礦井斷層缺陷化學注漿加固處理技術

礦井斷層缺陷化學注漿加固處理技術杜誌龍.1，張良. 2，楊猛.1
（1. 杭州國電大壩 安全工程有限公司，2. 同煤集團雁崖礦）　　摘要：運用化學注漿新技術對同煤集團雁崖礦416盤區14－3工作麵斷層缺陷進行加固處理，該技術方法采用HK-9101新型聚合物材料進行注漿，與傳統 煤礦注漿加固方法相比，其能更有效加固頂板，為架設永久支護節約了時間和空間，且施工工藝簡便，為 煤礦工程取得了良好的技術經濟效益。
　　關鍵詞：新型注漿材料；粘結頂板；注漿

　　同煤集團雁崖礦是一座開采時間超過40年以上的老礦井，該礦區位於大同煤盆地的中部，跨大同市南郊區鴉兒崖鄉及左雲縣南深井等地區，整個礦區內煤炭儲量非常豐富，但由於斷層發育等問題，直接影響了該礦區煤炭開采產量的提高，對 煤礦生產效率和生產 安全帶來了嚴重的影響。在生產過程中，該礦416盤區14－3巷揭露出2條斷層（H＝1.7～2.2m），由於受地應力的影響，導致了斷層附近的煤體或岩體破碎和頂板破碎，掉頂嚴重，引起頂板支護困難，對 煤礦開采 安全威脅大，生產月進度較低，直接影響了煤礦開采 安全與生產。針對這一情況，在我們多年化學灌漿研究工作的指導下，發展了一種高效、安全、經濟、有保障的頂板加固方法。2009年7月，在過斷層期間，采用杭州國電大壩安全工程有限公司的化學注漿新技術，對該巷道進行了超前加固，取得了顯著的加固效果，采煤工作麵順利通過該斷層區域。 1工程概況 2009年7月中旬，在416盤區14－3巷，距采煤工作麵380m處，遇到兩條斜斷層[1]，斷層範圍內地質情況：頂底板主要為火成岩，煤層深度約距地表800米，煤層厚度約3米，煤岩整體性較差，裂隙較發育。該斷層與巷道夾角約60度，落差近4m，受此斷層影響，該區域巷道的煤體頂板破碎嚴重，整體性較差，雖然采用了打超前樹脂錨杆，縮小工作循環進尺（每班架一棚，進尺0.6m）等方法，但仍然難以控製采煤工作麵的片幫冒頂，每次進行人工接頂作業時，安全威脅較大。為了有效避免幫頂大麵積跨落，增加安全係數，最終決定引入大壩基礎加固處理技術，采用注化學漿的加固新技術，對該斷層區域進行超前粘結加固。 2注漿加固技術機理及注漿材料選擇 2.1化學注漿加固技術機理化學注漿技術發展已有近半個世紀的曆史，一般主要用於水電大壩工程、交通隧洞等大型工程中，近年來，隨著國家對煤礦開采安全的重視，逐步引入到了煤礦開采領域。過去煤礦中加固頂板一般采用機械方法或者物理方法[2] [3]，如架棚挑棚、打樹脂錨杆錨索，注水泥漿等方法。注化學漿在煤礦中應用是一種比較新穎的化學加固方法，它是一種雙組分產品，入煤岩層幾秒鍾後，兩種組分即進行化學反應，漿液遇水開始膨脹，對圍岩鬆動裂隙進行充填，對破碎鬆散體進行粘結，最後固化成一種剛性塑料，從而使整個鬆散體成為一個堅固的整體，提高了圍岩的整體抗壓承載能力。 2.2注漿材料選擇注漿材料選擇次序：水泥漿>水泥～水玻璃>化學漿,本工程要求膠凝時間短，起強度快，操作方便可控。經比選決定采用由杭州國電大壩安全公司生產的HK-9101化學注漿材料。該漿液在物理性能(粘度、膠凝時間、聚合特點等)、強度性能(粘結強度、固砂強度)及高滲透性等方麵均可以滿足該項工程固結防滲的要求。另一方麵，漿液具有穩定性較好、無溶劑等特點，在煤礦井下可以安全使用。不同條件下的試驗結果表明，HK-9101聚氨酯化學灌漿材料的滲透性、膠凝時間可以通過改變漿液濃度進行有效控製，在對粘結強度和抗滲性能不產生較大影響情況下，這樣使漿液的應用範圍具有很大的擴展性，井下應用時，可根據具體地質條件和工程應用目的進行適當調節膠凝時間。 2.3HK-9101化學注漿材料簡介 HK-9101化學注漿材料是一種高分子材料產品，該產品具有反應速度快、粘結力強、力學性能高等特點。幹混凝土麵4hr粘結強度能達到5MPa，因此特別適用於煤體、岩體的加固，同時該漿液遇水後能膨脹並封堵裂隙，因此也能起到較好的堵水作用。該產品為雙組份獨立包裝，無需現場稱量配漿等繁瑣工藝，使用時隻要將A組分和B組分以1﹕1（體積比）通過氣動雙液注漿泵自動混合後，即可進行灌漿。該化學材料被注射進地層後，低粘度的混合物能保持液體狀態幾秒鍾，該混合液體能迅速滲透煤岩體內的微細裂縫，並迅速凝固，最終有效地加固裂隙周圍的鬆動岩體，使之成為一個整體，從而提高了圍岩的整體承載能力，控製巷道頂板的垮落。 HK-9101注漿材料粘度低，滲透性能好，可灌入細微裂隙中；通過調節加速劑可以控製反應速度，達到預期效果；材料遇水會發生膨脹，具有二次擴散作用，堵水效率高；反應生成的凝膠體具有很高的力學性能，從而達到加固煤(岩)層的目的；漿液無溶劑，無刺激性氣味，在礦井等通風不良的場所施工無不良影響。表1為該產品的基本性能指標。表1 HK-9101化學注漿材料性能指標 3化學注漿加固技術施工工藝

