高原环境下马丽散帷幕深孔注浆在过大断层中的应用

钟长兵，马成福，陈焕中

(青海江仓能源发展有限责任公司，青海西宁810000)

目前，在隧道施工［1］及煤矿行业处理顶板破碎带［2］、综采面煤壁加固［3］、过断层［4－5］等都用到了帷幕注浆施工工艺，并且取得了成功，积累了成熟的施工经验。但是在有“世界第三极”之称的青藏高原特有的低温、低压及有较大冲击地压的断层中进行帷幕注浆可借鉴的经验较少。江仓矿区位于青藏高原，在其四井田的断层带内进行巷道掘进遇到了诸多帷幕深孔注浆难题，其一是如何在高原特有环境及冲击地压较大的断层中实施帷幕注浆施工，其二是如何实现深孔注浆。

1 概况

江仓矿区四井田地处青藏高原东北部祁连山造山带中部，海拔3850m，属于高寒地带。江仓矿区四井田采用斜井开拓，+3670m水平运输石门在砖红色砂岩层中施工。原+3670m运输石门在施工至98m处遇见F8逆断层，发生了大面积冒顶，涌出物主要为煤与水的混合物。在对冒空区处理期间又接连发生了几次冒顶，多次的冒顶致使原+3670m运输石门掘进工作面拱顶处形成了冒落漏斗，极大的安全隐患使得掘进施工被迫中止。经研究决定，作为替代方案在原石门开门处直线掘进+3670m运输石门，见图1。当石门掘进至77m处时，经超前钻探探知在前方25m处又遇到了F8断层 (煤层)。F8断层为逆断层，井田内总体产状为:10～355°∠50～73°，是向斜南翼主干断裂，由东到西长达20km以上，断距约500m。该断层对煤层破坏性很大，通过地质资料和以往施工揭露的资料来看，F8断层带煤质极松软。

图1 +3670m运输石门平面示意

深孔钻探资料及原+3670m运输石门发生冒顶时的迹象表明断层中含有大量的水，在巷道拱顶上方可能存在流塑性的冻融层，地质情况异常复杂;同时，暴露体极易在短时间内水化而迅速失去自稳能力，形成流塑体后坍塌，进而引发拱顶上方的冻融物涌出。因此，要通过此断层带必须采取特殊的方法进行施工，否则，将重蹈原+3670m运输石门过断层时发生的垮塌事故。

2 高原环境下帷幕深孔注浆

为了保证+3670m运输石门安全快速地通过此断层带，经多方研究决定，在+3670m运输石门继续掘进至86m处后停止掘进施工，然后以马丽散材料实施大管棚超前预注浆，一次性地完成对断层带的帷幕深孔预注浆加固施工，以保证后续的掘进施工在一个稳固的加固帷幕圈内顺利进行。

2.1 注浆工艺设计

为便于帷幕预注浆钻孔的施工，首先在掘进工作面做一个预注浆操作硐室，操作硐室长×宽×高分别为7000mm×7000mm×4700mm，然后从施工硐室进行深孔注浆孔的施工。按设计的施工方案，沿石门巷道轮廓线布置2排深孔，第1排注浆孔布置在巷道轮廓线外部300mm处，第2排注浆孔在第1排孔中心线外310mm处，2排注浆孔呈三花眼布置。注浆孔的环向间距为200mm，注浆孔深度为20～25m，如图2所示。

图2 注浆孔设计与布置

2.2 注浆深孔的施工

为了高效快速地进行深孔施工，专门定制了2台100型潜孔钻机。使用直径110mm的钻头，配用50mm高强度中空钻杆。根据设计好的钻孔方位及角度，在中腰线采用全站仪进行放线，每800mm间距放置3条偏中线，并在钻机上做好校准位置。由于钻孔处围岩压力大，且煤质较松软，钻孔易塌孔，为此，将中空钻杆预留在钻孔内做成超前管棚支护。

2.3 深孔帷幕注浆

帷幕注浆加固是利用注浆材料把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，形成强度高，密实性好的帷幕状结构，从而提高围岩的整体稳定性和力学性能。但高原特有的环境以及深孔注浆对注浆材料有特别的性能要求。

25m深钻孔打好后，分别通过钻杆以及放置于钻杆和孔壁之间的注浆管依次进行注浆。如果在放置注浆管的过程中遇到塌孔现象，则借助锚固钻机往孔内推进。按设计要求，注浆管的放置深度不小于8m，放置到位后立即进行封孔和注浆。

2.3.1 注浆材料选择

(1)高原环境对注浆材料反应特性的影响由于施工场所处在高原地区，注浆材料的反应特性会受到的不利影响有:高原低温环境下，一般注浆材料的黏度急剧增加，使得材料的流动性和渗透性大大降低;高海拔地区的气压低，注浆材料反应后的发泡系数比正常情况大，使得材料的抗压、抗拉强度等降低;受高原机械降效的影响，一般注浆设备的注浆压力不能满足深孔注浆的要求。

