煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用

关俊红

(长治市煤矿技术服务中心，山西 长治 046000)

随着我国浅部煤炭资源的枯竭，矿井逐渐向深部发展[1]，水文地质条件复杂、地应力升高和各种动力灾害导致矿井水害以及巷道围岩破碎现象日益增多，不仅影响施工进度、恶化劳动环境、增加支护排水费用，而且给煤矿带来重大安全隐患。注浆是防治水害的主要手段之一，可以显著改善围岩稳定性，尤其是复合注浆在无需破坏原基础结构上，进行原位修复加固，有效提高围岩承载能力以及改善承载结构的受力性能[2-4]。

本文以某矿15102工作面运输巷掘进中遇到顶板淋水为工程背景，通过收集分析淋水地点的水文地质资料，提出采用超前化学预注浆技术对运输巷顶板淋水段进行治理，达到了封堵淋水裂隙、加固薄弱地段及降低突水几率的目的，保障了巷道掘进的顺利进行。

1 工程概况

某矿井田面积为17.687 km2，设计生产能力150万t/a，开采15号煤层，15102工作面埋深234～357 m，煤层倾角3～5°，平均煤厚3.85 m，煤层赋存稳定，容重1.45 t/m3，普氏系数=2～4；直接顶为泥岩，厚度为0.5～2.0 m，黑色，质地较密；老顶为K2灰岩，厚度5.75～8.39 m，深灰色，中厚层状，含生物碎屑、方解石，质地坚硬。回采巷道采用锚网索联合支护方式。在掘进15102工作面运输巷过程中承受15101采空区积水水压，并在680～720 m段穿过复合地质构造带，造成顶板煤岩层位紊乱，巷道负坡度掘；顶板裂隙与老空水导通给巷道顶板补给大量水源，致使巷道掘进至680 m时迎头淋水达到30 m3/h，并有溃水可能。施工环境的不断恶化，给安全生产带来重大隐患，严重影响了掘进进度。为了保障煤矿正常生产，急需解决掘进期间顶板渗水、溃水隐患问题。

2 巷道顶板导水因素

运输巷道揭露地层在完整岩体中形成自由临空面后，应力平衡关系遭到破坏，在围岩的变形、位移、破坏和力的重新分布变化过程中难免会形成掘进空间与充水水源之间的新导水通道或激活原有地质构造，诱发矿山水害。巷道围岩变形破坏主要受以下因素的影响和控制。

1) 围岩的力学性质、组构关系及其产出状态的影响。巷道掘进后，在一定空间范围内围岩形成临空面，在构造应力及上覆地层自重应力的作用下，围岩类似于受力状态下的悬空梁或板，直接顶的岩层受力后必然会发生变形和位移，当这种位移和变形达到一定程度后，便会超过围岩自身的强度极限而使围岩发生垮落、破坏、离层等而形成导水通道。大量观测资料证实，硬岩地层受力后容易发生碎胀和破裂变形，从而形成易于地下水流动的导水通道[5-7]。

2) 围岩地质构造环境的影响。在矩形巷道掘进过程中顶板岩体结构本身强度较低，巷道四个角容易产生应力集中，在应力重新分布过程中应力超过顶板岩层的破坏强度，便会发生剪切破坏，顶板岩层强度处于峰值后应力状态；穿过复合地质构造带应力将可能会超越顶板岩层残余强度，同时承载相邻采空区积水水压，加剧顶板岩层紊乱和破碎程度，顶板裂隙向上发育并相互交叉，为诱发矿山水害埋下隐患。

3) 巷道掘进宽度的影响。巷道的宽度越大，则顶板岩层的弯曲变形量越大。由于顶板泥岩抗弯曲强度小，导致顶板变形量增大，增加岩层破坏、破裂和垮落范围，从而使掘进所诱发的导水断裂范围增加。

