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大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术

2023-08-05 来源:钮旅网
 第42卷第12期

 2014年

12月

CoalScienceandTechnology

煤炭科学技术

Vol􀆰42 No􀆰12 Dec. 

2012 

采矿与井巷工程大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院ꎬ北京 100083ꎻ2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室ꎬ北京 100083ꎻ

3.新阳煤业有限责任公司ꎬ山西吕梁 032306)

杨仁树1ꎬ2ꎬ薛华俊1ꎬ郭东明1ꎬ李涛涛1ꎬ何天宇1ꎬ高宗明1ꎬ3

摘 要:为解决曙光煤矿轨道巷矿压显现剧烈、巷道变形严重等问题ꎬ通过优化合理的注浆参数ꎬ采用深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道软弱煤帮进行加固支护ꎬ对巷道稳定性进行了研究ꎮ研究结果表明:软弱煤帮注浆加固支护使巷道原来破碎的围岩形成一个整体ꎬ提高了围岩其自承载能力ꎬ减轻了巷道顶板承载压力ꎻ采用深浅孔相结合的注浆方式对浅部巷道围岩实现封闭ꎬ使锚索能在深部围岩产生了有效的拉力ꎻ采用对两帮注浆加固方式的巷道两帮移近量较一帮注浆方式降低约50%ꎬ较巷道原有支护方式ꎬ降低约85%ꎬ巷道围岩整体变形得到了有效控制ꎮ关键词:矿压显现ꎻ软弱煤帮ꎻ注浆加固支护ꎻ破碎围岩

中图分类号:TD353   文献标志码:A   文章编号:0253-2336(2014)12-0001-04

LaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineeringꎬBeijing 100083ꎬChinaꎻ3.XinyangMineLtd.ꎬCompanyꎬLyuliang 032306ꎬChina)

(1.SchoolofMechanicsandArchitectureEngineeringꎬChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)ꎬBeijing 100083ꎬChinaꎻ2.StateKey

YANGRen-shu1ꎬ2ꎬXUEHua-jun1ꎬGUODong-ming1ꎬLITao-tao1ꎬHETian-yu1ꎬGAOZong-ming1ꎬ3

GroutingReinforcementSupportTechnologyofSoftand

WeakCoalSidesinLargeSectionRoadway

Abstract:InordertosolveproblemsofseriousstratabehaviorsanddeformationofroadwayinShuguangMineꎬthepaperstudiedthestabil ̄tosupportweakcoalsidesofroadway.Theresultsshowedthatgroutingreinforcementinweakcoalsidescouldpromotethebrokensur ̄roundingrocktoformawholestructureꎬandimprovetheself-bearingcapacityandreducethebearingpressureofroadwayroof.Thegrou ̄deepsurroundingrock.Theroadwaydeformationofgroutingintwosidesdecreasedabout50%comparedwithgroutinginonesideandde ̄creasedabout85%comparedwithoriginalsupportmethod.Itcouldcontroltheglobaldeformationofroadwaysurroundingrock.Keywords:stratabehaviorꎻweakcoalsidesꎻgroutingreinforcementsupportꎻbrokensurroundingrock

ityofroadwaybyoptimizinggroutingparametersandusedthecombinedsupportofanchorcableandgroutingwithdeepandshallowholestingcombinedwithdeepandshallowholescouldclosetheshallowsurroundingrockandformeffectivetensionpointofanchorcablein

0 引  言

  巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术ꎬ为了提高煤矿企业经济效益ꎬ近年来大多数煤矿巷道均布置在煤层中ꎬ提高了巷道掘进速度ꎬ减少了矸石排出ꎬ减轻了煤矿生产对地面环境的污染[1-2]ꎮ但由于煤巷围岩软弱、破碎、松散ꎬ强度远小于岩巷ꎬ

巷道压力显现强烈ꎬ围岩变形量大ꎬ稳定性难以控制ꎬ特别是针对服务年限长的煤巷ꎬ锚网联合支护技术已不能满足支护要求ꎬ必须通过二次注浆支护技术来加固围岩[3-4]ꎮ注浆法是利用压力将固结浆液通过钻孔注入破碎围岩孔隙中ꎬ使其物理力学性能得到改善的一种方法[5-6]ꎮ注浆加固是从原位对破碎煤岩体进行改性ꎬ使裂隙发育的煤岩体固结成完

收稿日期:2014-06-11ꎻ责任编辑:曾康生  DOI:10.13199/j.cnki.cst.2014.12.001基金项目:国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目(51134025)

作者简介:杨仁树(1963—)ꎬ男ꎬ安徽和县人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮ通信作者:薛华俊ꎬ博士研究生ꎮE-mail:xuehuajun7792@163.com引用格式:杨仁树ꎬ薛华俊ꎬ郭东明ꎬ等.大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术[J].煤炭科学技术ꎬ2014ꎬ42(12):1-4.

YANGRen-shuꎬXUEHua-junꎬGUODong-mingꎬetal.GroutingReinforcementSupportTechnologyofSoftandWeakCoalSidesinLargeSectionRoadway[J].CoalScienceandTechnologyꎬ2014ꎬ42(12):1-4.

