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1、内蒙古不连沟煤矿F6103工作面切眼化学注浆加固施工技术方案 济宁浩珂矿业工程设备有限公司Jining Hock Mining Engineering & Equipment Co.,Ltd目 录第一部分 工程概况及控制思路3一、概述3二、顶板注浆加固治理目的及预期效果：3第二部分 高分子化学加固材料和工艺5一、各项技术内容及指标5二、马丽散浆液工程应用典型特性6三、工艺技术介绍7第三部分 化学注浆加固与结构补强实施方案与措施13一 注浆加固施工方案13二、工程材料预算16三、钻孔、注浆安全措施17第一部分 工程概况及控制思路一、概述F6103工作面长245m，设计切眼宽度为9.2m，高3.8
2、m，先开5.5m后再扩3.7m至设计宽度。6#煤为黑褐色，弱沥青光泽以暗煤为主参差状断口间夹少量亮煤条带属暗淡型煤局部为条带状结构块状构造局部有黄铁矿富集层，平均厚度为16m,采用放顶煤方式回采。 在掘进过程中，由于受断层影响，顶板整体性破坏，容易发生片帮冒顶现象严重，影响施工安全。现欲通过注浆方式加强切眼顶板，将顶部酥散围岩体重新固化为一个整体，提高煤体整体的承载力，增强煤体抗压强度，防止冒顶事故。围岩注浆加固是利用浆液把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能，改善围岩的物理性能。实践证明，围岩注浆加固是一种改善围岩结构及其力学性质、提
3、高围岩自承能力、降低支护成本、改善巷道支护效果的有效方法。二、顶板注浆加固治理目的及预期效果： 通过顶板注浆，提供合理的支护阻力，适应围岩变形，有效保持围岩稳定。其综合效果表现在以下六个方面：1）浆液固结体的网络骨架作用浆液经挤压或渗透到围岩纵横交错的裂隙中固结后，会在围岩中形成网络骨架结构。浆液固结体呈薄厚不一的片状或条状，几乎可相互连通形成网络骨架，马丽散化学材料和煤体的固结体具有良好的韧性和粘结性，当外载增加时，固化材料发生变形但不破坏，载荷主要由强度较高的煤岩体承担，这样围岩的破坏条件由原来的裂隙弱面强度条件向接近煤体强度条件转化。当煤体应力超过煤体强度发生较大变形时，固结材料的网络以
4、其良好的韧性和粘结强度起到骨架作用，提高围岩的残余强度，限制围岩破坏的扩展，从而改善维护状况。2）充填压密及转变围岩破坏机制的作用浆液在泵压的作用下，除了将一些较大的裂隙充填满，还可以将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩，甚至使其闭合，提高围岩的弹性模量和强度。经过注浆固化后，裂隙内充满固结材料，加上固结材料对裂隙面的粘结作用，使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而使围岩的破坏机制发生转变。另外，当围岩中存在较大的裂隙，裂隙附近的岩体处于二向应力状态，当裂隙内充满固化材料或压密后，将变为三向应力状态，而岩体在三向应力状态时的强度比二向时显著增大，并且脆性减弱、塑性增强。从受力状态来看，注浆固
