底鼓巷道高性能注浆加固材料试验研究及应用

张玉竞，张 辉，宋勤法，姜彦军，姚丙傲，何小军

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454003;2.河南省新郑煤电有限责任公司，河南新郑451100)

近年来，随着我国煤炭开采进入深部开采，矿压显现越来越严重，在采动压力的影响下，巷道底鼓日益严重［1－3］。根据巷道所处的地质条件、巷道底板围岩性质和应力状态，底鼓一般可分为:挤压流动型底鼓、挠曲褶皱型底鼓、剪切错动型底鼓、遇水膨胀型底鼓［4］。软岩巷道底鼓控制一直是煤矿巷道围岩控制的重大难题之一，目前国内外专家学者研究发展了很多控制底鼓的方法，归纳起来有:加固法［5］(混凝土反拱、封闭式支架、底板锚杆、底板注浆、砌碹等)、卸压法［6－7］(切缝、钻孔、卸压煤柱、松动爆破等)、联合法。底板注浆［8］控制底鼓是利用注浆材料充填岩体裂隙，使破碎的岩体固结成整体，改善巷道围岩应力分布，提高承载力，并封闭围岩裂隙，防止地下水的渗漏，从而达到控制底鼓的目的。研究和实践表明，目前常用的注浆材料虽能够提高围岩力学性能，但仍存在着一些缺陷［9］，如在湿度大、膨胀性岩体中会造成围岩软化;刚性注浆材料难以适应围岩的剪胀、流变特征;注浆材料收缩率大，难以充填密封细微裂隙。通过对国内外注浆材料进行改进，研究开发了一种微膨胀、防渗、强化、经济的高性能注浆材料。通过试验室试验和工程应用研究表明，该注浆材料能够较好地控制软岩巷道底鼓。

1 高性能注浆材料

1.1 高性能注浆材料组成

考虑到注浆材料的可注性及固结强度，并兼顾防渗、抗拉等因素，优化设计出高性能注浆材料的组成如表1所示。

表1 高性能注浆材料组成及作用

1.2 高性能注浆材料各组分配比试验及分析

黏度、结石率、固结体强度是影响注浆效果的主要因素。在利用水泥、粉煤灰、膨润土等作为基料的注浆液中，其合理的配比是影响凝结时间、黏度及固结体强度的决定性因素。根据水泥－粉煤灰浆液［10］、水泥－膨润土浆液［11］中粉煤灰和膨润土的比例初步设计试验方案，以水灰比为1、水泥、粉煤灰、膨润土、NaCl、复合外加剂，抗拉增强剂不同配比进行了一系列的试验，运用正交试验法安排试验［12］，试验方案及结果见表2(试验中水泥为1，抗拉增强剂为3%，影响因素及位级见表3)。

从试验结果可看出:各组分配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶NaCl∶复合外加剂∶抗拉增强剂=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3时浆液固结体的强度最好;各组分配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶NaCl∶复合外加剂∶抗拉增强剂=100∶20∶10∶1∶3∶3时浆液流动性最好。综合考虑，高性能注浆材料主要用于巷道底鼓注浆，对巷道底板及围岩进行加固，故优先考虑固结体的强度指标，其次考虑注浆液的黏度指标，选定高性能注浆材料的各组分配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶NaCl∶复合外加剂∶抗拉增强剂=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3时结石率高。

表2 正交试验方案与结果

表3 影响因素及位级

1.3 高性能注浆材料不同水灰比试验

试验室研究了水灰比对浆液漏斗黏度的影响，具体试验结果见图1。

图1 水灰比对高性能注浆材料漏斗黏度的影响

从图1中可以看出:随着水灰比的增大，浆液漏斗黏度相应减小，说明浆液流动性变好，稠度降低，有利于注浆。

试验室研究了水灰比对固结体强度的影响，具体试验结果见表4。

表4 水灰比对高性能注浆材料抗压强度的影响

由表4可知，随着水灰比的增大，固结体抗压强度降低。水灰比大时，浆液泌水率大，固结体含水量高，孔隙率大，造成固结体强度降低。但水灰比过小，浆液干硬，以致无法保证注浆质量，使固结体不太密实时，强度将会下降。

综上，水灰比对注浆材料的漏斗黏度及固结体强度有很大影响。水灰比过小，浆液流动性差，凝结时间短，易堵塞注浆管，注浆作用半径小，达不到理想的注浆效果;水灰比过大，浆液凝结时间长，易析水，破坏固结体的连续性，稳定性较差。注浆材料既要考虑浆液固结体的强度，又要兼顾流动性及可注性，综合考虑，高性能注浆材料合适的水灰比为0.8～1.0。

