矿井断层缺陷化学注浆加固处理技术

矿井断层缺陷化学注浆加固处理技术杜志龙.1，张良. 2，杨猛.1
（1. 杭州国电大坝安全工程有限公司，2. 同煤集团雁崖矿）　　摘要：运用化学注浆新技术对同煤集团雁崖矿416盘区14－3工作面断层缺陷进行加固处理，该技术方法采用HK-9101新型聚合物材料进行注浆，与传统煤矿注浆加固方法相比，其能更有效加固顶板，为架设永久支护节约了时间和空间，且施工工艺简便，为煤矿工程取得了良好的技术经济效益。
　　关键词：新型注浆材料；粘结顶板；注浆

　　同煤集团雁崖矿是一座开采时间超过40年以上的老矿井，该矿区位于大同煤盆地的中部，跨大同市南郊区鸦儿崖乡及左云县南深井等地区，整个矿区内煤炭储量非常丰富，但由于断层发育等问题，直接影响了该矿区煤炭开采产量的提高，对煤矿生产效率和生产安全带来了严重的影响。在生产过程中，该矿416盘区14－3巷揭露出2条断层（H＝1.7～2.2m），由于受地应力的影响，导致了断层附近的煤体或岩体破碎和顶板破碎，掉顶严重，引起顶板支护困难，对煤矿开采安全威胁大，生产月进度较低，直接影响了煤矿开采安全与生产。针对这一情况，在我们多年化学灌浆研究工作的指导下，发展了一种高效、安全、经济、有保障的顶板加固方法。2009年7月，在过断层期间，采用杭州国电大坝安全工程有限公司的化学注浆新技术，对该巷道进行了超前加固，取得了显著的加固效果，采煤工作面顺利通过该断层区域。 1工程概况 2009年7月中旬，在416盘区14－3巷，距采煤工作面380m处，遇到两条斜断层[1]，断层范围内地质情况：顶底板主要为火成岩，煤层深度约距地表800米，煤层厚度约3米，煤岩整体性较差，裂隙较发育。该断层与巷道夹角约60度，落差近4m，受此断层影响，该区域巷道的煤体顶板破碎严重，整体性较差，虽然采用了打超前树脂锚杆，缩小工作循环进尺（每班架一棚，进尺0.6m）等方法，但仍然难以控制采煤工作面的片帮冒顶，每次进行人工接顶作业时，安全威胁较大。为了有效避免帮顶大面积跨落，增加安全系数，最终决定引入大坝基础加固处理技术，采用注化学浆的加固新技术，对该断层区域进行超前粘结加固。 2注浆加固技术机理及注浆材料选择 2.1化学注浆加固技术机理化学注浆技术发展已有近半个世纪的历史，一般主要用于水电大坝工程、交通隧洞等大型工程中，近年来，随着国家对煤矿开采安全的重视，逐步引入到了煤矿开采领域。过去煤矿中加固顶板一般采用机械方法或者物理方法[2] [3]，如架棚挑棚、打树脂锚杆锚索，注水泥浆等方法。注化学浆在煤矿中应用是一种比较新颖的化学加固方法，它是一种双组分产品，入煤岩层几秒钟后，两种组分即进行化学反应，浆液遇水开始膨胀，对围岩松动裂隙进行充填，对破碎松散体进行粘结，最后固化成一种刚性塑料，从而使整个松散体成为一个坚固的整体，提高了围岩的整体抗压承载能力。 2.2注浆材料选择注浆材料选择次序：水泥浆>水泥～水玻璃>化学浆,本工程要求胶凝时间短，起强度快，操作方便可控。经比选决定采用由杭州国电大坝安全公司生产的HK-9101化学注浆材料。该浆液在物理性能(粘度、胶凝时间、聚合特点等)、强度性能(粘结强度、固砂强度)及高渗透性等方面均可以满足该项工程固结防渗的要求。另一方面，浆液具有稳定性较好、无溶剂等特点，在煤矿井下可以安全使用。不同条件下的试验结果表明，HK-9101聚氨酯化学灌浆材料的渗透性、胶凝时间可以通过改变浆液浓度进行有效控制，在对粘结强度和抗渗性能不产生较大影响情况下，这样使浆液的应用范围具有很大的扩展性，井下应用时，可根据具体地质条件和工程应用目的进行适当调节胶凝时间。 2.3HK-9101化学注浆材料简介 HK-9101化学注浆材料是一种高分子材料产品，该产品具有反应速度快、粘结力强、力学性能高等特点。干混凝土面4hr粘结强度能达到5MPa，因此特别适用于煤体、岩体的加固，同时该浆液遇水后能膨胀并封堵裂隙，因此也能起到较好的堵水作用。该产品为双组份独立包装，无需现场称量配浆等繁琐工艺，使用时只要将A组分和B组分以1﹕1（体积比）通过气动双液注浆泵自动混合后，即可进行灌浆。该化学材料被注射进地层后，低粘度的混合物能保持液体状态几秒钟，该混合液体能迅速渗透煤岩体内的微细裂缝，并迅速凝固，最终有效地加固裂隙周围的松动岩体，使之成为一个整体，从而提高了围岩的整体承载能力，控制巷道顶板的垮落。 HK-9101注浆材料粘度低，渗透性能好，可灌入细微裂隙中；通过调节加速剂可以控制反应速度，达到预期效果；材料遇水会发生膨胀，具有二次扩散作用，堵水效率高；反应生成的凝胶体具有很高的力学性能，从而达到加固煤(岩)层的目的；浆液无溶剂，无刺激性气味，在矿井等通风不良的场所施工无不良影响。表1为该产品的基本性能指标。表1 HK-9101化学注浆材料性能指标 3化学注浆加固技术施工工艺

3.1浆液扩散半径及注浆孔布置

由于浆液扩散半径受裂隙孔隙影响极大[2]，根据经验，按浆液扩散半径3m来确定注浆孔距。按此浆液扩散半径，初步确定孔间距范围4~8 m。详细阅读相关地质资料，根据资料，在断层区域布孔，布孔时尽量斜穿过断层区域。钻孔可使用风钻等设备，钻孔孔径42mm，孔深控制在8～10m，此次布孔在煤体内共布置11个注浆孔，孔间距约4～8米，孔仰角30度。注浆孔斜穿过断层，孔内安装注浆管及封孔器。

3.2注浆压力
　 注浆压力的大小是注浆工程成败的关键因素之一，压力太小，浆液扩散半径小，易产生注浆盲区，影响注浆效果；压力太大则可能在注浆过程中出现片帮等险情，根据煤岩性质，确定注浆压力为5-8Mpa。注浆时达到预定压力时即可换孔注浆。
3.3化学注浆系统设备
　　使用小型多功能气动注浆泵，采用双液注浆系统。设备布置如图2所示。

3.4施工工艺
　　注浆施工工艺：钻孔→埋管→安装封孔器→连接注浆系统→将吸浆管分别插入装有浆液A组分和B组分的桶内→开泵注浆→注浆完成→冲洗机具→停泵→拆卸注射枪→结束。　　
　　每孔注浆量可根据注浆压力确定，施工时必须严格控制注浆压力，当注浆压力达到5-8Mpa或出现大面积漏浆（漏浆量≈泵的注入量）时，即可换孔注浆或停止注浆。
　　注浆顺序：由下而上顺序进行。
　　本次加固巷道60m，共11个注浆，施工中收集的注浆数据见下表。