動壓影響回采巷道分區注漿加固技術研究

張軍波 趙蘇杭 張宏博 李 寧

(1.河南能源化工集團研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454003)

隨著煤礦開采深度的增加，巷道礦壓越來越大，巷道支護的難度也越來越大。在回采過程中，工作面巷道又受到采動應力的影響，工作面上下平巷變形嚴重，煤壁開始出現片幫，不僅對礦井安全生產帶來嚴重影響，也破壞了巷道中鋪設的各種管路。在大采深巷道支護中單純使用錨桿錨索支護已經不能滿足對巷道支護的要求。因此，如何對大采深、高應力松軟破碎圍巖巷道進行支護顯得尤其重要。近幾年來，采用注漿加固巷道破碎圍巖開始得到應用，但對注漿參數的研究尚不能滿足要求，井下注漿作業缺少理論和實踐支撐。因此，需要對煤礦巷道加固技術進行研究，確定詳細注漿參數和施工工藝。

1 加固分區理論

煤礦井下采掘活動破壞了原始地層中的應力平衡狀態，使煤體中的應力重新分布，經過一定時間后，形成卸壓區、應力集中區和原始應力區。在這三個區域中，煤體所受應力和變形性質各有差異。根據巷道周邊煤巖體破碎程度、加固后煤巖體所起的作用，將加固區域分為無效加固區、有效加固區和非加固區，如圖1所示。

圖1 注漿加固分區圖

(1)無效加固區。無效加固區與卸壓區重合，區內煤巖體破碎，井下各種支護、抽采措施均對此區域內的煤體造成破壞，形成貫通性裂隙，且這些裂隙由于受采動影響而沒有方向性，在此區域內進行注漿，其目的是使煤壁形成整體，不出現片幫。在此區域內注漿加固后形成的煤料結石體、漿料網絡骨架對巷道支護起不到作用。

(2)有效加固區。有效加固區與塑性變形區重合，其區域范圍取決于巷道的高度和寬度、支護形式、煤巖體抗壓強度、煤巖體所受載荷、煤體內聚力等；具體到回采巷道煤壁，有效加固區的區域范圍除了與以上因素相關外，還與支架剛度、采高、推進速度等相關。有效加固區是注漿加固的重點，在此區域內的裂隙以原生和次生裂隙面與結構面為主，具有很強的方向性。在注漿過程中，漿液的流動以定向滲流為主，最終起到滲透注漿和充填注漿的兩種效果。

(3)非加固區。非加固區內，煤巖體內的裂隙受到應力影響，裂隙開度受到壓縮，漿液難以通過。有學者認為，該區域內的煤體可通過劈裂方式進行注漿，但在井下實踐中發現，注漿成本高、作業時間長，效果不明顯，且有可能造成應力向工作面釋放，推倒支架，造成新的事故。

2 分區注漿加固工藝

2.1 注漿鉆孔間距

漿液擴散半徑取決于注漿壓力、注漿時間、裂隙發育程度等，為簡化計算難度，采用溶液球狀滲透狀公式對漿液擴散半徑進行計算：

(1)

式中：R——漿液擴散半徑，m；

r——漿液黏度的倒數；

q——漿液注入流量，m3/min；

t——漿液固化時間，min；

n——孔隙率，%。

鉆孔間距由漿液擴散半徑決定，且為防止出現空白帶，在注漿設計時，鉆孔半徑應小于漿液擴散半徑。進行注漿作業時，要對注漿壓力和注漿時間進行控制，某個注漿鉆孔達到設計注漿量時，必須停止該孔注漿作業。

2.2 注漿量

注漿量分為單孔注漿量和總體注漿量，單孔注漿量由注漿孔的長度、漿液擴散半徑共同決定，漿液填充系數和漿液損耗對注漿量有一定影響，計算公式如下：

Q=A·L·π·R2·β·γ

(2)

式中：Q——單孔注漿量，m3；

A——漿液消耗系數，取1.05～1.1；

L——加固區長度，m；

β——煤體裂隙率，取0.5%～3%；

γ——漿液充填系數，取0.7～0.8。

2.3 加固深度

煤壁中無效加固區和有效加固區的劃分可以通過聲波測試、多點位移計或鉆屑法進行確定。由于鉆屑法不需要使用其他設備，在井下操作方便，只需通過打鉆和搜集鉆屑就可以實現分區。根據加固目的不同，可將注漿孔終孔設置在不同的分區內：若為防止巷道變形、煤壁片幫，加固深度需要布置到有效加固區；若只是為了將煤壁粘結在一起，可以將注漿深度布置在無效加固區。

2.4 加固時機

注漿加固時機，又稱為注漿加固時間，取決于巷幫煤巖體的強度和裂隙發育程度。巷幫圍巖變形程度對注漿加固的影響包括兩個方面：一是圍巖的可注性，即漿液可以注入到巷幫圍巖的裂隙中，并能在裂隙中擴散；二是圍巖破壞程度過大會增加注漿量以及巷道支護、維修的作業量和作業成本。隨著工作面的推進，巷幫圍巖開始加速變形，裂隙開始發育，裂隙長度變小，裂隙開度變大，圍巖的完整性遭到破壞，失去對頂板的支護能力，應力開始向煤巖體深部轉移，破壞深度逐漸增加。加固時機可通過對巷道變形量的觀測來確定。