5、化也起到了转变岩体破坏机制和提高围岩强度的作用。3）注浆改善锚杆受力状态注浆通过浆液渗透、压入等作用使得现有支护中形式中的端锚式锚杆转变为全长锚固或加长锚固长度，通过锚杆孔内注浆材料固结体反作用于围岩，阻止其变形，从而在锚固剂、注浆材料与围岩接触面上产生限制围岩变形的剪应力，使得锚杆与围岩形成一个整体，充分发挥锚杆支护作用。4)提高围岩体强度通过注浆, 能够改变弱面的力学性能, 即提高裂隙与煤岩体之间的粘聚力和内摩擦角,增大岩体内部块间相对位移的阻力,从而提高顶板岩体的整体稳定性。5)形成承载结构通过注浆加固, 可以使松散岩体重新胶结成整体, 形成承载结构, 充分发挥围岩的自稳能力。并且利用浆
6、液的渗透和扩散作用，封堵围岩裂隙，可阻止水气侵入内部岩体，防止水害和风化对煤体的进一步影响，对保持围岩力学性能，实现长期稳定意义重大。 第二部分 高分子化学加固材料和工艺高分子化学加固材料马丽散 是由两种组分组成（树脂和催化剂）的高分子化学产品，用于煤岩体的加固。产品的高度粘合力和良好的机械性能与煤岩体产生高度粘合，良好的柔韧性可以承受地层压力的长期作用，并且具有强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能，从而达到长久稳固煤岩体的目的。材料在注入到煤岩体裂隙中后，低粘度的混合物可以保持几秒到一分钟左右的液体状态，在扩散一定范围后反应结束，在煤岩体裂缝内反应、硬化，与煤岩体胶结，达到快速加固煤岩体
7、的目的。对于普通煤岩体加固剂，尤其是水泥基材料主要依靠泵压作用下的浓度渗透压力差机理来进行渗透的。而马丽散最大优点是能够发生膨胀，产生浆液在煤岩体裂隙中的二次渗透压力，其膨胀倍数可达到原体积的1.52.5倍。因此，其不仅依靠泵压作用的浓度压力差进行渗透，而且依靠材料本身的膨胀特性产生自身的二次渗透，使得浆液向四周扩散，这样浆液的扩散范围和充填密实度要比普通材料高出数倍。材料的使用需要一台双液注浆泵和一支混合枪。可以在干燥或潮湿的环境中使用，受环境的影响较小。 一、各项技术内容及指标马丽散反应前材料常温下为纯液态，具有良好的渗透性，可渗透到微小的裂隙中，反应时间短，快速固结并达到需要强度，反应过
8、程中放热量低；固化物强度高，强粘结性能保证与岩层的高度粘合，良好的柔韧性可以承受地层压力的长期作用；并且具有强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能，从而达到长久稳固岩体的目的。马丽散N技术参数如下:马丽散N双组分浆液性能序号项 目浆液性能树脂催化剂1外观无色透明液体深棕色油状液体2浆液密度/g/cm31.0101.0401.2201.2403初始粘度/mPas1302602403594混合体积比115反应开始时间（20）S65906反应结束时间（20）S110150马丽散N固化物性能序号项 目固化物性能1抗压强度/MPa 602抗拉强度/MPa 353拉伸剪切强度/MPa 124粘结强度/M
9、Pa 4.55膨胀倍数 1.22.56反应温度/ 140注：固化物性能的测定试龄期为24小时二、马丽散浆液工程应用典型特性1）均质围岩注浆后柔性网络骨架作用 浆液通过注浆扩散，在均质围岩裂隙中，枝状浆脉相互交叉形成的柔韧性网状结构。增加了岩体的整体结构和承载能力。2）遇水膨胀二次渗透和增阻粘滞作用 对于普通注浆材料，尤其是水泥基材料主要依靠泵压作用下的浓度渗透压力差机理来进行渗透的。而聚亚胶酯材料-马丽散最大优点是能够发生膨胀，产生浆液在裂隙中的二次渗透压力，不遇水情况下具有1.22.5左右的膨胀倍数，其遇水膨胀倍数可达到原体积的1020倍。因此，其不仅依靠泵压作用的浓度压力差进行渗透，而且依
