松散软煤综放回采巷道化学注浆加固技术

中国科技论文在线松散软煤综放回采巷道化学注浆加固技术温耀军，王晓溪，金志远，张弛，程敬义*作者简介：温耀军（1985～），男，中国矿业大学硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的学习与研究工作.E-mail:[e-mail]（中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，矿业工程学院，江苏徐州221008）摘要：上庄煤矿6205工作面回采巷道松散软煤综放回采巷道，巷道围岩比较破碎。利用化学浆对巷道围岩进行注浆加固，改善了巷道围岩的力学性质，为巷道安全快速掘进提供了有利的条件，为矿井高产高效提供了一项实用技术。关键词：松散软煤综放巷道；围岩加固；化学注浆中图分类号：TD823GroutingReinforcementTechnologybyInjectingChemicalsonMiningRoadwayforRunCoalandFullyMechanizedSublevelCavingFaceWenYaojun,WangXiaoxi,JingZhiyuan,ZhangChi,ChengJingyi(StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandMineSafety,SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,JiangsuXuzhou221008)Abstract:Inminingroadwayforruncoalandfullymechanizedsublevelcavingfaceofthe6205workingfaceofShangZhuangCoalMine,roadwaysurroundingrockiscrushing.Itimprovesthemechanicalpropertiesofroadwaysurroundingrock,thatgroutingreinforcementbychemicalpulptoroadwaysurroundingrock.Anditprovidesfavorableconditionsforsecurityandrapidexcavationintunnel.Italsoprovidesapracticaltechnologyforhighproductionandhighefficientmine.Keywords:miningroadwayforruncoalandfullymechanizedsublevelcavingface;wallrockreinforce;chemicalinjection1工程概况上庄煤矿6205工作面开采3＃煤层，地面标高为＋955m～＋1030m，井下标高为+680m～＋770m。老顶为灰色细砂岩，厚4.5m；直接顶为深灰色粉砂岩，厚1.21m；直接底为灰黑色泥岩，厚0.15m；老底为灰色细砂岩，厚0.33m。掘进工作面瓦斯绝对涌出量为0.72m3/min。6205工作面东侧为6204工作面（已采），南侧为6207工作面（未采）。工作面两侧均为实体煤，对其巷道掘进无影响。但其巷道为易冒松散软煤综放回采巷道，围岩比较破碎，需对其进行加固，以保证巷道围岩的稳定性。6205工作面布置如图1所示。煤岩体化学注浆加固技术的发展现状利用有机高分子材料进行破碎煤岩加固是国外在七十年代初期发展起来的一项新技术，几十年来，这一技术在世界主要产煤国家得到迅速发展。我国在九十年代初期开始研究煤岩体化学注浆加固技术，并已经取得较好的经济效益和社会效益。[1,3]矿用煤岩体超前化学注浆材料-波雷因，在我国已成功地应用于邢台、淮南、晋城、峰峰、潞安等矿区数十个工作面顶板和煤帮化学注浆加固工程，为煤矿安全高效生产创造了相当可观的技术效益和经济效益。2.2煤岩体超前化学注浆固化机理（1）超前注浆在掘进工作面煤岩体开挖前进行预注浆称作超前注浆，就是利用浆液来充填和固结围岩（煤层）的裂隙面，提高围岩体强度，充分发挥煤岩体自身承载能力，保持围岩稳定、参与巷道围岩内应力平衡过程。[2]因此，煤岩体预注浆固化可显著提高巷道围岩承载能力，改善巷道成型和维护状况。顶板超前化学注浆加固围岩是一种经济有效的巷道稳定手段。（2）充填压密及转变围岩破坏机制断裂力学认为，连续介质内有裂隙时，在承载过程中会形成强烈的应力集中，在裂隙端部产生昀大应力集中，介质产生破坏就是在一定的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果。超前注浆时浆液在泵压的作用下，除了将一些较大的裂隙充填满，还可将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩，甚至使其闭合，提高围岩的弹性模量和强度。[4-5]根据试验得知，降低围岩体的孔隙率，可大幅度提高围岩体的强度。超前注浆固化可起到提高围岩强度和转变围岩体破坏机制的作用。（3）浆液固结体形成网络骨架浆液经挤压或渗透到围岩纵横交错的裂隙中固结，会形成网络骨架结构。形成网络骨架的高分子化学材料抗压强度不一定比围岩高，但此固结体具有良好的韧性和粘结性。当外载增加时，固化材料发生变形但不破坏，载荷主要由强度较高的煤岩体承担，这样围岩的破坏条件由原来的裂隙弱面强度条件向接近岩体强度条件转化。当外载超过围岩强度而发生较大变形时，固结材料的网络以其良好的韧性和粘结强度起到骨架作用，提高围岩的残余强度，限制其破坏的扩展，从而改善巷道维护状况。