于耀华

（神华国能集团大南湖一矿，新疆 哈密 839000）

1 工程概况

大南湖一矿位于新疆哈密市哈罗公路89 km 处，主采3#煤层，煤层埋厚平均100 m，强度很低，硬度系数0.66，巷道维护困难。矿井四条大巷布置于3#煤层中，巷道围岩较为破碎。其永久避难硐室位于辅助运输大巷与回风大巷联络巷之间，硐室顶底板主要由粉砂岩、炭质泥岩及细砂岩组成，整体岩性较为软弱，。该硐室受矿井开拓及0301 工作面回采两次扰动影响，3#煤层埋藏较浅，上覆关键层薄弱，加之该处巷道硐室密集布置，围岩应力集中现象明显，导致该永久避难硐室顶板变形，底鼓明显，裂隙发育及少量渗水等现象，维护困难[1-2]。

2 注浆工艺设计

2.1 注浆材料选取

根据巷道围岩松散破碎情况，在选择注浆材料时应考虑以下因素：浆液的凝固时间适当可调，用以控制浆液的流动范围；浆材结成实体最终强度高；浆液结实率高，与煤具有良好的粘附性；浆液流动性好，配比容易调节；浆液具有足够的稳定性；浆液成本低廉，无毒无害无味。常规的化学注浆材料价格较贵，注浆成本较高，而水泥浆液注浆又存在初凝时间较短、注浆深度有限的问题[3-4]，因此需要一种新型的性能良好而且价格经济的矿井注浆材料。

粉煤灰自身理化特性较好，是一种具有较高潜在活性的硅酸盐材料，可以广泛地应用到各类建筑材料中。由粉煤灰制备的粉煤灰基低聚物是一种性能优异的胶结材料，通过合理的配比试验可以配制出满足相应流动性和强度的矿井注浆材料[5-6]。

大南湖一矿围岩破碎程度中等，裂隙宽度不大，所以本次设计中注浆材料为粉煤灰-水泥-水玻璃，采用双液注浆工艺。水泥选用超细水泥，即42.5 普通硅酸盐水泥+5%的石膏经超细粉磨而成超细水泥。超细水泥可以增加注浆材料的流动性。混合材料选用粉煤灰和矿渣，充分利用资源，降低注浆材料的成本。辅助材料选用高效减水剂（HWR-1）。活性剂选用35～45 Be’，模数为2.8～3.2 的水玻璃。水泥浆液中水灰比为1.0:1～1.5:1，超细水泥中HWR-1 掺量范围1%～1.5%，在水泥中掺粉煤灰量的范围为40%～50%。这种配比可以提升浆液的流动性，节约注浆材料的成本，有利于巷道围岩的加固。

2.2 巷道围岩注浆参数设计

在本次注浆设计中，主要的注浆加固参数包括：注浆压力、注浆钻孔布置及孔深、封孔长度等。

注浆压力由围岩渗透性、粉煤灰注浆材料的性能和渗透范围等确定。根据弹塑性理论，利用Mohr-Coulomb 屈服原则计算得塑性区应力，并结合巷道围岩破碎及围岩强度等情况，得到塑性区应力为2 MPa，设计正常注浆压力为2 MPa。当围岩裂隙发育严重破碎时，注浆压力不超过1 MPa，当裂隙开度较小时可采用1～2 MPa。当巷道底板需要注浆时，注浆压力一般要高于顶板和帮部的注浆压力，一般控制在2.0～3.0 MPa。当采取多次注浆时，第一次注浆终孔压力一般控制在1.5～2.0 MPa，第二次注浆压力要高于第一次注浆压力，一般注浆压力可控制在2.5～3.0 MPa。

注浆深度的确定主要依据破碎区和塑性区的深度，一般破碎区注浆效果显著，容易注浆；塑性区裂隙小，应力水平较高，渗透性能差，注浆效果不明显。所以为保证破碎区围岩的充分固结，注浆深度应深入破碎区达到塑性区边缘较合适，利用经验公式估算裂隙发育半径

ry=（0.78+1.55γh/σc）×a

式中：γh为岩石体积质量与巷道埋深乘积，反应围岩应力因素，该矿取25 MPa；σc为岩石强度，巷道围岩50 m 范围内岩层平均强度值，取35 MPa；a 为巷道半径，取1.8 m。

带入得裂隙发育范围为3.4 m，井下现场打锚索测试，巷道围岩变形较大范围约为2.5 m。为了有助于将注浆材料深入破碎区，提升注浆效果，故在本次设计中，巷道两帮及顶板注浆孔施工具体参数见表1。