10、靠材料本身的膨胀特性产生自身的二次渗透，使得浆液向四周扩散，这样浆液的扩散范围和充填密实度要比普通材料高出数倍。 普通浆液和化学浆液裂隙渗透情况示意 水泥类浆液只能对主裂隙通道进行注浆封堵，而高分子化学浆液其能够对次生裂隙通过进行封堵，依靠的主要是材料的扩散性能和二次渗透压力。浆液别注入到围岩裂隙后，产生二次膨胀，形成了二次渗透压力，浆液被挤压人次生裂隙通道，保证了材料的良好扩散和渗透效果。其次，材料的遇水膨胀二次渗透过程中，浆液在10秒内粘度增加情况，可以从100mPa.s增加到5000mPa.s。粘度增大，使得浆液的挂壁、粘滞和抗冲刷能力大大增强。三、工艺技术介绍高分子化学注浆加固技术是一
11、项具有很强实用性且应用范围广的工程技术，其利用液压、气压原理，把高分子化学浆液均匀地注入到具有孔隙、裂隙、节理等软弱结构的煤岩体中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，将煤岩体胶结成一个整体，使得煤岩体形成强度高、抗渗性能好、稳定性高的新结构体，从而改善煤岩体的物理力学性质，提高其整体性和强度。经过多年的实践，高分子化学煤岩体加固材料成了现代煤矿工程颇具特色，且不可或缺的一项先进技术。下面从设备、配件和工艺工法等方面对马丽散化学注浆工艺进行详细描述：1）双组份化学注浆泵-气动注浆泵（ZQBS-8.4/12.5）气动注浆泵由气动马达下方带动三个活塞，工作时吸料管分别插到两种液体料桶中，活塞泵通过吸排料
12、管抽运双组份材料的两种液体介质。两种液体压送比例为1：1，并且利用三个活塞截面积的不同和不同的组合实现不同的注射比例。两种液体分别通过高压软管压送到双液注射混合枪里混合，混合物通过注射管送到目的位置。气动双液化学注浆泵是一种中压气动注浆泵，为往复直喷式，活塞往复作功，无空行程。主要用于化学浆液、油、水等介质的单液浆或双液浆的注浆，可同时注3种不同的浆液。双液注浆时可获得3种不同的混合比。主要用于矿井、隧道、水利、地铁、建筑、桥梁施工中的加固堵水和充填密闭施工。主要技术规格与技术要求混合比 1：1，4：1，2：1流量/ L*min-1 8.4工作行程/mm 120往复频率/次，min-1 70耗
13、气量/ m3*min-1 2额定压力/MPa 12.5最大出口压力/MPa 21双液化学注浆泵注浆时将行程与回程的注浆量设计为相等，以便注浆时流量均匀，注浆缸在往复运动过程中负荷相等，运动平稳，冲击振动小。双液注浆泵主要由气动控制阀、气缸、注浆缸等几部分组成。工作原理如图7所示。采用压缩空气做动力。 图7 双液注浆泵工作原理图与实物图工作时压缩空气经进气开关首先进入差动阀的小腔，气动控制阀左位工作，压缩空气进入气缸活塞的上腔，由于下腔与大气相通，气缸活塞向下移动，并带动注浆缸运动，到达行程终点，下行程开关打开，压缩空气进入差动阀的下腔，气动控制阀右位工作，压缩空气进入气缸活塞的下腔，上腔与大气
14、相通，活塞向上运动，带动注浆缸向上移动，注浆缸产生真空，吸取浆液；同时由于活塞杆截面积为活塞腔截面积的一半，在吸浆的同时会输出吸取浆液的一半；气缸活塞到达上端行程终点，上行程开关打开，差动阀大端与大气相通，左位工作，气动活塞带动注浆缸向下运动，注浆缸下端活塞腔面积减小，浆液被挤出，到达下端行程终点，气动控制阀右位工作，如此往复循环，注浆缸不断输出浆液。2）环向膨胀式封孔器实现孔内定位封孔和注浆采用环向自冲式封孔器进行钻孔内注浆封孔。封孔器由阻尼片阻止浆液通过封孔器，因此浆液被压入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在钻孔壁上，产生环径向束缚力，造成压力迅速上升，阻尼片破裂，浆液进入钻孔内，橡皮片（其功
