煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用.pdf

收稿日期２０１９􀆽 １２􀆽 ０９ 作者简介关俊红１９６４ － ꎬ男ꎬ山西武乡人ꎬ注册安全工程师ꎬ从事煤矿生产技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０５. ０１９ 煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用 关俊红 长治市煤矿技术服务中心ꎬ山西 长治 ０４６０００ 摘 要某矿在掘进 １５１０２ 工作面运输巷过程中承载 １５１０１ 采空区积水的挤压作用ꎬ并在运输巷掘进至 ６６０ ｍ 时ꎬ揭露复合地质构造带ꎬ造成顶板裂隙与采空区积水贯通诱发矿山水害ꎮ 为此ꎬ设计采用可注性、 黏结力和渗透性等方面均较好的复合浆对淋水段实施超前立体加固封堵ꎬ结果表明复合注浆可以对顶板 裂隙进行原位修复加固ꎬ有效治理顶板淋水ꎬ显著改善巷道的施工环境ꎮ 关键词复合注浆ꎻ淋水治理ꎻ顶板加固ꎻ采空区积水 中图分类号ＴＤ７４５. ２ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００５􀆽 ００４３􀆽 ０３ 随着我国浅部煤炭资源的枯竭ꎬ矿井逐渐向深 部发展[１]ꎬ水文地质条件复杂、地应力升高和各种 动力灾害导致矿井水害以及巷道围岩破碎现象日益 增多ꎬ不仅影响施工进度、恶化劳动环境、增加支护 排水费用ꎬ而且给煤矿带来重大安全隐患ꎮ 注浆是 防治水害的主要手段之一ꎬ可以显著改善围岩稳定 性ꎬ尤其是复合注浆在无需破坏原基础结构上ꎬ进行 原位修复加固ꎬ有效提高围岩承载能力以及改善承 载结构的受力性能[２ －４]ꎮ 本文以某矿 １５１０２ 工作面运输巷掘进中遇到顶 板淋水为工程背景ꎬ通过收集分析淋水地点的水文 地质资料ꎬ提出采用超前化学预注浆技术对运输巷 顶板淋水段进行治理ꎬ达到了封堵淋水裂隙、加固薄 弱地段及降低突水几率的目的ꎬ保障了巷道掘进的 顺利进行ꎮ １ 工程概况 某矿井田面积为 １７. ６８７ ｋｍ２ꎬ设计生产能力 １５０ 万 ｔ/ ａꎬ开采１５ 号煤层ꎬ１５１０２ 工作面埋深２３４ ３５７ ｍꎬ煤层倾角 ３ ５ꎬ平均煤厚 ３. ８５ ｍꎬ煤层赋存 稳定ꎬ容重 １. ４５ ｔ/ ｍ３ꎬ普氏系数 ＝２ ４ꎻ直接顶为泥 岩ꎬ厚度为 ０. ５ ２. ０ ｍꎬ黑色ꎬ质地较密ꎻ老顶为 Ｋ２ 灰岩ꎬ厚度 ５. ７５ ８. ３９ ｍꎬ深灰色ꎬ中厚层状ꎬ含生 物碎屑、方解石ꎬ质地坚硬ꎮ 回采巷道采用锚网索联 合支护方式ꎮ 在掘进 １５１０２ 工作面运输巷过程中承 受 １５１０１ 采空区积水水压ꎬ并在 ６８０ ７２０ ｍ 段穿过 