[5-7]化学注浆加固材料顶板超前注浆加固使用矿用波雷因化学浆。3.1.1波雷因化学浆的技术性能波雷因化学浆是一种高分子聚合物，具有较好的渗透性，与煤岩体均有较高的粘合力，在压力作用下可渗透到微裂隙之中，混合后反应膨胀凝固，形成致密的网络骨架体，对工作面顶板和煤壁起到有效的固结作用，其广泛应用于煤矿煤岩体加固工程，矿用波雷因加固材料，由专用包装桶包装，每桶净重30Kg。波雷因化学浆的优点有：①粘度低、渗透性好，可渗入到岩层微细裂隙或节理内；②具有优异的粘结强度，能与松软岩层粘结为一体，并增加松软岩层的整体性；③材料的凝胶体具有较好的延展性，从而能很好的适应岩层的较大变形；④材料反应后生成的凝胶体具有较强的机械强度，从而对松散岩层具有辅助支护作用；⑤材料能遇水发生膨胀反应，从而其还具有注浆堵水的效用。波雷因化学浆的技术参数见表1。表1技术参数Tab.1Technicalparameter序号技术参数技术指标1初凝时间（s）10～452终凝时间（s）60～903抗压强度（MPa）10～504粘结强度（MPa）3～55阻燃性能阻燃625℃浆液粘度（mpa·s）200～2207双液混合比1∶18膨胀倍数1～39浆液密度（g/cm3）1.233.1.2波雷因注浆加固材料的作用机理矿用波雷因注浆加固材料由体积相等的A、B两种化学材料组成，当采用专用的压注设备将波雷因A、B两种化学原料等量压注到破碎煤岩体后，经充分混合便发生一系列复杂的化学反应，生成对煤岩体具有较高粘结性的有机弹性体，人为地改善了松软破碎煤岩体的物理力学性能，有机弹性体在破碎煤岩体内膨胀、渗透、充满整个裂隙面形成网络骨架，起到补强加固作用、充填密实作用。在高压作用下甚至涨开、涨大微小的节理发育层面，浆液充填所有的裂隙。工作面揭露后松散煤岩体已粘结为一体，不易片帮、冒落，有利于及时、安全、有效支护作业。3.2化学注浆加固设备及其性能参数钻孔采用煤电钻或风动锚杆钻机打眼，并配备相应长度的钻杆和相应数量的Φ42mm钻头。封孔、注浆均采用QB-12型气动高压双液化学注浆泵，与注浆设备配套的进风管路为Φ25mm高压风管20m，出浆管规格为Φ10mm，长度10m、5m、2m各若干根，总计40m长。QB-12型气动高压双液化学注浆泵主要性能参数见表2。：12昀大排浆量20L/min3供气压力0.2～0.6MPa4耗气量1.5m3/min5重量60kg6外型尺寸（mm）1025×450×7003.3化学注浆加固动力系统及其性能参数通过高压管路供风，直到切眼工作面注浆加固迎头，接头规格为Φ25mm高压管。从掘进机上接出Φ10mm供水管，并接好阀门。根据煤体的承受能力和昀小抵抗面及工作面煤体围岩条件，供风风量不低于3m3/min，供风压力不低于0.5MPa。3.4顶板超前化学注浆加固方法3.4.1注浆孔布置根据煤岩体的具体特点和加固施工工艺，采用预先超前加固7m再向前推进4m，预留3m保护帽的注浆施工方案。巷道两帮根据掘进后的围岩情况决定是否需要注浆加固。巷道前方顶部采用单排注浆孔，每个孔孔深6m，注浆管长3～5m，封孔段长1.5～2m（直径42mm）。每个注浆循环掘进工作面煤壁布置4～6根注浆管。从工作面断面的上部开孔，孔间距为0.7～1m。对注浆管密度、深度和角度随时进行调整，钻孔布置示意图如图2所示。°钻孔间距20°图2回采巷道注浆钻孔布置图Fig.2Layoutofboreholegroutinginmininggateway3.4.2注浆压力根据断层带煤体的承受能力和昀小抵抗面及工作面围岩条件，当工作面供风风量不低于3m3/min，供风压力不低于0.5MPa时，注浆终压应为10～15MPa，扩散半径为1.1m左右。3.4.3注浆量预计（1）单孔注浆量按下列公式计算：=单式中：A——浆液的损耗系数，取1.05R——浆液有效扩散半径，取1.1mH——注浆段长度，取5mn——孔隙率，取0.6％B——浆液充填系数，取0.81.3——平均重复注浆系数，M——浆液密度，1200Kg/m3则：KgQ883.1/12008.0006.051.114.305.12≈××××××=单（2）每个注浆循环注浆量循环Q440Kg588Kg/NQ=×=×=孔孔单循环Q0Kg28551Kg52351min=×=×=WW每循环向前掘进4m，则平均每米进尺需要注浆量约110Kg。3.4.4施工工艺施工工艺：标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。3.4.5注浆施工工艺要求为保证化学注浆加固施工质量和施工安全，在化学注浆施工中应注意以下事项。（1）注浆人员在施工期间必须佩戴防护眼镜、橡胶手套等防护用品。作业场所必须备有一定量的清洁用水。（2）在高处打眼及安装注浆管时必须搭好平稳、牢固的工作台，地下支撑物必须牢固，并且要有人观察。（3）在操作封孔器时，不能正面面对，必须在注浆管内脉冲压力释放后再开启注浆阀门。（4）与注浆无关人员及注浆前方观察人员，必须在注浆加固区域10m以外，远距离观察，并佩戴好相应防护用品，随时与司泵人员取得联系。（5）司泵人员密切注意泵的压力和吸浆量的变化，并随时与前方观察人员联系。（6）配浆人员应保持浆液不吸空，随时观察泵的吸浆情况，保持两浆液的配比适中。（7）注浆完毕后，应立即用清水清洗管路，清洗完毕后应将泵、管路等归整码放整齐。（8）如浆液不慎溅到皮肤或眼睛内，应立即用大量清水冲洗，严重者应立即就医，人体不得接触化学注浆材料。（9）进行打眼、埋管、封孔、连管等作业时，应预先检查周围安全状况，尤其检查迎头顶板维护情况，不可违章作业。（10）注浆时连接管路的扁销必须使用正规的扁销。（11）施工前，施工地点要敲帮问顶，排除顶、帮浮矸危岩后再打眼、注浆施工。（12