化学浆堵水与支护在高压含水破碎段的研究应用

李晓飞 陈桢宇 赵兴东

（1.山东黄金集团有限公司，山东 济南 250101；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

深部开拓过程中，已揭露巷道受爆破振动影响，可产生隐蔽含有高压水的破碎构造带导通。由于岩体极其松软破碎，且破碎带中含水时，极易引起突水事故的发生和巷道顶板的持续垮冒，给施工人员带来严重的安全隐患。该类岩体一旦发生垮落则难于控制，垮落后的空间常常远大于设计巷道尺寸，难于维护，更加剧了岩体的破碎程度。针对这一问题，国内外工程技术人员开展了大量的研究。目前，针对穿过高地压、高温、高压涌水的破碎构造带的方法可分为改善围岩自身受力和直接对围岩提供辅助支护两大类，而改善围岩自身受力的支护方法中针对上述复杂地质条件的方法主要采用注浆支护，但当前较成熟的传统水泥注浆技术成本高、效率低、劳动强度大［1］。由此可见，对含水破碎段治理及支护方式是深井施工面临的一项问题。

本研究在国内外学者研究的基础之上［2］，总结当前技术经验，学习研究国内外针对穿过高地压、高温、高压涌水的破碎构造带的新技术、新理论和新方法，提出复杂地质条件“化学浆封堵淋水+U型钢+化学浆加固空区”支护方案新技术，解决高压含水破碎巷道施工难度大的问题。

1 工程背景

焦家金矿焦家分矿斜坡道下掘，14中段运输巷、14中段配电室、14中段石门巷等工程多处出现顶帮大面积涌水情况，并随着工程的延伸不断新增，涌水量合计约150.88 m3/h，采场范围内主要为裂隙渗透水，无涌水，局部有淋水现象，对岩石的稳固性有一定影响。图1为其中一个淋水点示意。

2 岩石力学调查

在出水点前后各20 m处进行岩石力学调查工作［3］，采用测线法进行相应数据收集，见图2，由岩石力学工程师对测线法测得的相关参数结果，运用RMR岩石质量分级方法对淋水点附近岩石进行地质力学分类［3］。

2.1 岩石质量指标RQD

RQD值为测线法测得超过10 cm完整部分的长度总和与测线总长度比值［4］，可以广泛应用于评价岩体的完整性。对现场巷道测量来说，该方法简单可靠，可有效评估岩体质量［4］，将不同区域分析得到的RQD值填入相关表1中。

2.2 节理调查结果

对巷道周边岩石情况、周边环境以及围岩情况进行调查，将调查结果进行现场节理分析，各区段岩体调查点、节理裂隙见图3。

3 化学注浆堵水

-630 m大巷运输巷道岩石整体破碎，涌水量较大。为保证巷道稳定，在对大出水点进行了水泥注浆后，顶板小裂隙淋水和滴水难以处理，整个巷道淋水量约为30 m³/h，为此设计了化学浆封堵淋水，化学浆采用聚氨酯类HK9105和LW化学注浆素材［5］。施工工具采用ZBQS气动双液注浆泵。化学浆封堵淋水方案措施：采用YT-28风动凿岩机进行打孔，通过打孔找到裂隙水源，孔深1.5 m为大约裂隙深度，然后埋设孔口管，将裂隙水堵住。然后根据裂隙水情况，进行化学浆封堵淋水先施工顶板注浆孔，然后施工两帮注浆孔，对裂隙进行有效封堵。

对淋水量较大的出水点，加固破碎带四周时需要谨慎处理，防止化学浆堵水后因裂隙导通使水源扩散到别处，增加堵水处理难度。如果出水点或预留引水管位置破碎，则需在完好岩壁打引水泄压孔，制造可控出水通道，同时封堵处理原破碎出水点，再进行高压灌浆封堵。

4 化学注浆支护

4.1 第一阶段的U型钢加固

巷道顶板虽然经过化学注浆封堵加固，但在深部高应力作用下顶板仍然可能出现塌方，为保证施工安全［6］，对该巷道进行U型钢支护，要求U型钢支护间距为1 m/架，为保证车辆正常施工，其中高度4 200 mm，宽度4 400 mm，U型钢支架截面厚度200 mm，半圆拱半径2 000 mm，柱腿高度1 800 mm，柱窝深度200 mm。

4.2 第二阶段的化学浆支护

选用廊坊鑫美源化工建材有限公司生产的井下注浆聚合物（美多宝），利用原材料A、B组份混合膨胀的原理对空区进行充填，材料自动膨胀到位，对任何一个裂隙自动回填，可以使膨胀材料与岩体及U型钢结合为一个整体，性能稳定。而且专用材料抗静电阻燃效果极佳，膨胀后不会缩小，经久耐用，数年后不会腐烂，遇明火不燃，无毒无害不会产生有害气体，充填主要材料为酚醛树脂［7］，井下空区使用有效膨胀率在10倍左右，黏结强度大于＞0.5 MPa，阻燃性能为不燃。