2.5 加固材料

選用河南能源化工集團研究院所研發的固特結加固材料進行巷道注漿加固，該材料是一種聚氨酯/聚脲復合的有機高分子材料，兩種組分按體積比1∶1混合反應后生成一種高強度的固結體，其綠色、環保性能優異，抗壓強度、抗拉強度可分別達到64.3 MPa和23.8 MPa，可用于加固煤礦井下破碎煤巖體。漿料注入破碎煤巖體后，在注漿壓力的作用下，能迅速滲透裂縫，形成網絡骨架，并利用其與煤巖體優良的相容性、粘結性，與破碎煤巖體粘合成整體，提升煤巖體的整體強度。

3 加固實例

3.1 概況

巷道加固試驗地點為趙固二礦11030工作面上平巷，該巷道擔負著11030工作面的回風、行人、運煤等任務。在回采過程中，11030工作面上平巷煤壁出現破碎現象，造成煤壁片幫以及頂板冒落。在11030工作面上平巷選取50 m為固結加固材料試驗區域。

3.2 試驗方案

3.2.1 注漿深度

采用鉆屑量法測量11030工作面上平巷“三帶”深度，從而確定注漿孔的深度。在計劃試驗區域布置4個鉆孔測量鉆屑量，鉆孔編號分別為1#、2#、3#、4#，記錄的各個鉆孔鉆屑量與鉆孔深度的數據，生成單位長度鉆屑量隨鉆孔深度變化規律擬合曲線圖如圖2所示?？紤]到煤壁附近的煤體松軟破碎，孔口鉆進時造成煤壁剝落，0～1 m的鉆屑量不計算在內，從1～2 m鉆屑量開始計算。

圖2 鉆孔鉆屑量測定圖

由圖2可以看出，在孔深為1～5 m段鉆屑量緩慢增加，5～10 m段鉆屑量迅速增加，在10 m左右鉆屑量出現峰值，10～12 m鉆屑量逐漸減少。根據鉆屑量沿孔深的變化規律與煤體內的應力分布，可以推導出11030工作面上平巷1～5 m為無效加固區，5～10 m為有效加固區，10 m內為非加固區。因此注漿深度設置為6 m。

3.2.2 加固時機

根據現場測量，11030工作面上平巷測點距切眼80 m時，巷道周邊煤巖體開始加速變形，至切眼前方20 m范圍內，巷道周邊煤巖體變形量大，在10 d內，頂底板移近1140 mm，兩幫移近1256 mm?？紤]到漿液的固化時間，注漿時間應早于巷道變形最大時間，即具有事實上的可注性，又具有一定的抗壓強度，結合工作面推進速度、擴巷、超前支護，選取距離切眼80 m時為注漿加固時機。

3.2.3 注漿孔布置

選取的固結漿液的粘度為300 MPa·s，固化時間為1 min，孔隙率取值1%，使用的注漿泵最大注漿量20 L/min，代入式(1)可得，漿液擴散半徑為1.17 m。

在試驗區內的巷道兩幫各布置25組共100個注漿孔，孔徑42 mm，孔深6 m，鉆孔組間距2 m。每組2個布置2個注漿孔，第1個注漿孔距頂板向下0.5 m處開孔，沿水平向上仰角6°～7°；第2個注漿孔距頂板向下2 m處開孔，垂直于煤壁。將注漿錨桿下入注漿孔，并在注漿錨桿距孔口1.5 m的位置使用棉紗進行封孔。

3.2.4 單孔注漿量

將相關數據代入式(2)可得鉆孔單孔注漿量為0.138 m3，漿液密度取1.15 g/cm3，可得單孔注漿重量為159 kg。

3.2.5 注漿順序

每組孔由下向上依次注漿，即先注中部鉆孔，再注上部鉆孔。單孔注漿量達到設計注漿量時，停止注漿。有些鉆孔注漿量達不到要求，很快從煤壁返漿，此時停止作業1 min，再次注漿。如果多次停機仍不能按要求進行注漿，換孔作業。

3.3 加固效果

從11030工作面通尺960 m處開始施工，井下作業7次，共施工79孔，共計注漿量約12 t，單孔注漿量約152 kg。采用十字交叉法觀測巷道兩幫距離，在注漿加固區布置測點6個，測點間距為10 m，得到加固區全寬收縮量變化曲線如圖3所示。

圖3 加固區全寬收縮量變化圖

由圖3可以看出，注漿加固區在距離切眼50～20 m范圍內，日均收縮量55～70 mm；當距切眼20 m時，巷道日均收縮量70～100 mm。測點全寬累計收縮量620～800 mm。相比加固之前，巷道全寬收縮量減少約450～650 mm。

4 結論

(1)針對巷幫破壞程度和加固后煤巖體所起作用，將巷道圍巖從外至里依次劃分為有效加固區、無效加固區和非加固區，根據加固目的不同，進行分區注漿。

(2)注漿參數由煤壁破壞位置決定，而煤壁破壞位置和采高、推進速度、推進進度、支架剛度、煤體強度、煤的內聚力等因素相關，必須根據現場實際進行確定。

(3)使用分區注漿加固工藝，在保證加固效果的前提下，實現加固區域的精確注漿，避免注漿作業的無序性和盲目性。