15、能类似于单向阀），阻止封孔器松脱。下图为此封孔器（型号：FKJ-38/5.5）的实物图和工作原理图。 3）双液注射混合枪 采用静态搅拌器和均匀混合器以及单向阀、球阀等组成的双液注射混合枪，具有安全、快捷和精准的特点。双液注射混合枪实现了双组份浆液的孔口自动配比混合。浆液通过混合枪达到混合和均匀搅拌的双重目的。 图9 双液注射混合枪4）注浆管、注浆锚杆。图 例名 称型号、规格注射管253.51000mm注射花管253.51000mm注浆采用无缝钢管进行注浆，注浆完毕后留在煤体中以加筋方式提高维护效果。并且，在实施过程中，为保证更好的控制效果，建议可采用新型锚杆支护方式中空注浆锚杆，在马丽散注浆方
16、式下进行全长锚注加固。4）注浆工艺和操作流程图11 双液化学注浆系统设备布置图（1）工艺参数(1)注浆压力。其是浆液在被注载体中扩散和渗透的动力，直接影响注浆加固和堵水效果。其受到岩体特征和注浆材料特性影响。因为目前我们所使用的化学浆液属于真浊液，其粘度低、粒径小、渗透性强，较水泥等悬浊液所需的注浆压力要小的多。一般注浆压力为48MPa。目前我公司的气动注浆泵（ZBQS8.4/12.5）最大注浆压力可达1820 MPa。（2）扩散半径及有效扩散距离。布孔间距和注浆压力是浆液扩散半径的主要因素。受裂隙展布影响，浆液在被注浆体中在各个方向的扩散距离并非均匀的，其与注浆煤岩体孔隙、注浆压力和注浆材料
17、性能密切相关。通过我们的施工经验积累，高分子化学浆液在普通裂隙开度和孔隙率下的扩散半径为1.52.5m。（3）注浆历时。化学浆液的注浆历时主要取决与不同类型材料的胶凝时间。从目前我公司现有的注浆材料特性及现场注浆经验积累来看，从开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中所需要的时间为一般为1020分钟。（4）注浆顺序。注浆顺序根据地质条件、现场环境及注浆目的来确定。对于裂隙沟通比较好的煤岩体可采用间隔跳孔注浆方式，来减少串浆，提高注浆效果；对于大面积范围应采用先外围，后内部的注浆顺序；对于破碎煤柱整体加固可采用深浅孔配合注浆方式；对于裂隙比较发育，跑冒浆液比较严重的注浆载体，可采用先浅部注浆，浆
18、液扩散后在浅部快速形成类似“止浆墙” 的具有止浆效果的整体煤体，再深部注浆，保证深部浆液扩散范围和注浆压力。图12 注浆工艺示意图（2）工艺特点与其他注浆技术相比注射马丽散具有以下优点： 工艺简单，操作简便。多功能注浆泵体积小，重量轻压风作动源。正常操作两人即可(一人观察巷道顶帮若漏浆用棉纱封堵；一人更换原料。观察注射泵的运转情况)。 专用封口器的设计合理。封口器一端有垫片，当浆液压力达一定值时，浆垫片冲开。浆液便经注浆管注入岩层。较其他方法封口简单。省时。 马丽散树脂和催化剂两种原料分别用塑料桶装。携带搬运方便，便于井下施工。 第三部分 化学注浆加固与结构补强实施方案与措施一 注浆加固施工方
19、案（1）注浆钻孔布置注浆孔：孔径42mm，孔深5米左右，据顶板以下1.5m开孔，封孔深度2.0米左右，间距为3.0m。图1注浆孔布置剖面图图2 注浆孔布置图单孔注浆量812桶（平均10桶材料即275Kg），根据现场实际情况调整。以上注浆参数可根据现场情况适当调整。（2）施工劳动组织1）人员配备采用三八制施工，井下交接班。每台注浆设备我方配备2-3名施工人员。2）施工设备设备名称型 号单 位数 量气动注浆泵ZQBS8.4/12.5台1顶板锚杆钻机部1空压机及其管路台1施工设备和人员可根据工程进度或矿方要求在以上技术上进行增加。（3）注浆操作步骤 在加固施工中，分为以下8个步骤：1）孔位的设计。针