3.1漿液擴散半徑及注漿孔布置

由於漿液擴散半徑受裂隙孔隙影響極大[2]，根據經驗，按漿液擴散半徑3m來確定注漿孔距。按此漿液擴散半徑，初步確定孔間距範圍4~8 m。詳細閱讀相關地質資料，根據資料，在斷層區域布孔，布孔時盡量斜穿過斷層區域。鑽孔可使用風鑽等設備，鑽孔孔徑42mm，孔深控製在8～10m，此次布孔在煤體內共布置11個注漿孔，孔間距約4～8米，孔仰角30度。注漿孔斜穿過斷層，孔內安裝注漿管及封孔器。

3.2注漿壓力
　 注漿壓力的大小是注漿工程成敗的關鍵因素之一，壓力太小，漿液擴散半徑小，易產生注漿盲區，影響注漿效果；壓力太大則可能在注漿過程中出現片幫等險情，根據煤岩性質，確定注漿壓力為5-8Mpa。注漿時達到預定壓力時即可換孔注漿。
3.3化學注漿係統設備
　　使用小型多功能氣動注漿泵，采用雙液注漿係統。設備布置如圖2所示。

3.4施工工藝
　　注漿施工工藝：鑽孔→埋管→安裝封孔器→連接注漿係統→將吸漿管分別插入裝有漿液A組分和B組分的桶內→開泵注漿→注漿完成→衝洗機具→停泵→拆卸注射槍→結束。　　
　　每孔注漿量可根據注漿壓力確定，施工時必須嚴格控製注漿壓力，當注漿壓力達到5-8Mpa或出現大麵積漏漿（漏漿量≈泵的注入量）時，即可換孔注漿或停止注漿。
　　注漿順序：由下而上順序進行。
　　本次加固巷道60m，共11個注漿，施工中收集的注漿數據見下表。