2014年第12期

整性较好的煤岩体[7-8]ꎮ随着注浆技术的不断进步ꎬ以加固支护为目的的巷道围岩注浆技术先后在金川镍矿、山东龙口矿、徐州旗山矿、抚顺矿区等多个复杂地质条件下的巷道工程中得到了广泛应用[9-10]ꎮ注浆加固不仅能够有效控制围岩变形ꎬ改善支护效果ꎬ而且以水泥为主的注浆材料成本低、无毒无害ꎬ施工技术简单ꎬ使其逐渐成为一种极具潜力集团曙光煤矿二采区轨道巷软弱煤帮支护为研究背的巷道围岩控制技术[11-12]ꎮ笔者以山西汾西矿业

煤炭科学技术

2 原支护条件下巷道稳定性分析

第42卷

  曙光煤矿二采区轨道巷原支护方式是:锚杆呈“矩型”布置ꎬ顶板锚杆使用ø20mm×2400mm的左750mm×900mmꎮ锚索选用7股左旋预应力钢绞线制作ꎬ每排3根ø17􀆰8mm×6500mm的钢绞线锚索ꎬ间排距为1300mm×1800mmꎮ钢筋网采用旋螺纹钢锚杆ꎬ间排距为900mm×900mmꎮ帮部锚杆使用ø16mm×1800mm的A3钢锚杆ꎬ间排距为

景ꎬ针对巷道围岩强度低、变形严重、松散破碎等特征ꎬ通过深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道软弱煤帮进行加固支护ꎬ有效地解决巷道变形大的问题ꎬ保证巷道长期安全稳定ꎮ

1 工程概况

 年限 曙光煤矿二采区轨道巷设计长度30年ꎬ巷道埋深约500mꎬ巷道断面形状为直4000mꎬ服务墙半圆拱ꎬ巷道掘进宽度4􀆰94mꎬ净宽4􀆰7mꎬ直墙高度m1􀆰6mꎬ掘进断面积16􀆰99m22ꎬ净断面积15􀆰72采区运输原煤ꎬ属于大断面永久煤巷、通风、行人ꎮ、巷道掘进目的为满足二

管线敷设等要求ꎮ巷道东为集中轨道巷ꎬ西为2号煤层实体ꎬ北距待掘二采区运输巷40mꎬ南距二采区回风巷30mꎬ巷道平面布置如图1所示ꎬ由于采区为压煤区域ꎬ为方便通风ꎬ采区采用跳采方式ꎬ巷道帮部2号煤层上分层厚度1􀆰27~2􀆰48mꎬ平均1􀆰73mꎮ由于沉积环境等因素所致ꎬ采区内2号上煤层变化较大ꎬ2号下煤层为0􀆰局部可采煤层ꎬ厚度0~0􀆰94mꎬ局部缺失ꎬ平均

细砂岩或泥岩40mꎬ夹矸厚度、页岩0􀆰ꎬ28~号煤层倾角1􀆰25mꎬ为泥岩0°~ꎬ煤层底板为10°ꎬ该煤呈褐黑色、块状、玻璃光泽、半亮型煤ꎬ煤层结构简单ꎬ普氏系数f=0􀆰6ꎮ

图1 二采区轨道巷平面布置

ø6􀆰10005mmmmꎬ钢筋焊制而成网格长×宽=ꎬ150规格长mm××150宽=mmꎬ2150压茬连mm×接ꎮ喷浆所用水泥采用标号325矿渣硅酸盐水泥ꎬ混凝土强度标级为C20ꎮ二采区轨道巷有3个完整的褶曲构造以及一些小型圆弧褶曲ꎬ地质构造较为复杂ꎬ褶曲构造的轴部断层较多ꎬ并且巷道帮部围岩为(2号煤层ꎬ普氏系数为0􀆰6ꎬ效应未能充分发挥索)在围岩中不产生有效拉力围岩松散破碎ꎬ故巷道自开挖以来ꎬ锚杆(索ꎬ锚杆ꎬ巷道混凝土)高强抗拉喷层大多脱落ꎬ巷道变形较为严重ꎬ影响了巷道安全正常使用和人员安全ꎮ

3 巷道注浆加固支护技术

 持巷道稳定性 为优化巷道支护条件ꎬ对巷道软弱煤帮进行注浆加固支护ꎬ减小巷道围岩变形量ꎬ维ꎬ

从根本上解决巷道围岩变形大的问题ꎮ曙光煤矿二采区轨道巷注浆加固采用2种方式:①巷道帮锚索加固支护+两帮注浆方案ꎻ②巷道帮锚索加固支护+右帮注浆方案ꎬ每种方案试验巷道长30mꎮ3􀆰 1 注浆加固工艺

