顶板局部破碎带充填注浆加固技术研究

顶板局部破碎带充填注浆加固技术研究

秦建政

（山西华晋吉宁煤业有限责任公司  山西  042100）

摘要：由于周边采矿活动及地质结构的作用，吉宁矿2111回风巷在60至500米区间内遭遇了围岩变形问题。此段内，多根锚杆出现松动，顶板因碎裂形成了网兜结构。为了确保顶板安全，防止事故发生，对顶板局部破碎区域实施充填注浆加固措施变得极为关键。本文详细研究了针对巷道顶板破碎区域的小范围控制注浆充填技术，深入分析了注浆材料的工业特性、注浆加固的技术原理及施工流程，为相关工作提供了坚实的理论支持和技术指导。

关键词：煤矿；顶板；破碎带；充填注浆加固；技术研究

0 引  言

在软岩区域的断层破碎带挖掘巷道时，通常采用锚网支护作为主要的支撑方法。锚杆能直接加强围岩，固定裂开的岩石，并提升岩石间的摩擦力。但是，在实际运用中，这种支撑方法有一些不足之处。由于断层破碎带的巷道围岩松动范围往往较大，围岩的锚固效果并不理想，破碎的围岩难以给锚杆提供坚固的支撑点。另外，如果在这些巷道中仅使用均匀的锚网支护，而不对支护结构的薄弱环节进行加强，这也是导致巷道围岩变形和失稳的主要原因。因此，必须针对巷道变形和破坏的根本原因，采取恰当的支护加固措施，以控制断层破碎带软岩巷道围岩的变形。

1 选用注浆材料的工艺特点

通过将水泥与水玻璃以特定比例混合，制得一种名为CS浆液的材料，其中“C”指水泥，“S”指水玻璃。这种浆液以水泥和水玻璃为主要成分，通常以双组分形式注入。实际应用时，可根据工程需求添加多种辅助材料。CS浆液的引入，有效解决了传统单组分水泥浆液在凝固时间过长、难以控制及结石率低的问题。这种改进显著提升了水泥注浆液的性能，并扩大了其应用领域。CS浆液尤其适用于防渗和加固注浆工程，在地下水流动快的地质条件下，使用该混合浆液能迅速堵漏，有效控制地下水流动。因其广泛应用和显著效果，CS浆液已成为重要的注浆材料。与传统注浆材料相比，CS浆液具有更多优势，主要包括以下几点：

（1）水泥-水玻璃浆液的凝固时间较短，可精确控制在几秒至数十分钟范围内。凝固时间受水泥种类、水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃与水泥浆体积比及浆液温度影响。通常规律是，水泥中硅酸三钙含量越高、水泥浆水灰比越低、水玻璃溶液浓度越低、水玻璃与水泥浆比例越小、温度越高，浆液凝固时间越短。

（2）水泥-水玻璃注浆材料具备了可调节的凝胶时间特性，这使得在进行注浆作业时，能够精确地控制浆液在地层中的扩散情况。这种精确控制对于确保在地下水动力条件下浆液能够顺利凝固至关重要。此外，这种材料是无毒无害的，对于环境友好，同时它的价格经济实惠，具有很高的性价比。

（3）水泥-水玻璃浆液在固化后具有极高的结石率，几乎所有的浆液都能够成功地转化为结石体。这种结石体在早期强度增长方面表现得非常迅速，施工完成后的短时间内就能展现出较强的抗压强度。这种特性对于确保工程的质量和稳定性具有非常重要的意义，因为它能够为工程提供必要的结构支持和稳定性。

（4）针对不同地质条件选择适宜的注浆参数，可有效确保止水帷幕连续性。这种连续性对工程安全至关重要，能防止水渗透和流动，达到预期有效厚度。有效厚度的实现进一步增强了工程结构的稳定性和耐久性。

（5）施工设备简便，降低了设备购置和维护成本，使施工过程更灵活高效。施工技术易于掌握，施工人员无需长时间专业培训即可操作，缩短了工程准备时间，降低了人力成本。总体而言，施工过程成本较低，对控制工程总预算有积极影响。