20、对不同的注浆需要合理设计注浆参数，包括注浆孔深、方位角、孔径、封孔深度等参数；2）钻孔。钻孔需尽量按照注浆钻孔孔位设计参数进行，对于塌孔严重区域可直接采用自钻式注射管实现钻孔和注浆一体化进行；3）安设注射管。连接注射管和注射花管，按照封孔深度安装封孔器；4）连接设备供风管路和注浆管路。注浆管路连接好后必须进行压浆试验，以检查和确定注浆设备及管路的有效性和可靠性。并在压浆试验中注意观察材料混合比例，保证注浆效果；5）开始注浆。注浆过程中需按照注浆原则及时进行调整。密切观察注浆区域煤岩体变化，出现漏料、串浆现象要及时处理；6）达到停注要求后停止注浆。一般按照注浆压力、注浆量及返浆情况现场确定停注时
21、机；7）换孔注浆； 换孔注浆需及时，且拔注射枪前需稍泵送少许单液浆冲洗注射枪防止堵塞枪头。8）注浆完毕后，清洗设备和附件。在注浆完毕之前准备充足的清洗剂，按照注浆设备及材料使用说明进行设备清洗。图4 注浆加固系统设备及工艺图二、工程材料预算以下为对本项目的材料初步预算，在施工过程中若材料不够完成工程之需要，还需进行追加。名 称单 位单价(元)备 注马丽散 N吨36000.00注射管米50.0025mm，1m注射花管米50.0025mm，1m丝套个20.00快接个30.00单向阀个160.00封孔器个300.0038mm球阀个180.00公母DN13座阀个160.00枪头个310.00三、钻孔、
22、注浆安全措施1）钻孔安全技术措施1）施工人员必须熟知锚杆机、风钻的特点，掌握有关机具性能和操作方法，并经过施工操作规程培训，考试合格后方可上岗。2）锚杆钻机使用前，修理工必须详细检查钻机的完好性及各处联接头的紧固情况。操作人员把各操作按钮、搬手等均置于关闭位置，向油杯内注入机油，修理工抓紧风管头，打开压风阀门，吹净风带及风管内杂物及积水，关闭风截门后联接钻机各接头，用专用U型卡卡牢，通知司机注意后，打开截门，司机空载由慢至快试验钻机的钻动、升降及冲水情况确认正常后，再由另一人员插入钻杆抓紧护手，司机操作缓慢升起钻机至钻头接触到钻孔位置，同时打开冲洗水及钻机开关，待钻头进入岩体，钻机旋转稳定后，
23、再快速钻进。3）人员必须站在稳定、可靠、有支护的巷道内施工，严禁空顶作业。4）操作机具前首先要严格进行敲帮问顶，并在可靠、稳定的临时支护或永久支护下作业，确认安全后，方可进行施工。锚杆机前严禁站人。5）必须严格操作程序的要求，操作打眼机具，严禁违章蛮干，钻杆钻机必须两个人配合作业，一人操作机具，一人观顶换钎杆。6）司机必须双手抓紧手柄，精神集中，控制好转速及升降开关，确保高效安全。7）作业中发现不正常现象，应及时排除，不要带病作业，不要超负荷运转。8）在打眼施工过程中，必须选择合适的钻头和钻杆，保证钻孔直径、符合设计要求。9）锚杆孔的轴向偏差不大于5，有专人站在安全地点（有支护巷道内）按设计要
