注漿堵水技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

 

　　紅柳煤礦2煤兩條大巷沿2煤頂板布置，斷面為矩形，尺寸寬高為5.64×4.92m，埋深470m，采用錨帶網(wǎng)索梁支護工藝，兩巷已安全掘進(jìn)3150m。兩大巷掘至距DF6-1斷層50m左右時在原錨帶網(wǎng)索梁的基礎(chǔ)上增加了排距0.8m的U29型鋼棚加強支護，但當(dāng)大巷繼續(xù)推進(jìn)到距DF6-1斷層20m時，出現(xiàn)了頂板破碎下沉，U29型鋼棚被壓垮等嚴(yán)重問題。 

 

　　1.1大巷涌水特點 

　�。�1）鉆孔涌水較為渾濁，水壓達(dá)0.6MPa且水中含有大量的泥沙。 

　�。�2）受前方DF6-1、DF5及附近伴生斷層的影響，巖層已失去了整體性且被切割零碎，致使涌水通道較為復(fù)雜，增大了注漿堵水的復(fù)雜性及難度。 

　�。�3）迎頭U型鋼棚被壓垮，表明迎頭附近及前方頂板巖層受水浸泡后已泥化且失去了自承能力，致使U型鋼棚在頂板較大的靜載壓力作用下發(fā)生了被壓垮現(xiàn)象。 

 

　　1.2 大巷涌水區(qū)水文地質(zhì) 

 

　　2煤大巷迎頭或鉆場所在位置的前方，其區(qū)域地層總體向北傾斜，兩大巷的西側(cè)是張家廟背斜，東側(cè)是大羊其向斜，兩大巷恰好位于張家廟背斜東翼且靠近背斜軸部位置，

 

　　DF6-1與DF5兩斷層均為高角度正斷層，其產(chǎn)狀分別為：DF6-1傾向NW，落差12-35m ，傾角77°；DF5傾向SE，落差13-15m ，傾角75°。 

 

　　由圖1-3所示的預(yù)想地質(zhì)剖面可以看出，在斷層DF5和DF6-1之間形成了地塹構(gòu)造，出現(xiàn)了中間部分煤巖層下降，兩側(cè)抬升，使得大巷迎頭所在位置其厚度10.38m的直接頂與厚度63.95m的粗粒砂巖裂隙含水層下段直接對接，其含水層中的水將通過DF6-1斷層帶對2煤直接頂?shù)姆凵皫r、泥巖進(jìn)行浸泡并發(fā)生軟化，進(jìn)而造成自承能力降低，從而引發(fā)了迎頭U型鋼棚被壓垮等問題。 

 

　　根據(jù)地質(zhì)報告、鉆孔探放水資料及兩條大巷在 

 

　　掘進(jìn)過程中的觀測記錄，得出如下幾點結(jié)論： 

 

　�。�1）直羅組粗粒砂巖含水層下段富水性較好，涌水量較大，可通過DF6-1斷層帶向大巷圍巖內(nèi)滲透，是區(qū)域涌水的直接來源。 

　　（2）2煤大巷除目前迎頭所在位置外，在掘進(jìn)過程中未發(fā)生其他現(xiàn)象，表明2煤與粗粒砂巖之間的直接頂具有良好的隔水性能。 

　�。�3）由于2煤底板存在一定厚度的砂巖含水層，因其富水性較弱，再加之多層隔水層的阻隔，致使兩條大巷在掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)底板涌水現(xiàn)象，可以預(yù)測富水性較弱的2煤底板含水層不會對大巷構(gòu)成威脅。 

 

　　2 2煤大巷堵水方案 

 

　　2.1 超前深孔帷幕注漿方案 

 

　　2.2.1 鉆場布置 

　　為確保超前帷幕注漿效果，在2煤大巷再次施工3#、4#原鉆場，2煤輔運大巷鉆機硐室3#設(shè)在離水倉5m處， 2煤膠帶大巷鉆機硐室4#設(shè)在離原鉆機硐室2 3m處。 