施工工艺为首先对U型钢支架顶部用土工布及金属网进行密封，然后向空区内注入环保化学材料井下注浆聚合物（美多宝），由内到外逐步注入直到空区完全充实。通过该工艺可充填加固已支护U型钢支架上部空区的巷道，使其顶板不再发生变化，提高巷道稳定性［8］。

通过在高压含水破碎段运用高效注浆堵水新技术，迅速封堵淋水后，采用U型钢+化学浆加固空区，在破碎岩体内人工形成了一个稳定的顶板，可有效防止松动块的塌落，改善围岩的受力状态，提高深部开拓工程的施工进度。方案的工艺示意见图4。

5 效果

为了对该中段运输大巷注浆加固后的破碎岩体整体稳定性进行有效评价，在巷道顶板进行了钻孔取芯工作［9］。通过钻孔取得的岩心可以看出化学浆封堵淋水不仅仅起到了封堵涌水的作用，还对破碎岩体起到了一定的加固作用，见图5。采用化学浆加固U型钢支护空区，从取样结果来看，整个空区充填均匀，具有一定的强度，属于柔性支护，使得巷道顶板整个破碎岩体性能得到了提高。化学浆液在空区进行膨胀形成的聚合物具有较强的力学性能，经过点荷载试验仪进行实验，计算的其抗压强度达到52 MPa，且黏聚性比较好，能够承受较大应力，不产生变形破坏。

6 现场应用

6.1 工业试验地点

根据确定的焦家金矿高压含水破碎段采用化学注浆堵水与支护方案，进行现场工业试验，验证所提出支护方案的合理性。选取附近巷道，该巷道与原巷道距离30 m，涌水情况，岩石主要技术参数基本一致。

6.2 工业试验结果

在-630 m运输巷采用“化学浆封堵淋水+U型钢+化学浆加固空区”方案施工结束（图6）后，在巷道顶板1、2，两帮1、2，安装6处巷道围岩收敛变形监测系统，对巷道围岩进行收敛变形观测，评价支护效果［10-11］。该巷道施工完毕后对其进行连续监测，开始进行支护方案的现场工业试验，巷道收敛变形监测周期为2019年12月30日—2020年2月8日，共计约1个月。

图7显示了加固空区前后收敛变形监测断面顶板和两帮监测结果。从图中曲线可以看出，在巷道施工中，起点为进行封堵淋水后，巷道两帮及顶板变形量逐步增大，当采用U型钢支护后直至化学浆加固空区，巷道基本处于稳定，但2 d后巷道两帮及顶板仍出现变形，变形量约为5 mm，两帮约为2 mm。当采用化学浆加固空区后，两帮及顶板基本趋于稳定。整个过程可以看出最大变形量为6 mm出现在两帮，顶板围岩最大变形量为25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，该巷道进行化学浆封堵淋水+U型钢+化学浆加固空区支护后，巷道中所设的监测点的围岩变形基本趋于稳定，并在后期监测中一直保持稳定，围岩累计变形量不再增加。由此可以得出结论，该支护方式以及相应支护参数的选取能够有效保证焦家金矿高压含水破碎带构造顶板两帮在一定时期的稳定性。

7 结论

采用环保的化学材料替代水泥对涌水点进行注浆，效率高、成本低，同时在注浆范围破碎岩体内人工形成了一个稳定的顶板，形成一个人工假顶。在破碎不规则巷道，采用U型钢支架后，会形成不同大小的空区，因工期原因往往不能及时浇筑，导致U型钢支架难以最大限度承受荷载，使其不能将作用发挥最大，当顶板来压，容易出现塌方，导致U型钢毁坏。用改性聚氨酯注浆材料填充U型钢支架空区不仅速度快而且改善了围岩本身的力学性能，使得U型钢与化学浆材料及周边岩体形成一体，提高了围岩的自支撑能力。另一方面，改变U型钢支护的状态，使得U型钢被填充层均匀地加压，使得周围的岩石填料与U型钢可以形成共同的载体。通过壁后填充，减少了巷道围岩的应变速率，使巷道变形得到了有效的控制。改性聚氨酯注浆材料的填充不仅填充压实，而且效果好，施工过程简单，技术要领易于掌握，大大降低了工人的劳动强度，加快了开挖速度。

通过化学浆封堵淋水+U型钢+化学浆加固空区方案新技术，在迅速堵水后，于破碎岩体内人工形成了一个稳定的顶板，提高巷道稳定性。同时能够节约注浆成本、降低排水电耗。