24、求定眼位标记，同时在钻杆上做标记，保证打眼深度。打眼时严禁来回拉动钻杆，以免扩大孔径。10）安装注浆管前，必须用压风或高压水吹（冲）净眼孔内残存物质，压风或高压水开启时，管口前方严禁站人，更不得将管口对准人。11）钻进时，操作人员要做到“三禁”及衣襟、袖口、裤脚要束紧，不准穿长襟大袖衣服；“三看”、“二听”、“一及时”，三看即看进尺速度，看压力表和孔口上水情况看水接头情况。二听即听机器运转声和孔内振动声。一及时即发现异常及时处理。12）打钻过程中，如发现孔内阻力增大且孔内排粉能力明显减弱时，必须停止钻进，进行检查，弄清情况后再做处理。严禁强行钻进，强行拔杆，在水压正常情况下，可采用进进退退，用
25、水来回掏孔，严禁蛮干。2）注浆安全技术措施为保证注浆加固施工质量和施工安全特制定本措施。任何参与注浆施工人员必须熟知本措施并保证在实际工作中严格遵守。1）注浆人员在施工期间必须佩戴防护眼镜、橡胶手套等防护用品，作业场所必须备有一定量的清洁用水。2）如遇高处钻孔及安装注浆管必须佩戴安全带，搭好平稳、牢固的工作台，地下支撑物必须牢固，并且要有人观察。3）封孔时，施工人员不能正对空口方向，防止浆液外窜伤人，换孔时施工人员必须在注浆管内压力释放后再拆卸拔枪。4）与注浆无关人员及注浆前方观察人员，必须在注浆孔口6米以外，远距离观察，并佩戴好相应防护用品，随时与司泵人员联系。5）司泵人员密切注意泵的压力，
26、并随时与前方观察人员联系6）司泵人员应保持浆液不吸空，随时观察泵的吸料情况，保持两种材料的比例正常。7）注浆完毕后，应立即用清洗剂（机油和水）清洗缸体和注浆管路，清洗完毕后应将泵、管路等规整码放整齐。8）如注浆不慎溅到皮肤或眼睛内，应立即用大量清水冲洗，严重者应立即就医，人体不得接触化学注浆材料。9）进行钻孔、接管、下管、封孔等作业时，应预先检查周围安全情况，防止顶板掉矸砸人，不可违章作业。10）注浆连接管路时要保证各部位连接牢固。11）施工前，施工地点要敲帮问顶，排除顶、帮浮矸危岩后，再钻孔注浆。12）一旦发现有围岩松动、跑（漏）浆、注浆压力突然骤降等异常情况，应立即停止注浆，查明原因，采取
27、措施后才可恢复注浆。13）任何参与注浆人员必须熟知与注浆地点相关的作业规程及操作规程要求，熟悉避灾路线并保证在实际工作中严格遵守。b）施工安全技术措施为保证化学注浆施工质量和施工安全特制定本措施。任何参与注浆施工人员必须熟知本措施并保证在实际工作中严格遵守。1）注浆人员在施工期间必须佩戴防护眼睛、橡胶手套等防护用品，作业场所必须备有一定量的清洁用水。2）如遇高处打眼及安装注浆管必须佩戴安全带，搭好平稳、牢固的工作平台，地下支撑物必须牢固，并且要有人观察。3）封孔时，施工人员不能正对空口方向，防止浆液外窜伤人，换孔时施工人员必须在注浆管内压力释放后再拆卸拔枪。4）与注浆无关人员及注浆前方观察人员
28、，必须在注浆孔口6米以外，远距离观察，并佩戴好相应防护用品，随时与司泵人员联系。5）司泵人员密切注意泵的压力，并随时与前方观察人员联系6）司泵人员应保持浆液不吸空，随时观察泵的吸料情况，保持两种材料的比例正常。7）注浆完毕后，应立即用清洗剂（机油和水）清洗缸体和注浆管路，清洗完毕后应将泵、管路等规整码放整齐。8）如注浆不慎溅到皮肤或眼睛内，应立即用大量清水冲洗，严重者应立即就医，人体不得接触化学注浆材料。9）进行钻孔、接管、下管、封孔等作业时，应预先检查周围安全情况，防止顶板掉矸砸人，不可违章作业。10）注浆连接管路时要保证各部位连接牢固。11）施工前，施工地点要敲帮问顶，排除顶、帮浮矸危岩后，再钻孔注浆。12）一旦发现有围岩松动、跑（漏）浆、注浆压力突然骤降等异常情况，应立即停止注浆，查明原因，采取措施后才可恢复注浆。13）任何参与注浆人员必须熟知与注浆地点相关的作业规程及操作规程要求，熟悉避灾路线并保证在实际工作中严格遵守。
