新型注浆加固材料在巷道围岩变形控制中的应用

王 进

(煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

煤矿斜井在施工到末段平巷井底车场时，尤其是井底车场联络巷时，为确保巷道稳定性，通常会采用砌碹技术进行支护。随着使用时间的增加，砌碹巷道同样会出现围岩石破碎、巷道变形、底鼓严重的现象，需要定期进行卧底清挖，对运输系统道轨进行修整校正，因此严重制约了井底调度效率。当井底车场所处围岩层位埋深较浅时，在雨季丰水期，地面降雨会渗透进入车场围岩裂隙，造成渗漏现象。岩石经过雨水长期浸泡，又会加剧开裂碎胀，进一步加重了巷道的变形程度[1-2]。因此，为解决这一问题，通过向砌碹巷道顶底板岩层施工钻孔，注入复合型改良注浆材料，将破碎岩石重新粘结在一起，以便提高围岩抗压强度和完整性，对矿井安全生产具有重要意义。

1 井底车场工程概况

致新煤业有限公司位于贵州省安顺市，矿井设计产能为60万t/a，属于煤与瓦斯突出矿井。井筒采用斜井开拓方式，设置有中央风井(地面标高 +1428 m)、主斜井(地面标高 +1415 m)、副斜井(地面标高 + 1415m)，位于地面工业广场南翼。其中，中央风井以-23°施工；主斜井以-16°坡度施工，安装有DTL100/553×280S强力输送皮带，用于矿井煤流系统提升运输，在巷道一侧安装有斜巷猴车，用于行人上下井；副斜井以-23°施工，主要用于运输提料，大型设备和矿用支架的提升等。井底车场水平标高为 +1145 m，车场巷道埋深为 270 m。由于矿井地处喀斯特地貌山区，雨季期间雨水渗透侵蚀，造成巷道变形严重，变形段主要集中在如图1所示的A-B段巷道，长度为 85 m。

巷道变形原因分析：①巷道施工选择层位问题。井底车场布置在距离地表埋深 270 m 位置，距离主采M9煤层顶板垂高 12 m，距离M8煤层底板不足 7 m，且煤层顶板存在弱含水层，局部富水。虽然渗流量不大，但长期对车场巷道周边围岩侵蚀，影响原岩稳定性。②巷道砌碹加固后，原岩应力被打破，处于新的平衡状态。随着巷道使用时间的加长，不同采区的工作面动压相互叠加，造成井底车场巷道受力不平衡，出现围岩结构破坏，降低围岩强度。③在复杂应力作用下，砌碹巷道结构抗压强度下降，围岩与巷道之间裂隙发育，影响范围不断扩大。由于岩石破碎较严重，通过打设顶帮锚杆、锚索进行补强的方案无法取得实际效果，致使主动支护失效，加剧巷道的变形。

2 注浆加固支护方案

2.1 注浆方案制定

采取先施工顶帮钻孔，后向周围岩体进行注浆的措施，混合浆液进入岩层裂隙当中实现充填加固。由于砌碹结构本身在施工期间是将整块的固定形状砌块进行有序拼接浇筑，经过应力作用挤压破坏，原始砌块也会产生裂隙，呈现破碎状态。在钻孔内进行注浆时，浆液会渗透进入原始砌块的裂隙中，实现对砌块的修补作用，提高围岩和砌块的完整性。当巷道周边所有岩体裂隙被完全充填后，在一定范围内重新胶结形成新的完整围岩体。在此基础上，再次施工锚杆、锚索，可以提高支护加固的补强效果[3]。经过注浆后，胶结层对于顶板弱含水层能够起到较好的防渗效果，降低雨季期间地面渗透的雨水对巷道构成的侵蚀影响。

2.2 复合型注浆材料选配

配制注浆材料的原料包括硫铝酸盐水泥、石灰和石膏等材料。经过配比试验，硫铝酸盐水泥∶生石灰∶石膏质量配比方案为50∶6.25∶43.75。配制混合浆液前，分别对硫铝酸盐水泥与水以体积比1∶1进行搅拌混合，得到A料；生石灰与石膏混合后与水搅拌，得到B料，然后在A、B料混合过程中同时加入催化剂、速凝剂、减水剂等辅助材料，得到新型注浆混合材料。

3 新型注浆材料性能参数确定

3.1 初凝时间和抗压强度

对破碎围岩注浆的目的是在短时间内提高岩体的完整性和抗压强度，因此，检测注浆后的凝固时间，以及不同条件下的抗压强度是检验注浆效果的重要依据[4]。将水灰比(质量比，下同)以从0.5∶1逐渐增加到2.0∶1，对上述两项指标分别测定，将统计数据绘制曲线如图2所示。