 

　　2.2.2 鉆孔布置 

　　為實現(xiàn)超前深孔注漿后，在2煤膠帶大巷和2煤輔運大巷各自迎頭前方DF6-1斷層處形成厚度不小于10m的注漿圈，其鉆場內(nèi)鉆孔布置及方位如圖2-1及表2-1所示。 

 

　　2.2.3 孔鉆及注漿參數(shù) 

　�。�1）鉆孔參數(shù) 

　　采用D153mm的無芯鉆頭開孔，開孔深度及一級套管的安裝長度取決于開孔處距大巷迎頭的距離。為確保有效的止?jié){巖帽及注漿壓力對大巷圍巖不造成影響，則各孔內(nèi)套管的安裝長度如表2-2所示；一級套管安裝時用鉆機頂入孔內(nèi)，然后通過注漿充填套管與孔壁之間的縫隙，待漿液凝固后（大約24h）以達(dá)到固定套管的目的，一級套管固定完成后再用D94mm鉆頭鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計孔深為止。 

 

　　（2）注漿方式 

　　為防止鉆孔時可能存在塌孔現(xiàn)象，為此注漿方式應(yīng)采用前進(jìn)式分段鉆孔分段注漿，即鉆一段注一段。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，一般每次鉆孔段長度為10m，即每鉆孔10m，經(jīng)壓水試驗后再注漿，依次循環(huán)，直至該孔達(dá)到設(shè)計孔深且注漿完成，然后再進(jìn)行下一個鉆孔的鉆進(jìn)及注漿。 

 

　　（3）注漿材料 

　　注漿材料的選擇將直接影響到注漿成本及注漿效果，但考慮到迎頭前方存在落差較大的DF6-1斷層，為降低注漿成本應(yīng)首選水泥單漿液，然后再根據(jù)情況改用水泥-水玻璃雙漿液或煤礦封堵納米材料，具體實施步驟為： 

 

　　第一步：先注水泥單漿液，水泥為425#的普通硅酸鹽水泥； 

　　第二步：當(dāng)注水泥單漿液壓力不起且無法達(dá)到注漿終壓，可選用凝固較快的水泥-水玻璃雙漿液，以控制漿液的擴散范圍； 

　　第三步：當(dāng)注漿后檢查孔的出水量不能滿足要求時，應(yīng)選擇超細(xì)水泥或聚氨酯類的化學(xué)漿進(jìn)行補注。 

 

　�。�4）漿液濃度 

　　漿液濃度的選擇直接影響到注漿效率及注漿質(zhì)量，通常漿液濃度越大，擴散范圍越小，反之亦然。但根據(jù)大量的工程經(jīng)驗，對基巖裂隙承壓水應(yīng)以稀漿為主，對軟巖或斷層破碎帶因吸水率小應(yīng)以濃漿為主。所以結(jié)合本工程的特點，漿液濃度應(yīng)采用如下幾個配比，即水灰比為1、0.8、0.6。當(dāng)某一配比連續(xù)注漿1h且不升壓或吸漿量不下降時，應(yīng)改為下一個配比進(jìn)行注漿。 

 

　�。�5）注漿壓力 

　　注漿壓力是漿液克服各種流動阻力，使?jié){液 

　　擴散和充填密實的動力，是注漿的一個重要參數(shù)。所以應(yīng)根據(jù)巖層的破碎程度和注漿量進(jìn)行合理確定，但結(jié)合本工程的特點和地質(zhì)條件，注漿壓力應(yīng)逐漸緩慢增加，其終壓應(yīng)≤4MPa。

 

　�。�6）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 

　　常用的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)有注漿量結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、注漿壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、吸漿率結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場情況選擇注漿量結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。 

 