3 注浆堵水加固机理

1) 通过对淋水段巷道顶板进行复合注浆，浆液快速将破碎岩体以及渗水孔锚杆、索紧密有力地铰接成整体，并与锚网索联合支护形成共同支护作用，显著改善围岩结构性能和应力分布，减少围岩破坏变形[8]。

2) 通过钻孔注浆后，复合浆可在瞬间凝胶形成固体链接，密闭充填导水裂隙，降低围岩渗透率，隔绝水源，堵漏止水；同时封闭微小孔、裂隙，阻止气体侵入岩石内部，保持围岩的长期稳定性；防止地下水及有毒有害气体渗透到工作面。明显改善施工地点环境和围岩的赋存环境[9-10]。

3) 利用高压泵将复合浆液充填到围岩裂隙中去后，浆液快速凝固的同时改善岩体弱面的力学性质，大幅提高裂隙内部的内聚力和内摩擦角，增大岩体内部发生相对位移的阻力，提高围岩抗破坏的能力以及整体的稳定性，有效避开相邻工作面老空水的威胁[11]。

4 注浆加固治理方案

4.1 注浆方案

1) 为了治理运输巷掘进期间顶板淋水，保证掘进安全。提出两个治理方案：

方案1：疏排积水，水泥注浆。15102运输巷掘进暂停，对巷道顶板K2含水层及15101采空区积水进行疏放水，减少巷道顶板K2灰岩含水层富水性；随后采取水灰比为0.9的525号硅酸盐水泥进行注浆，减小运输巷掘进期间顶板淋水并保障掘进安全。

方案2：聚氨酯/硅酸盐复合注浆，疏放结合。根据巷道与相邻采空积水区高差，合理调整留设15102运输巷与15101采空积水区之间防隔水煤柱。在运输巷660～720 m段掘进期间，视情况采取超前聚氨酯/硅酸盐复合注浆和合理疏排水手段治理顶板淋水。对锚索/锚杆孔出水流量小于等于2 m3/h的出水点采用超前注浆方式对巷道顶板、两帮进行封堵加固，每超前5 m为一个循环，共计12个循环。对出水流量大于2 m3/h的出水点，采取引流疏放。

2) 方案对比。

方案1优点：对顶板K2灰岩裂隙水及老空水源疏放，直接减少淋水及突水威胁；水泥浆配置方便，操作简单；材料来源广泛，价格低廉[12]。缺点：普通水泥浆抗分散性、渗透性差，凝胶时间难以根据需要调节，粘结体强度小，性能整体偏差，难以达到设计要求。15101老空水积水量大，疏放水周期过长，15102运输巷掘进受影响较大，从而影响矿井采掘接替。

方案2优点：复合浆粘度低，可注性强，能注0.1 mm以上裂缝；在动水条件下复合浆的抗分散性强，包水量大，适用于流动水部位的堵漏或防渗，可按工程需要调节浆液的凝胶时间；固结体抗渗性好，具有高延展性，抗压强度可达10～20 MPa，抗拉强度高，适用于结构补强和动水地层堵涌水[12]；受温度、酸碱度及微生物作用等外部环境影响小，耐持久性好；巷道掘进与疏放水同时进行有利于矿井采掘接替；可减少排水系统费用；顶板岩层加固后，岩层稳定性增强，有利于巷道掘进期间支护安全。缺点：增加注浆、打钻等费用；要求技术水平较高，需要多种配套设备工艺，多行业、跨行业技术集成特点显著。两种方案综合比较，选取更加经济合理、安全可靠的方案2。

4.2 复合浆材制备及性能

1) 复合浆材的组成。按方案2设计要求，注浆使用由主剂、扩链剂、促进剂和乳化剂组成的聚氨酯/硅酸盐复合浆。主剂包括异氰酸酯、聚醚和硅酸盐；扩链剂由含两个或者两个以上官能团组成，能与主剂形成聚合物单体；促进剂能引发聚合反应并调节控制凝胶时间；乳化剂能分散溶液并增加溶液均一性。复合浆材配方如表1。