两帮及顶板的注浆孔，封孔长度一般为0.8～1 m，具体实施时可以根据漏浆情况进行调整。如果漏浆较轻时可以减少封孔长度，漏浆严重时，可适当增加封孔长度。

2.3 注浆系统及工艺

井下注浆按粉煤灰注浆材料比例配置好的水玻璃、辅料、粉煤灰和水泥等材料分别先存放于搅拌桶A 和搅拌桶B 中，然后分别向搅拌桶A 和B 中加入粉煤灰注浆材料比例所要求水的量，分别制成浆液A 和浆液B。随后将A、B 浆液分别通过吸浆管A 和吸浆管B 连接于双液注浆泵上，双液注浆泵的出浆管A 和出浆管B 经混合器混合之后，由插入注浆孔的混合管将浆液注入到注浆地点的巷道围岩中。通过充分的搅拌，粉煤灰与水可以充分结合，更好地传输浆液。井下注浆系统如图1，注浆工艺流程如图2。

表1 注浆孔施工参数

图1 井下注浆系统图

图2 注浆工艺流程图

注浆管是巷道围岩注浆工艺中极为重要的一部分。本次注浆孔插管长度2 m，采用长2 mDN20 钢管，钢管前端用套丝机车丝，丝长10～15 mm，前端留100 mm。整个注浆管末端500 mm 均焊上缠绕的细铁丝，以增加埋放注浆管时棉麻缠绕的摩擦力。在管底焊接球阀接口，接口前端安装厚度为10 mm的托盘一个，以防止注浆压力较高时候封堵的棉麻被冲出。注浆管前端剩余部分加工均匀布置的圆形出浆口，出浆口间距设计为200 mm。注浆管外露不得大于100 mm，封孔长度不小于800 mm，缠绕细铁丝以增加埋放注浆管时棉麻缠绕的摩擦力。注浆管布置如图3。

图3 2.5 m 孔注浆管示意图

3 注浆效果检验

通过注浆前后巷道围岩位移检测法来进行验证。采用“十”字布点法对巷道围岩变形进行观测，对6～8 月期间观测点的顶板及上帮、顶底板及两帮距离进行观测，测点间距10 m。

为了方便分析数据规律，将所测数据绘制成时间—位移曲线。鉴于坐标范围的差异，为了能够体现差异，并且较为明显地观察到距离变化和变形速度大小，将变化范围相近的顶板及上帮距离放在一起，而两帮和顶底板的距离分别绘制如图4、图5、图6。

图4 测点注浆前后顶板及上帮距离变化曲线

图5 测点注浆前后顶底板距离变化曲线

图6 测点注浆前后两帮距离变化曲线

通过观察注浆前后围岩变化图，对比图4、图5 和图6 注浆前、中、后三个时期的围岩距离变化曲线，注浆前巷道的两帮距离、顶板距离的变化速度都比较大，在注浆后20 多天内距离变化速度有所下降。到注浆后1 个月，由于注浆材料基本全部凝固胶结，将硐室围岩中的裂隙、破碎带都填充结合起来，使破碎围岩形成一个整体，增加了围岩的强度，硐室的距离变化程度和变化速度均明显下降。从注浆前后硐室围岩表面距离逐渐收敛的变化速度可以发现，围岩的注浆效果非常明显。

注浆前和刚注浆完成这两个时间段内，曲线斜率即围岩的变形速率较大，说明刚注浆一段时间后，由于注浆材料处于凝结阶段，未能将破碎围岩或裂隙等岩层胶结成为整体，从而使其强度变大。对比刚注浆完成和注浆1 个月后这两个时间段内围岩距离变化情况，发现曲线斜率明显下降，而且有逐渐趋于稳定的趋势。这是由于注浆材料基本全部凝固胶结，将硐室围岩中的裂隙、破碎带都填充结合起来，增加了围岩的强度，使硐室围岩变形量和变形速度均明显下降，围岩状态慢慢趋于稳定。

4 结论

（1）粉煤灰含量、水玻璃添加比、水固比这三个因素决定了化学反应的反应速率和程度。高掺量粉煤灰注浆材料具有较好的流动性和强度，满足矿井注浆材料的要求。

（2）在矿井注浆作业中对围岩的加固胶结过程可以分为初始原岩阶段、胶结过渡阶段、加固稳定阶段这三个阶段。其中胶结过渡阶段受矿井环境影响较大，高掺量粉煤灰注浆材料能够充分地渗透入破碎围岩的裂隙中并与之进行充分的胶结，增加围岩完整性，提高围岩的承载能力。

（3）注浆效果随地质条件和施工工艺差别而有所不同，对于裂隙较小且发育方向复杂的围岩环境，会出现注浆材料不能很好地进入破碎带和裂隙导致即使加固后仍有围岩变形的趋势。对于注浆时不易注入，影响注浆效果的点，可以通过减小注浆孔间距，使裂隙等尽量连通，以增加注入量，或是调整注浆孔角度等方式来达到更好的注浆加固效果。