　　2.2.4 注漿效果檢驗標(biāo)準(zhǔn)及復(fù)掘條件 

　　當(dāng)所有鉆孔注漿結(jié)束后，以最后一個鉆孔注漿結(jié)束時間為準(zhǔn)，經(jīng)15d后在3#和4#鉆機硐室內(nèi)用巖芯鉆取巖芯，一是檢驗注漿后漿液是否凝固，二是檢驗堵水效果。當(dāng)取出的巖芯觀察漿液已凝固，同時檢查孔內(nèi)無出水現(xiàn)象時，此時已基本具備了復(fù)掘條件。 

 

　　3 2煤大巷支護方案 

　　為確保兩條大巷能順利施工，除深孔注漿堵水及加固外，也要采取相應(yīng)的有效支護方案。 

 

　　3.1. 錨帶網(wǎng)索參數(shù)設(shè)計 

　�。�1）錨桿 

　　材質(zhì)：選用KMG335左旋無縱筋錨桿，屈服強度335MPa，極限強度490MPa。 

　　直徑：采用直徑20mm，其屈服和極限承載能力分別105kN、154kN。 

　　長度：按大巷寬度的0.5倍確定，因大巷寬度為5m，則錨桿長度應(yīng)為2.5m。 

　　間排距：錨桿間排距按800×800mm。 

 

　�。�2）錨索 

　　材質(zhì)：選用SKP-1860，抗拔力224kN。 

　　直徑：采用直徑17.78mm，屈服承載力461kN。 

　　長度：按大巷寬度的1.5倍確定，即為7.5m，取8m。 

　　間排距：根據(jù)錨桿長度所圈定的頂板煤巖層重量，此重量由錨索來承載，這樣便可確定出錨索的間排距，其值即為4000×1600mm。 

 

　　3.2 U29型鋼棚參數(shù)設(shè)計 

　　（1）材質(zhì)及力學(xué)參數(shù)：選用U29型鋼棚，其斷面積36.92cm2，截面慣性矩Ix=612.1cm4，彈性模量E=206000N/m2，極限強度fu=600N/mm2。 

　�。�2）U29型鋼棚的排距：由于2煤兩條大巷頂板受水浸泡后已處于松軟狀態(tài)，按照冒落拱理論，其冒落拱高度應(yīng)為： 

　　h=（a/2tan26o）-a/2=（5/2tan26o）-5/2=2.63m該高度的松軟巖層自重即為65.75kN/m2（2.63×25=65.75kN/m2），則U29型鋼棚拱部力學(xué)模型如圖5-1所示。 

　　根據(jù)圖3-1所示的力學(xué)模型，計算U29型鋼棚的支設(shè)排距P，其計算過程為： 

　　支座豎向反力： 

　　U29型鋼棚最大彎矩： 

　　計算U29型鋼棚的排距P：根據(jù)抗彎強度公式，得： 

　　由上述計算結(jié)果：U29型鋼棚排距應(yīng)小于0.311m，為便于施工取排距為0.4m。 

 

　　3.3大巷支護參數(shù)設(shè)計 

　�、馘^桿：采用KMG335左旋無縱筋錨桿，規(guī)格Φ20×2500mm，間排距800×800mm，使用MKS23/70樹脂藥卷，用量2卷/錨桿，施加預(yù)緊力矩400N.m。 

　�、谕斜P：采用鐵托盤，規(guī)格150×150×10mm。 

　�、劢饘倬W(wǎng)：采用Q235、直徑6.5的鋼筋點焊制作，網(wǎng)格尺寸100×100mm，規(guī)格3000×1000mm。 

　　④錨索：材質(zhì)為SKP18-1860的7股鋼絞線錨索，規(guī)格Φ17.8×8000mm，每斷面布置2根，排距1600mm，使用MKS23/70樹脂藥卷，用量4卷/錨桿，施加預(yù)緊力100kN。 