复合地质构造带ꎬ造成顶板煤岩层位紊乱ꎬ巷道负坡 度掘ꎻ顶板裂隙与老空水导通给巷道顶板补给大量 水源ꎬ致使巷道掘进至 ６８０ ｍ 时迎头淋水达到 ３０ ｍ３/ ｈꎬ并有溃水可能ꎮ 施工环境的不断恶化ꎬ给 安全生产带来重大隐患ꎬ严重影响了掘进进度ꎮ 为 了保障煤矿正常生产ꎬ急需解决掘进期间顶板渗水、 溃水隐患问题ꎮ ２ 巷道顶板导水因素 运输巷道揭露地层在完整岩体中形成自由临空 面后ꎬ应力平衡关系遭到破坏ꎬ在围岩的变形、位移、 破坏和力的重新分布变化过程中难免会形成掘进空 间与充水水源之间的新导水通道或激活原有地质构 造ꎬ诱发矿山水害ꎮ 巷道围岩变形破坏主要受以下 因素的影响和控制ꎮ １ 围岩的力学性质、组构关系及其产出状态 的影响ꎮ 巷道掘进后ꎬ在一定空间范围内围岩形成 临空面ꎬ在构造应力及上覆地层自重应力的作用下ꎬ 围岩类似于受力状态下的悬空梁或板ꎬ直接顶的岩 层受力后必然会发生变形和位移ꎬ当这种位移和变 形达到一定程度后ꎬ便会超过围岩自身的强度极限 而使围岩发生垮落、破坏、离层等而形成导水通道ꎮ 大量观测资料证实ꎬ硬岩地层受力后容易发生碎胀 和破裂变形ꎬ从而形成易于地下水流动的导水通 道[５ －７]ꎮ ２ 围岩地质构造环境的影响ꎮ 在矩形巷道 掘进过程中顶板岩体结构本身强度较低ꎬ巷道四个 角容易产生应力集中ꎬ在应力重新分布过程中应力 超过顶板岩层的破坏强度ꎬ便会发生剪切破坏ꎬ顶板 岩层强度处于峰值后应力状态ꎻ穿过复合地质构造 带应力将可能会超越顶板岩层残余强度ꎬ同时承载 相邻采空区积水水压ꎬ加剧顶板岩层紊乱和破碎程 度ꎬ顶板裂隙向上发育并相互交叉ꎬ为诱发矿山水害 埋下隐患ꎮ ３４ 实实用用技技术术 总第 ２４９ 期 ３ 巷道掘进宽度的影响ꎮ 巷道的宽度越大ꎬ 则顶板岩层的弯曲变形量越大ꎮ 由于顶板泥岩抗弯 曲强度小ꎬ导致顶板变形量增大ꎬ增加岩层破坏、破 裂和垮落范围ꎬ从而使掘进所诱发的导水断裂范围 增加ꎮ ３ 注浆堵水加固机理 １ 通过对淋水段巷道顶板进行复合注浆ꎬ浆 液快速将破碎岩体以及渗水孔锚杆、索紧密有力地 铰接成整体ꎬ并与锚网索联合支护形成共同支护作 用ꎬ显著改善围岩结构性能和应力分布ꎬ减少围岩破 坏变形[８]ꎮ ２ 通过钻孔注浆后ꎬ复合浆可在瞬间凝胶形 成固体链接ꎬ密闭充填导水裂隙ꎬ降低围岩渗透率ꎬ 隔绝水源ꎬ堵漏止水ꎻ同时封闭微小孔、裂隙ꎬ阻止气 体侵入岩石内部ꎬ保持围岩的长期稳定性ꎻ防止地下 水及有毒有害气体渗透到工作面ꎮ 明显改善施工地 点环境和围岩的赋存环境[９ －１０]ꎮ ３ 利用高压泵将复合浆液充填到围岩裂隙 中去后ꎬ浆液快速凝固的同时改善岩体弱面的力学 性质ꎬ大幅提高裂隙内部的内聚力和内摩擦角ꎬ增大 岩体内部发生相对位移的阻力ꎬ提高围岩抗破坏的 能力以及整体的稳定性ꎬ有效避开相邻工作面老空 水的威胁[１１]ꎮ ４ 注浆加固治理方案 ４. １ 注浆方案 １ 为了治理运输巷掘进期间顶板淋水ꎬ保证 掘进安全ꎮ 提出两个治理方案 方案 １疏排积水ꎬ水泥注浆ꎮ １５１０２ 运输巷掘 进暂停ꎬ对巷道顶板 Ｋ２含水层及 １５１０１ 采空区积水 进行疏放水ꎬ减少巷道顶板 Ｋ２灰岩含水层富水性ꎻ 随后采取水灰比为 ０. ９ 的 ５２５ 号硅酸盐水泥进行注 浆ꎬ减小运输巷掘进期间顶板淋水并保障掘进安全ꎮ 方案 ２聚氨酯/ 硅酸盐复合注浆ꎬ疏放结合ꎮ 根据巷道与相邻采空积水区高差ꎬ合理调整留设 １５１０２ 运输巷与 １５１０１ 采空积水区之间防隔水煤 柱ꎮ 在运输巷 ６６０ ７２０ ｍ 段掘进期间ꎬ视情况采取 超前聚氨酯/ 硅酸盐复合注浆和合理疏排水手段治 理顶板淋水ꎮ 对锚索/ 锚杆孔出水流量小于等于 ２ ｍ３/ ｈ的出水点采用超前注浆方式对巷道顶板、两 帮进行封堵加固ꎬ每超前 ５ ｍ 为一个循环ꎬ共计 １２ 个循环ꎮ 对出水流量大于 ２ ｍ３/ ｈ 的出水点ꎬ采 取引流疏放ꎮ ２ 方案对比ꎮ 方案１ 优点对顶板 Ｋ２灰岩裂隙水及老空水源 疏放ꎬ直接减少淋水及突水威胁ꎻ水泥浆配置方便ꎬ 操作简单ꎻ材料来源广泛ꎬ价格低廉[１２]ꎮ 缺点普通 水泥浆抗分散性、渗透性差ꎬ凝胶时间难以根据需要 调节ꎬ粘结体强度小ꎬ性能整体偏差ꎬ难以达到设计 要求ꎮ １５１０１ 老空水积水量大ꎬ疏放水周期过长ꎬ １５１０２ 运输巷掘进受影响较大ꎬ从而影响矿井采掘 接替ꎮ 方案 ２ 优点复合浆粘度低ꎬ可注性强ꎬ能注 ０. １ ｍｍ以上裂缝ꎻ在动水条件下复合浆的抗分散性 强ꎬ包水量大ꎬ适用于流动水部位的堵漏或防渗ꎬ可 按工程需要调节浆液的凝胶时间ꎻ固结体抗渗性好ꎬ 具有高延展性ꎬ抗压强度可达 １０ ２０ ＭＰａꎬ抗拉强 度高ꎬ适用于结构补强和动水地层堵涌水[１２]ꎻ受温 度、酸碱度及微生物作用等外部环境影响小ꎬ耐持久 性好ꎻ巷道掘进与疏放水同时进行有利于矿井采掘 接替ꎻ可减少排水系统费用ꎻ顶板岩层加固后ꎬ岩层 稳定性增强ꎬ有利于巷道掘进期间支护安全ꎮ 缺点 增加注浆、打钻等费用ꎻ要求技术水平较高ꎬ需要多 种配套设备工艺ꎬ多行业、跨行业技术集成特点显 著ꎮ 两种方案综合比较ꎬ选取更加经济合理、安全可 靠的方案 ２ꎮ ４. ２ 复合浆材制备及性能 １ 复合浆材的组成ꎮ 按方案 ２ 设计要求ꎬ注 浆使用由主剂、扩链剂、促进剂和乳化剂组成的聚氨 酯/ 硅酸盐复合浆ꎮ 主剂包括异氰酸酯、聚醚和硅酸 盐ꎻ扩链剂由含两个或者两个以上官能团组成ꎬ能与 主剂形成聚合物单体ꎻ促进剂能引发聚合反应并调 节控制凝胶时间ꎻ乳化剂能分散溶液并增加溶液均 一性ꎮ 复合浆材配方如表 １ꎮ 表 １ 聚氨酯/ 硅酸盐复合浆材配方设计 原料硅酸盐 异氰酸酯聚醚ＭＯＣＡ 三乙烯 二胺 表面 活性剂 所起作用主剂主剂主剂扩链剂促进剂乳化剂 质量含量 / ％ ５０１６ ４９.