(a)初凝时间影响曲线

由图2分析可知：当水灰比从0.5∶1增加到2∶1时，水灰比越大，反应所需的初凝时间越长；在水灰比达到0.9∶1之后开始出现拐点，初凝时间迅速升高。围岩抗压强度随水灰比升高而下降，当水灰比达到1.1∶1时，材料抗压强度为 10.08 MPa，而初始比 0.5∶1 时抗压强度为 17.2 MPa；达到2∶1时，抗压强度仅有 3.45 MPa。而围岩的原岩抗压强度和剪切力强度至少需要满足 12 MPa 以上，因此，需保证混合浆液水灰比不能大于0.9∶1。

3.2 结块的干缩率和泌水率

浆液胶结后结块的干缩率和泌水率指标是为确定浆液凝固后水分的析出量，判断浆液的实际凝固状态。若仍然含有水分，说明此时结块尚未达到强度要求，处于未完全凝固状态；若含水量降低，则已完全凝固。同样，水灰比从2∶1下调至0.5∶1时，对干缩率和泌水率两项指标在浆液静置凝固 2 h、4 h 条件下进行数据观测。根据数据统计绘制曲线如图3所示。

(a)干缩率影响曲线

由图3分析可知：随着水灰比增大，混合浆液干缩率不断下降，泌水率不断上升；静置 4 h 的干缩率明显高于静置 2 h 的干缩率，说明放置时间越长，结块含水量越低，强度越好。当水灰比达到0.9∶1时，浆液泌水率开始上升，此时泌水率为0.34%。泌水率越低，说明浆液的稳定性越强，能够达到要求的注浆效果。

3.3 化学反应放热影响

注浆材料在混合凝固的过程中会发生化学放热反应，在裂隙充填有限的空间环境下当热量过高极易引发火灾事故，因此，须通过试验测定反应的最高温度，以便合理控制反应温度。采集数据绘制曲线如图4所示。

图4 不同水灰比条件下反应温度影响曲线

由图4分析可知：随着水灰比增大，混合浆液的反应温度不断下降；在水灰比0.5∶1时，温度为 55.7 ℃；水灰比2.0∶1时，反应温度只有 31.4 ℃。因此，在该配比区间内，不会引发因反应放热导致的煤体燃烧事故发生。

3.4 注浆参数确定

在 85 m 长井底车场变形严重地段巷道顶帮施工注浆钻孔，孔径为 Φ42 mm，设计孔深 8 m，钻孔间距设计 3 m。在巷道壁后浅层 4 m 范围采用水灰比 0.8∶1 的混合浆液进行注浆，终压设定小于 1.5 MPa，避免压力过高导致离层和裂隙再次发育；在4～8 m 孔深区段采用水灰比0.9∶1的比例，终压控制在4～4.5 MPa，注浆时随时观察岩层注浆量、返浆量和压力变化。为确保注浆效果和裂隙完全充填，采取分段注浆方法，先对围岩 4 m 范围以内深度进行注浆，待凝固后再施工钻孔，对深部4～8 m 范围进行注浆，为后期补打锚杆、锚索创造基础。

4 注浆效果应用分析

经过对车场巷道围岩裂隙进行加固治理，注浆后由于大部分裂隙被充填，有效降低裂隙容水率。通过施工验证钻孔向孔内注水，对比注浆前后相同区段围岩的容水量大小。以5个不同区段范围为例，验证孔深 5 m，每孔注水 10 min，得到注水结果如表1所示。

表1 验证钻孔容水率观测表

经过注水验证：注浆加固后围岩的隔水率提升89.8%～91.5%，具有显著的阻隔效果。此外，经过巷道设点围岩观测，发现加固段巷道最大顶底移近量为 97.1 mm，两帮水平移近量为 64.3 mm。相较于加固前最严重时巷道顶底移近量达 674 mm，两帮移近量达 425 mm，巷道围岩控制效果较好。

5 结论

1)通过对井底车场巷道的变形原因分析，提出采取围岩壁后注浆加固的治理措施。经过配比试验，确定硫铝酸盐水泥∶生石灰∶石膏质量配比方案为 50∶6.25∶43.75。

2)通过对不同水灰比条件下混合浆液的初凝时间和抗压强度、干缩率和泌水率，及化学反应温度等重要指标参数的测定，选定水灰比0.9∶1。经过注浆加固后，将围岩隔水率提升89.8%～91.5%，巷道最大顶底移近量为 97.1 mm，两帮水平移近量为 64.3 mm，巷道围岩变形控制取得较好的效果。