　�、蒎^索梁：采用槽鋼制作，規(guī)格（22×3000mm）。 

　�、轚29型鋼棚背面金屬網(wǎng)：采用Q235、直徑6.5的鋼筋點焊制作，網(wǎng)格尺寸100×100mm，規(guī)格3000×1000mm。 

　�、遀29型鋼棚：采用U29型鋼制作，排距400mm，其制作結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 

　　⑧噴層：采用C20混凝土，噴厚以覆蓋住U29型鋼棚為準(zhǔn)。

 

　　3.4 支護施工工藝 

　　第一步：按荒斷面設(shè)計尺寸，即荒寬5.64m、墻高2.1m、拱半徑2.82m進(jìn)行開挖，確�；臄嗝嫦鄬�光滑，避免出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象。 

　　第二步：根據(jù)錨桿的間排距，應(yīng)及時鋪網(wǎng)和打 

　　安錨桿，鋪網(wǎng)時網(wǎng)與網(wǎng)之間應(yīng)相互搭接200mm，并用11#細(xì)鐵絲每隔300mm綁扎一次；打安錨桿時應(yīng)遵循鉆孔（孔深2.4m）→用壓風(fēng)管將孔內(nèi)積水和煤巖粉沖洗干凈→用錨桿將樹脂藥卷送入孔底并攪拌→放置托盤、擰緊螺母，其預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到400N.m。 

　　第三步：架設(shè)U29型鋼棚，分兩種情況，一是出現(xiàn)超挖時，在U29型鋼棚背面用矸石袋充填嚴(yán)密，確保U29型鋼噴受力均勻；二是大巷成形較好時，在U29型鋼棚背面上再鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，然后噴漿，噴漿層厚度以覆蓋住U29型鋼棚為準(zhǔn)。 

 

　　（1）前后棚之間應(yīng)采用5道拉桿相互拉結(jié)（拱頂1道、拱角各1到，棚腿各1道）； 

　�。�2）U29型鋼拱與棚腿連接處的卡蘭應(yīng)施加400N.m的預(yù)緊力矩； 

　�。�3）為防止棚腿踢腳失穩(wěn)，應(yīng)在離底板1m處用兩根錨桿將棚腿與墻部圍巖拉結(jié)牢固； 

　　（4）U29型鋼棚與圍巖之間間隙較大時，應(yīng)采用編織袋裝煤矸石進(jìn)行充填，以確保其受力均勻； 

　　（5）U29型鋼棚應(yīng)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)及網(wǎng)與U29型鋼棚應(yīng)相互綁扎牢固。 

 

　　第四步：噴漿，采用C20混凝土，噴層厚度以覆蓋住U29型鋼棚為準(zhǔn)。 

　　第五步：施工U29型鋼反底拱。將底板浮矸挖去并成弧形，底板中間最大挖深593mm，在弧形底板上先鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后放置U29型鋼反底拱，并將U29型鋼反底拱的兩端分別與棚腿焊接在一起，其上用毛石混凝土填平，再用1：2的水泥砂漿找平，找平層厚度為20mm。 

　　注：U29型鋼反底拱施工時間可滯后迎頭一段距離實施。 

 

 

　　注漿堵水技術(shù)在紅柳煤礦過斷層及軟巖巷道支護得到了成功的應(yīng)用，加快了巷道掘進(jìn)速度，有效改善了煤礦軟巖巷道的承載能力，但該技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中要注意鉆孔涌水處理與拋漿處理處理，以防注漿技術(shù)應(yīng)用出現(xiàn)安全隱患。 

 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1] 李華奇.礦井水防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2012，3，1. 

　　[2] 吳玉華，張文全，趙開全.礦井水害綜合防治技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009，11. 

　　[3] 何滿潮，彭濤，陳宜金. 軟巖工程中的大變形及研究方法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1994，5：5-8. 

　　[4] 陸家梁. 軟巖巷道支護技術(shù)[M].長春： 吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995，21- 25. 

　　[5] 何滿潮. 軟巖巷道工程概論[M ]. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.