(2)高原环境及深孔注浆对注浆材料的要求注浆材料需具备的性能有:良好的流动性和较长流动时间;优异的渗透性是实施深孔帷幕注浆成功的关键因素;高海拔低气压下，注浆材料不因发泡倍数增大而导致抗压、抗拉强度显著降低。

(3)针对高原环境所做的注浆材料特性调整针对上述高原特有的环境对注浆材料反应特性的不利影响和深孔注浆对注浆材料的特殊要求，对传统化学注浆材料——马丽散进行了性能的适应性调整，使得改性后的马丽散材料在高原低温环境下也具有良好的流动性和较长流动时间、优异的渗透性和对高海拔低气压的适应性等。

通过大量的实验室和现场试验以及材料性能调整，使改性马丽散在零度左右开始反应时间延长到了7～10min，具有较好的渗透性，并且其强度及粘结强度较正常温度时无明显降低，详见表1。

表1 不同温度时改性马丽散材料的反应特性

2.3.2 高原环境下帷幕注浆采取的其他施工措施

(1)控制环境温度 高原低温增加马丽散浆液的黏度、降低其渗透性。为此，设置井口热风炉使施工环境温度控制在5℃左右，这样可保证马丽散浆液拥有良好的渗透性，能够顺利地沿深孔扩散并注入围岩的裂隙中。

(2)保证注浆压力 受高原低压的影响，气动注浆泵的工作压力不能正常控制。为此，在井下距离施工现场60m处设置1台高压储气罐，保证供风压力在0.5MPa以上，而泵的输出注浆压力可达到8MPa。强劲的泵压也能帮助浆液沿断层带深孔周边岩体裂隙扩散和渗透。

(3)保证注浆量和注浆时间 由于低压、低温下马丽散深孔注浆加固在国内并无先例，尽管事前做出了详细的施工方案，但仍然需要通过前两个孔的注浆施工来摸索和确定注浆压力、渗透半径和注浆量等参数。为保证注浆效果，使浆液能在深孔周边最大限度地均匀扩散，注浆过程中每个注浆孔的注浆压力在达到10～12 MPa后仍要维持注浆10min左右，直到浆液无法再注入时才停止。

(4)超长封孔 由于深孔注浆的注浆压力大，注浆时的封孔长度设定为3m，封孔材料为棉纱加马丽散材料。因低温时马丽散材料反应比较慢，规定封孔后15～20min后才开始注浆操作。

(5)快速封孔 每钻好一个孔后，在最短时间内完成封孔并马上开始注浆，以防止断层带中的泥砂水从钻孔中大量流出而破坏断层带的整体稳定性，这是本施工中的一个关键点。

(6)高压风防钻杆堵塞 为避免深孔钻孔时高强度中空钻杆发生堵塞，高压风必须在钻孔过程中保持常通。

3 马丽散帷幕深孔注浆在断层煤岩体中的效果

整个深孔帷幕注浆施工过程持续约21d，共施工65个钻孔，平均每孔注浆量300kg左右，共使用注浆材料约20t。在完成深孔帷幕注浆加固后继续开始+3670m运输石门的掘进，为了最大程度地减小外力对加固帷幕造成影响，掘进过程中施工队采取风镐掘进模式，遵循多循环、少进尺和及时支护的方针，确保安全顺利通过F8断层带。

在巷道掘进进入F8断层范围内以后，显示加固圈内顶板及两帮岩体完整，能看到渗透入围岩裂隙中固化后的马丽散材料，其固化物具有很高的强度和韧性。由于深孔帷幕注浆成功形成了结实的加固保护圈，最终+3670m运输石门顺利通过F8断层带，整个过程中未发生顶板冒落、涌水等现象。

4 结论

由于F8断层带地处低温、低压的高原地带，且具有煤质松软、涌水大、压力大等特点，而且施工方案采取的是一次性深孔帷幕注浆加固，孔深达25m，传统注浆材料的流动性和流动时间、渗透性、力学性能以及注浆过程等都受到了影响和挑战;本项目通过调整马丽散化学注浆材料的反应时间特性、渗透性和力学特性来适应高原低温、低压条件下的超深孔注浆要求，并辅以增温、保风压等施工措施，确保了改性马丽散注浆材料在应用于流塑性冻融层中的加固效果，使得+3670m运输石门安全、顺利而快捷地通过了F8断层带，实现了高原特殊条件下和复杂地质条件下的一次性超长帷幕注浆加固的成功，取得了很好的经济效益和社会效益，也为同类条件的矿山提供了借鉴。

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