表1 聚氨酯/硅酸盐复合浆材配方设计

将以上原料按照表 1配比分成A、B两组，A组由硅酸盐、乳化剂、聚醚、促进剂等组成；B组由异氰酸酯等有机成分组成，注浆时将A、B两组分按比列混合即得聚氨酯/硅酸盐复合浆[12]。

2) 复合浆的物化性质。A、B两组混合所得复合浆液呈淡黄色，不含任何挥发性有机成分，具有可注性、流动性和渗透性强的显著优点。混合均匀后，浆液黏度迅速增大，瞬间失去流动性并形成凝胶；根据不同的配方设计，初凝时间和终凝时间可控制在15～90 s和3～5 min。依据MT113—1995标准对复合浆材进行阻燃性测试，结果表明复合浆材不能点燃或离火自熄，具有良好的阻燃性[12]。

4.3 注浆设备

根据聚氨酯/硅酸盐复合注浆的特殊性，使用钻头直径42 mm矿用风煤钻施工注浆孔，双液气动注浆泵连接风动注浆泵进行注浆，注浆量以不发生大量跑浆为准，且注浆压力不低于2 MPa；采用直径19 mm、长3～5 m的注浆管，注浆时根据需要适当截取。

4.4 注浆作业参数

4.4.1 钻孔布置

根据运输巷660～720 m段地质构造特点和注浆工艺要求，采用矿用风钻机在巷道实揭起始位置随掘随注，超前加固8.0 m再向前掘进5 m，预留3.0 m保护帽的注浆加固方案。每个注浆循环迎头布置4～6根注浆管，封孔段长1.5～2.0 m。每个循环布置三组注浆孔，具体参数如下：

1) 顶板超前加固孔。1号～3号孔：方位角270°，孔深6 m，倾角30°，孔径42 mm；

2) 左帮超前加固孔。4号、5号孔：方位角240°，倾角0°，孔深6 m，孔径42 mm；

3) 右帮超前加固孔。6号、7号孔：方位角240°，倾角0°，孔深6 m，孔径42 mm。 钻孔布置如图1所示。

图1 复合浆加固迎头断面钻孔布置示意

根据构造带煤体承受能力和最小抵抗面及围岩条件，复合浆扩散半径按2.0 m考虑。由于15102运输巷在掘进实揭后，揭露异常区段帮顶、巷道倾角等可能与预测情况有所出入，可在施工中对注浆孔密度、深度和钻孔角度做合理调整。

4.4.2 注浆施工流程及要求

1) 注浆现场配备双液拨动注浆泵以及专门配套的注浆装置，并进行安装调试。随后将A组和B组分别接入注浆泵进浆系统，调节体积比以1∶1比例进料，通过静态混合器自动混合，直接注浆。

2) 浆液的固化时间与现场温度有关，注浆前，宜将两个组分在15～35 ℃温度下放置12 h以上。

3) 现场要保证冷却水压和水量，严格控制注浆量和注浆速度。

4) 在注浆间隙，为防止堵管，可用A组分充满混合头和管路。在注浆结束后，A组分的管路可以用水冲洗，B组分和泵体要用配套的专用清洗剂或者机油清洗，清理现场并留人值班。

5 结 语

1) 通过对15102工作面运输巷注浆段的观测，发现聚氨酯/硅酸盐复合浆材经过合理配比能快速凝胶对顶板大量渗水裂隙进行有效的充填密实，从而达到堵漏止水效果。

2) 现场检测结果表明，注浆后，破碎岩块与复合浆粘结形成的有效加固区有较强的承载能力并呈陀螺形分布。

3) 通过注浆加固，有效维持了破碎围岩条件下巷道顶板的稳定性，治理了顶板渗水以及煤柱溃水隐患问题，确保了15102工作面运输巷的顺利掘进。