)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(diǎn)。干混凝土面4hr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(shí)該漿液遇水后能膨脹并封堵裂隙，因此也能起到較好的堵水作用。該產(chǎn)品為雙組份獨(dú)立包裝，無需現(xiàn)場(chǎng)稱量配漿等繁瑣工藝，使用時(shí)只要將A組分和B組分以1﹕1（體積比）通過氣動(dòng)雙液注漿泵自動(dòng)混合后，即可進(jìn)行灌漿。該化學(xué)材料被注射進(jìn)地層后，低粘度的混合物能保持液體狀態(tài)幾秒鐘，該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，最終有效地加固裂隙周圍的松動(dòng)巖體，使之成為一個(gè)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注漿材料粘度低，滲透性能好，可灌入細(xì)微裂隙中；通過調(diào)節(jié)加速劑可以控制反應(yīng)速度，達(dá)到預(yù)期效果；材料遇水會(huì)發(fā)生膨脹，具有二次擴(kuò)散作用，堵水效率高；反應(yīng)生成的凝膠體具有很高的力學(xué)性能，從而達(dá)到加固煤(巖)層的目的；漿液無溶劑，無刺激性氣味，在礦井等通風(fēng)不良的場(chǎng)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(yàn)，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4~8 m。詳細(xì)閱讀相關(guān)地質(zhì)資料，根據(jù)資料，在斷層區(qū)域布孔，布孔時(shí)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(gè)注漿孔，孔間距約4～8米，孔仰角30度。注漿孔斜穿過斷層，孔內(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(xiǎn)情，根據(jù)煤巖性質(zhì)，確定注漿壓力為5-8Mpa。注漿時(shí)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)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(dòng)注漿泵，采用雙液注漿系統(tǒng)。設(shè)備布置如圖2所示。

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?！　?BR>　　每孔注漿量可根據(jù)注漿壓力確定，施工時(shí)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(shí)，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(gè)注漿，施工中收集的注漿數(shù)據(jù)見下表。