1.4 高性能注浆材料膨胀试验

对高性能注浆材料硬化浆体采用比长仪法测试材料膨胀率。比长仪是按《水泥胶砂干缩试验方法》(GB751－81)的要求测定试件各龄期的干缩率及按JC313－82标准测定膨胀率的新型仪器。本次试验所用比长仪为ISO－158型，试件制备完成后在养护箱中养护，保证试件一直处于湿润饱和状态，每天对膨胀量进行测量。试验结果见图2。

图2 不同龄期硬化浆体膨胀量

试验测得不同龄期硬化浆体最大膨胀量达到0.62mm，相对膨胀率为0.39%(硬化浆体试样长度为158mm)。试样在7d内膨胀迅速，此后逐渐收缩，膨胀量基本稳定在0.55左右，相对膨胀率0.35%。总体来看，高性能注浆材料硬化浆体膨胀率较低，表明材料在富水潮湿环境中能够保持较好的完整性，能够有效降低水的破坏，膨胀变形较小，可以在潮湿有积水的巷道进行工程应用。

2 工程应用

2.1 工程概况

某煤矿西翼2采区轨道上山位于二1煤底板，距二1煤6～8m，巷道坡度25°，总长度560m，断面为半圆拱形，断面尺寸为4200mm×3400mm，水平标高－640～－824m，巷道埋深较大，已属深部开采。轨道上山涌水量较大，位于粉砂岩中，水平节理，含钙质、泥质结核，遇水易膨胀变形，裂隙发育。轨道上山顶板和两帮采用锚梁网索喷联合支护，底板无支护，顶板下沉量及两帮移近量较小，底鼓严重，部分区域底鼓量高达1400mm，给矿井安全和正常生产带来很大困难，平均2～3个月就要进行一次维修。通过对试验区域地质及支护情况的分析可知，巷道严重底鼓的原因是底板岩层扩容变形及两帮移近挤压，属应力挤压流动与底板遇水膨胀复合型底鼓，针对这种情况，提出了对轨道大巷运用高性能注浆材料进行注浆加固的方案。

2.2 注浆参数设计

对轨道上山应用高性能注浆材料进行注浆加固，试验注浆长度80m。注浆采用深浅孔梯度注浆，注浆孔在巷道底板左右对称布置，具体布置及参数见图3。注浆孔直径50mm，孔口直径108mm，封孔长度不低于0.6m。注浆材料选用研发的高性能注浆材料，水灰比0.8～1.0，注浆压力不低于3MPa，并根据实际注浆情况进行调整。

图3 底板注浆孔布置示意

2.3 注浆施工过程

根据设计的钻孔参数，使用锚杆钻机成孔。成孔后插入注浆管 (在管壁0.6m以下部分均匀布置小孔)，并采用布袋封孔，封孔长度不低于0.6m。待封孔牢固后，即可进行注浆。注浆时采用先浅后深，先底角，然后依次从两边向中间的顺序进行注浆，浆液的配制要严格按照要求进行配比。在每班注浆结束后或因故需要暂停注浆较长时间时需要对注浆泵和注浆管进行清洗，防止浆液凝固堵塞。

2.4 注浆观测结果分析

为验证注浆效果，在试验巷道中均匀布置3个观测点，在观测点采用十字布点法布置监测断面，对巷道顶底板移近量进行测量，顶底板移近量如图4所示。

根据现场监测数据分析，底板注浆试验前巷道底鼓量相对较大，平均达1250mm，最大高达1600mm，注浆试验20d后巷道顶底板变形量明显减小，巷道变形已趋于稳定，底鼓量平均仅为130mm，最大量为200mm，相比注浆前减少了近90%，说明通过注浆，底板整体性及强度明显提高，底鼓得到了很好地控制，减少了巷道后续维修费用，增加了服务年限。

图4 巷道顶底板相对移近量

3 结论

(1)根据注浆材料各组分配比的正交试验，综合考虑强度、黏度指标，优化高性能注浆材料的配比，得出高性能注浆材料配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶NaCl∶复合外加剂∶抗拉增强剂=100∶20∶7.5∶1.5∶4∶3，理想的注浆水灰比为0.8 ～1.0。

(2)试验测得硬化浆体最大相对膨胀率为0.39%，表明在渗水、潮湿巷道中应用具有微膨胀性。

(3)高性能注浆材料在某煤矿进行了注浆加固试验，试验表明:采用高性能注浆材料对底板进行注浆加固控制底鼓效果明显，在底板岩层形成一个完整的注浆加固圈，提高了底板岩层完整性及承载力，并有效封闭了底板岩层裂隙，防止积水渗入，降低了底板扩容膨胀。

(4)采用高性能注浆材料对底板注浆加固，既有效治理了底鼓，又消耗了大量粉煤灰，使粉煤灰变废为宝，降低了注浆工程费用，具有良好的技术经济效益，推广应用前景广阔。

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