破碎围岩巷道注浆加固技术研究

程兆辉,王春森(内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯017300)

1 前言

随着井工开采的深度不断拓展,煤炭开采面临着高应力、软岩等复杂地质环境,尤其是在遇到断层等地质构造情况时,受其影响,巷道围岩会出现松动破碎,受回采震动等的影响,原有的支护逐渐失去作用,巷道极易出现变形、破碎、垮落等问题,严重时会造成巷道断面严重缩小,影响通风、运输,给正常生产带来安全隐患。因此,深入研究破碎围岩变形原因,探索注浆加固技术的作用机理,对提高破碎巷道完整性、围岩稳定性具有重要意义。本文通过理论分析破碎围岩变形破坏原因,研究了注浆加固技术原理,根据现场实际提出实施方案,并通过现场变形监测检验效果,结果表明,注浆加固技术可以有效降低孔隙率,加固破碎围岩,巷道变形得到有效控制,在回采过程中,巷道稳定性良好,未出现松动、破坏、支护失效等问题,破碎围岩得到有效控制,实践取得了良好效果,为同类型问题巷道围岩控制提供了参考[1-3]。

2 注浆加固技术原理

2.1 围岩破碎影响因素分析

影响巷道围岩破碎的原因主要有三个,高应力、弱支护、构造带[4-5]。破碎围岩的存在,本身是地质构造条件差造成,加上开挖、采动的影响,围岩裂隙扩展,破碎加剧。其次,巷道所处地层具有较高地应力,局部破碎围岩受集中应力作用,发生局部的失稳破坏,最终导致巷道变形破坏。破碎围岩巷道对于支护的要求更高,一般在锚杆、锚索支护后,需要喷层加固,若仍使用一般的锚杆支护,受采动影响,原有支护就会失去作用,导致巷道失稳变形。因此,通过注浆填充破碎围岩的裂隙,增大围岩强度,提升围岩完整性,提高围岩支撑能力。

2.2 注浆加固作用机理

(1)充填压密作用。围岩实施注浆后,浆液全面填充裂隙,将原有的瓦斯等有害气体排出,全面充填原有较大裂隙,同时在压力作用下,煤岩体内更加细微的裂隙被挤压闭合,破碎裂隙被有效压密,提升了巷道围岩的整体性,强度提高。避免因裂隙持续扩展,造成的应力集中,巷道失稳。

(2)骨架网络作用。浆液填充围岩内裂隙并固化后,构成凝固后的框架结构,浆液凝固后变成破碎围岩的支撑骨架,从而起到防止破碎围岩进一步破坏的作用,围岩支撑能力得到强化[6]。

(3)封闭作用。部分巷道围岩的变形破坏,还有部分原因是软弱岩体吸水膨胀造成,注浆后,原有的裂隙被填充,封闭了地下水与软岩的接触面,降低了软岩膨胀变形的可能性。

3 注浆方案设计

3.1 注浆材料

注浆材料大体上可分为无机、有机两类[7]。无机材料以普通硅酸盐水泥为主,具有凝结快、强度大、性价比高、效果持久等特点,是目前井下注浆最常用的材料;缺点是粒度相对大,浆液配比稍微浓稠则不便于注入,且难以注入细密的裂隙,若浆液过于稀释则难以快速凝固成型,造成材料浪费;无机材料适用于破碎程度高、裂隙明显的大范围围岩注浆。有机材料以环氧类及不饱和聚酯材料为主,此类材料相对较贵,易于注浆操作,渗透能力较强,但固化后强度不高;有机材料适用于破碎程度不高、加固要求不高的局部注浆。

(1)无机材料水泥浆。水泥浆液按照水灰比0.7∶1 ～1 ∶1 的比例调配,添加剂重约是水泥重的7% ～11%,水玻璃为46 ～54 波美度、2.7 ～3.1 模数。按照40% ～60%的比例,往水泥浆里添加水玻璃。注浆封孔使用马丽散封孔。

(2)有机高分子注浆材料。按照1∶1比例添加双组份材料,初凝大约100 ～120 s,注浆封孔使用马丽散封孔。

3.2 主要参数

(1)注浆压力。要综合考虑注浆深度、围岩破碎程度、裂隙发育程度等条件,合理设定注浆压力,压力大小将直接影响浆液渗透能力,对注浆加固效果起到决定性作用。单孔注浆压力可采用式(1)计算

式中:P——注浆最大压力,MPa;

H——注液点到静水位的水柱高,m;

r——水的密度,取1 g/cm3。

(2)注浆量。因围岩情况千差万别,注浆量受围岩破碎程度及裂隙发育程度影响,不同条件下注浆量差别较大。具体可参考式(2)完成初步测算。

式中:Q单——单孔注浆量,kg;

A——浆液损失率;

R——扩散半径;

H——注浆深度;

N——围岩孔隙率;

B——浆液充填系数;

M——浆液密度。

(3)注浆工艺。注浆工艺过程大概分4 个主要步骤[8]:钻孔设计、打钻施工、注浆封孔、评估验收。注浆孔施工完毕,将注浆管推入孔底,封孔后注浆,见回流即可停止注浆,带压保持一段时间后停止作业,此时浆液填充裂隙并渗透进入更广范围裂隙。待浆液固化,单孔施工结束,随后检查施工质量。

3.3 注浆设备

结合矿井生产实际和注浆参数需求,钻孔使用液压钻机进行,配备麻花钻杆[9]。注浆、封孔采用型号为ZBQ 系列多功能气动注浆泵,配合混合枪、高压胶管、封孔器使用。

4 工程应用

4.1 工程概况

某矿103 工作面轨道巷,受一较大断层影响,巷道围岩较为破碎,巷道施工时采用锚网索支护,在工作面回采过程中发生变形,且有加重趋势。为防止出现严重变形,影响工作面通风及正常生产,决定采用注浆加固技术进行加固。

4.2 钻孔设计

根据断层位置,在103 工作面轨道巷距开切眼310 m 位置布置注浆站。为有效减少工程量,避免重复施工,决定使用现场现有的瓦斯抽采钻孔进行注浆施工,通过瓦斯抽采孔分次分段注浆,达到加固目的。注浆站内布置上下2 排共计5 个钻孔,钻孔倾角8° ～15°,钻孔相互间隔3 m,钻孔长度10 ～20 m,排间竖直间距1.5 m。注浆钻孔布置如图1所示。

图1 103 轨道巷注浆钻孔布置图

4.3 注浆参数

根据现场条件,注浆材料采用水泥浆+水玻璃无机材料,根据式(1)(2),计算得出注液压力为4 MPa,单孔注液量约186.1 kg,选用纱布+马丽散封孔,注浆结束后带压保持1 h,以确保浆液充分渗入裂隙。

4.4 效果分析

1)现场观察

现场观察可见,巷道整体变形量较小,工作面推过时,巷道处所见掉落煤岩体裂隙填充浆液到位,应用实现了预期效果。

2)现场监测

注浆前后,分别对轨道巷两帮移近量进行了近一个月的现场监测,对比发现,注浆后两帮移近量大大减小,且逐步趋于稳定,破碎围岩得到控制。注浆前后巷道两帮移近变形对比如图2所示。

图2 注浆前后巷道两帮移近变形对比

5 结论

(1)经过理论分析,针对性地提出了破碎围岩巷道注浆加固的技术方案,结合现场条件远程了注浆加固技术应用。

(2)采用水泥浆+水玻璃注浆加固破碎围岩的办法,有效填充了裂隙、封堵了水源,提高了围岩完整性及承载力,巷道围岩得到有效控制。

(3)注浆压力及注浆量可以通过式(1)(2)初步测算得出,合理的注浆压力及注浆量,对注浆效果影响比重较大。

(4)经过对注浆前后轨道巷两帮移近量近一个月的现场监测,结果表明,注浆后两帮移近量大大减小,且逐步趋于稳定,破碎围岩得到控制。

(5)应用表明,通过注浆加固技术来控制破碎围岩是可行的,应用取得良好效果,对同类型巷道破碎围岩控制具有一定借鉴意义。