３１００.５ １.０ ０.３ ０.８ ０.３ １.２ 将以上原料按照表 １ 配比分成 Ａ、Ｂ 两组ꎬＡ 组 由硅酸盐、乳化剂、聚醚、促进剂等组成ꎻＢ 组由异氰 酸酯等有机成分组成ꎬ注浆时将 Ａ、Ｂ 两组分按比列 混合即得聚氨酯/ 硅酸盐复合浆[１２]ꎮ ２ 复合浆的物化性质ꎮ Ａ、Ｂ 两组混合所得 复合浆液呈淡黄色ꎬ不含任何挥发性有机成分ꎬ具有 可注性、流动性和渗透性强的显著优点ꎮ 混合均匀 后ꎬ浆液黏度迅速增大ꎬ瞬间失去流动性并形成凝 胶ꎻ根据不同的配方设计ꎬ初凝时间和终凝时间可控 制在 １５ ９０ ｓ 和 ３ ５ ｍｉｎꎮ 依据 ＭＴ１１３１９９５ 标 准对复合浆材进行阻燃性测试ꎬ结果表明复合浆材 ４４ ２０２０ 年 ５ 月 关俊红煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用 第 ２９ 卷第 ５ 期 不能点燃或离火自熄ꎬ具有良好的阻燃性[１２]ꎮ ４. ３ 注浆设备 根据聚氨酯/ 硅酸盐复合注浆的特殊性ꎬ使用钻 头直径 ４２ ｍｍ 矿用风煤钻施工注浆孔ꎬ双液气动注 浆泵连接风动注浆泵进行注浆ꎬ注浆量以不发生大 量跑浆为准ꎬ且注浆压力不低于 ２ ＭＰａꎻ采用直径 １９ ｍｍ、长 ３ ５ ｍ 的注浆管ꎬ注浆时根据需要适当 截取ꎮ ４. ４ 注浆作业参数 ４. ４. １ 钻孔布置 根据运输巷 ６６０ ７２０ ｍ 段地质构造特点和注 浆工艺要求ꎬ采用矿用风钻机在巷道实揭起始位置 随掘随注ꎬ超前加固 ８. ０ ｍ 再向前掘进 ５ ｍꎬ预留 ３. ０ ｍ保护帽的注浆加固方案ꎮ 每个注浆循环迎头 布置 ４ ６ 根注浆管ꎬ封孔段长 １. ５ ２. ０ ｍꎮ 每个 循环布置三组注浆孔ꎬ具体参数如下 １ 顶板超前加固孔ꎮ １ 号 ３ 号孔方位角 ２７０ꎬ孔深 ６ ｍꎬ倾角 ３０ꎬ孔径 ４２ ｍｍꎻ ２ 左帮超前加固孔ꎮ ４ 号、５ 号孔方位角 ２４０ꎬ倾角 ０ꎬ孔深 ６ ｍꎬ孔径 ４２ ｍｍꎻ ３ 右帮超前加固孔ꎮ ６ 号、７ 号孔方位角 ２４０ꎬ倾角０ꎬ孔深６ ｍꎬ孔径４２ ｍｍꎮ 钻孔布置如图 １ 所示ꎮ 图 １ 复合浆加固迎头断面钻孔布置示意 根据构造带煤体承受能力和最小抵抗面及围岩 条件ꎬ复合浆扩散半径按 ２. ０ ｍ 考虑ꎮ 由于 １５１０２ 运输巷在掘进实揭后ꎬ揭露异常区段帮顶、巷道倾角 等可能与预测情况有所出入ꎬ可在施工中对注浆孔 密度、深度和钻孔角度做合理调整ꎮ ４. ４. ２ 注浆施工流程及要求 １ 注浆现场配备双液拨动注浆泵以及专门 配套的注浆装置ꎬ并进行安装调试ꎮ 随后将 Ａ 组和 Ｂ 组分别接入注浆泵进浆系统ꎬ调节体积比以 １∶ １ 比例进料ꎬ通过静态混合器自动混合ꎬ直接注浆ꎮ ２ 浆液的固化时间与现场温度有关ꎬ注浆 前ꎬ宜将两个组分在 １５ ３５ ℃温度下放置 １２ ｈ 以 上ꎮ ３ 现场要保证冷却水压和水量ꎬ严格控制注 浆量和注浆速度ꎮ ４ 在注浆间隙ꎬ为防止堵管ꎬ可用 Ａ 组分充 满混合头和管路ꎮ 在注浆结束后ꎬＡ 组分的管路可 以用水冲洗ꎬＢ 组分和泵体要用配套的专用清洗剂 或者机油清洗ꎬ清理现场并留人值班ꎮ ５ 结 语 １ 通过对 １５１０２ 工作面运输巷注浆段的观 测ꎬ发现聚氨酯/ 硅酸盐复合浆材经过合理配比能快 速凝胶对顶板大量渗水裂隙进行有效的充填密实ꎬ 从而达到堵漏止水效果ꎮ ２ 现场检测结果表明ꎬ注浆后ꎬ破碎岩块与 复合浆粘结形成的有效加固区有较强的承载能力并 呈陀螺形分布ꎮ ３ 通过注浆加固ꎬ有效维持了破碎围岩条件 下巷道顶板的稳定性ꎬ治理了顶板渗水以及煤柱溃 水隐患问题ꎬ确保了 １５１０２ 工作面运输巷的顺利掘 进ꎮ 参考文献 [１] 张 农ꎬ彭赐灯美. 煤矿岩层控制理论与技术进展 [Ｍ]. 徐州中国矿业大学出版社ꎬ２０１８. [２] 钱鸣高ꎬ石平五. 矿山压力与岩层控制[Ｍ]. 徐州中 国矿业大学出版社ꎬ２００３. [３] 杨培举ꎬ刘长友ꎬ吴锋锋. 厚煤层大采高采场煤壁破坏 规律与失稳机理[Ｊ]. 中国矿业大学学报ꎬ２０１２ꎬ４１ ３３７１ －３７７. [４] 安保山. 综放工作面过陷落柱注浆加固技术的应用 [Ｊ]. 煤ꎬ２０１８ꎬ２７７２３ －２５. [５] 高岗荣. 煤矿立井预注浆堵水技术[Ｊ]. 建井技术ꎬ ２０１７ꎬ３８４１８ －２３. [６] 钱闪光ꎬ李 云. 岩土工程施工中注浆技术的应用分 析[Ｊ]. 绿色环保建材ꎬ２０１８９１６９ꎬ１７２. [７] 侯广清. 破碎煤岩体巷道加固与支护技术问题研究 [Ｊ]. 能源与节能ꎬ２０１８９１３７ －１３８ꎬ１４２. [８] 王 宁. 矿山掘进巷道注浆加固技术的探讨[Ｊ]. 世界 有色金属ꎬ２０１８６８８ －８９. [９] 刘昊鹏. 西铭矿综采工作面过断层注浆技术应用[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０１８１８ －１０. [１０] 马艳云. 破碎顶板预注浆加固相关技术[Ｊ]. 陕西煤 炭ꎬ２０１７ꎬ３６６１０９ －１１１. [１１] 贾传伟ꎬ郑宝星. 高分子双液型化学材料在大断层堵 水注浆加固中的应用[Ｊ]. 山东煤炭科技ꎬ２０１７１１ ９１ －９２ꎬ９５. [１２] 候朝炯. 巷道围岩控制[Ｍ]. 徐州中国矿业大学出 版社ꎬ２０１３. [责任编辑路 方] ５４ ２０２０ 年 ５ 月 关俊红煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用 第 ２９ 卷第 ５ 期