2 充填注浆加固技术原理

利用水泥浆和水玻璃这两种材料作为双液浆的混合成分，并借助ZBQ-27/1.5-A型增压矿用气动注浆泵进行液体输送，我们能够精确地掌握双液混合后的凝固时间。这种技术的运用，确保了在达到既定压力后，浆液能自动向四周扩散并固化，实现了对双液注浆充填范围的精确控制。通过这种精确控制，我们能在特定区域形成预定的充填体，有效完成矿井内部的充填、隔断和支撑工作。首先，精确控制顶板破碎带的预定范围进行注浆和充填，逐步替代有毒有害气体积聚的空间，同时阻断有害气体通过裂隙进入巷道的路径。其次，利用混凝土充填体将巷道两帮连接，形成稳固的支撑结构，增强巷道顶板的承重能力。浆液完全固化后，在注浆区域安装顶板离层仪，实时监测顶板变化，通过数据分析和记录，及时了解顶板的安全状况。

3 施工方法

在进行巷道顶板加固的过程中，我们采用了注浆技术。首先，需要在顶板上打孔并安装注浆管。这一过程使用了YT28气腿凿岩机进行打眼作业，孔径设定为φ50mm，孔与孔之间的间距以及排与排之间的距离都保持在1000mm×1000mm的标准。注浆管是用φ45 mm的镀锌钢管制作而成，其规格为φ45 mm×500 mm。在封堵孔口时，我们采用了长度为500mm的孔口管，并根据现场实际情况适当调整孔口管的长度。为了确保封堵效果，我们使用了软木止浆塞进行封口处理。注浆孔的长度是根据钻探参数进行布置的，目的是确保注浆孔能够深入到破碎裂隙的范围内，并且能够接触到稳定的老顶。在注浆材料的选择上，我们使用了双液水泥－水玻璃浆液。其中，水泥选用的是42.5级的普通硅酸盐水泥，水灰比严格控制在1：1.5的范围内，而水玻璃与水泥浆液的体积比则为1：1。为了保证浆液的质量，我们要求浆液结石率不得低于92%，同时浆液固结体的强度不得低于20 MPa。在注浆过程中，我们对注浆压力进行了严格的控制，确保其不超过2.0 MPa。

4 注浆加固填充的关键技术

在运用双浆液注浆技术的过程中，有几个核心的技术环节是至关重要的：

（1）钻孔成孔技术。目前，在地质工程领域，普遍采用地质钻机从垂直方向进行钻孔作业。这种方法的优点在于成孔速度快，可靠性高，且容易控制钻孔的垂直度，从而确保钻孔作业的精确性和高效性；

（2）针对不同地层采取不同的注浆参数。这是因为在不同的地质条件下，地层的物理和化学特性会有所不同，因此需要根据地层的具体情况来调整注浆的参数，以提高注浆加固的均一性。通过这种方式，可以确保注浆效果达到预期目标，从而提高工程的整体稳定性和安全性。

（3）凝胶时间以及结石强度的精确控制。水泥-水玻璃浆液最重要的性能之一就是凝胶时间和结石强度的可控性。经过研究发现，影响水泥-水玻璃浆液胶凝时间长短的因素主要包括以下几点：首先是水泥品种，通常情况下，水泥中硅酸三钙的含量越高，胶凝速度就越快。其次是水灰比，水灰比的降低会导致胶凝时间的缩短。第三是波美度，波美度越低，胶凝速度就越快。第四是水泥浆与水玻璃的体积比，在其他条件保持不变的情况下，水玻璃的掺量越少，则胶凝速度越快。第五是浆液温度，随着温度的升高，胶凝时间会加快。最后是外加剂的使用，通过添加外加剂可以有效改变浆液的凝胶时间。例如，加入促凝剂Ca(OH)2，可以加速浆液的胶凝过程；而加入缓凝剂磷酸氢钠Na2HPO或木素，则可以显著延缓凝胶时间，达到缓凝的效果。

5 结语

在煤矿行业中，局部破碎带充填注浆加固技术得到了广泛应用。本项目专注于对巷道顶板的破碎区域实施有限范围的控制性注浆充填。通过预先钻孔并注入浆液，破碎区域得以充分填充和压实。为了防止浆液溢出，我们采用了水玻璃与水泥浆的混合配方，这不仅增强了凝固效果，还提高了粘稠度，确保了整体结构的稳定性。这种方法既保证了工作效率，又有效预防了顶板塌陷等潜在风险。

参考文献：

[1]陈嘉炜.水泥-水玻璃双液浆在基坑止水帷幕补漏中的应用[J].城市建设理论研究,2012-12-15 .

[2]李猛毅，孙彪.马盘岭隧道赶工技术措施[J]. 中国水运,2012-03-05.