帮各施加 曙光煤矿二采区轨道巷锚索加固支护3根长ø21􀆰6mm×5500mm的锚索ꎬ巷道两ꎬ间排距均为1000mmꎬ支护方式如图2所示ꎮ

图2 锚索加固支护断面

 行加固支护 采用深浅相结合的注浆方式对巷道软弱煤帮进ꎬ浅部注浆封堵巷道浅部破碎围岩ꎬ为巷道深部注浆起到一个止浆层的作用ꎻ深部注浆加固

巷道深部围岩ꎬ使帮锚索在围岩中形成一个有效的拉力点ꎬ发挥锚索自身的抗拉作用ꎮ

杨仁树等:大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术2014年第12期

  1)浅部封孔注浆ꎮ在注浆前ꎬ要对巷道未喷射

所示ꎮ

混凝土段和喷层开裂处进行喷射混凝土封闭ꎮ首先按间距1000mm、排距1500mm打设孔径50mm、孔深1500mm的注浆孔ꎬ然后插入长度1000mm、管径48mm的注浆钢管ꎬ注浆管外露长度50mmꎬ注浆孔呈“22”布置ꎮ下入注浆管时ꎬ其外端部缠绕适量麻线ꎬ锤击硬性打入ꎬ实现注浆孔口密封ꎬ其后进行注浆ꎮ采用间歇注浆方式ꎬ间隔时间为30s左右ꎬ注浆压力为0􀆰8~1􀆰0MPaꎬ并保持此压力15min图4 注浆管设计

3􀆰3 注浆参数设计

  水泥水玻璃浆液配制见表1ꎬ注浆按照开始注时ꎬ可关闭阀门ꎬ结束注浆ꎬ结束后及时封孔以防浆液泄流 ꎮ

头按间距 2)深部加固注浆mm、1000ꎮ首先用直径为50mm的钻mm、孔深mmꎬ管径5mm、排距1500mm打设孔径5048500mmmm的注浆孔ꎬ然后插入长度3500部缠绕适量麻线注浆孔呈“212”的注浆钢管ꎬ锤击硬性打入布置ꎮ插入注浆管时ꎬ注浆管外露长度50ꎬ实现注浆孔口密ꎬ其外端封ꎬ其后进行深部注浆ꎮ注浆进浆量大时ꎬ需加大注浆浓度ꎮ采用间歇注浆方式ꎬ间隔时间为30s左右MPaꎬꎬ逐渐加大注浆浓度ꎬ开始注浆压力为0􀆰8~1􀆰020minꎬ当注浆压力达到可关闭阀门ꎬ结束注浆3~4MPaꎬ结束后及时封孔以时ꎬ并保持此压力防浆液泄流ꎮ在注浆前ꎬ要对巷道未喷射混凝土段和喷层开裂处进行喷射混凝土封闭ꎮ注浆孔布置如

图3所示ꎮ

图3 注浆孔布置

3􀆰 2  选用标号注浆材料

45°Bé按1m3水泥浆需水玻璃量为425的普通硅酸盐水泥28􀆰ꎻ水玻璃模数

66L计算ꎬ水玻璃密度取1􀆰4g/cm3封孔mm钢管ꎻ注浆管采用管径ꎬ其上焊接长度为48ꎻ麻线缠绕在注浆管上进行15mm、mm长度的钢管作为挡环1000和3500便于施工时硬性打入注浆孔ꎮ注浆管设计如图4ꎬ

浆ꎬ浆液浓度较稀ꎬ注浆中浓度渐浓ꎬ最后封孔的原则进行ꎬ即先用水灰比(质量比)1∶1的稀浆注入ꎬ再用水灰比0􀆰6∶1􀆰0的浆液封孔(0􀆰7~0􀆰8)ꎮ

∶1􀆰0的浆液注入ꎬ最后按

表1 水泥水玻璃液浆配制

水灰比水泥用量/kg

用水量/L

水玻璃用量/L浆液量/L0􀆰0􀆰6∶1􀆰0500􀆰750301􀆰1􀆰53~1􀆰7248􀆰1􀆰8∶1􀆰00∶∶1􀆰1􀆰00

503550

4050

1􀆰53~1􀆰7253􀆰11􀆰5353~~1􀆰1􀆰7272

58􀆰168􀆰11

 浆压力控制在 施工中浆液的平均水灰比控制为3~4MPaꎻ浆液扩散区域如图0􀆰8∶51􀆰所示0ꎻ注ꎬ

浆液扩散半径为1􀆰5mꎮ在注浆加固区域内ꎬ松散煤体形成整体ꎬ其物理力学性质得到改善ꎬ帮锚索在煤体中有较好的拉力点ꎬ能较好发挥自身高强抗拉支护作用ꎮ

图5 浆液扩散区域

 的顺序进行 每段注浆时采用自外向里ꎬ以减少串浆影响ꎬ、注浆顺序为隔排隔孔、自下而上:单数排单数孔-双数排双数孔-单数排双数孔-双数排单数孔ꎮ注浆孔单孔浆液注入量V计算公式:

V=(A+1)(πR2HnB+πR3nB/2)/M式中:A为浆液消耗系数ꎬ取10%ꎻR为以钻孔中心为基点的浆液扩散半径ꎬ取1􀆰5mꎻH为注浆段长ꎬ

2014年第12期

煤炭科学技术

第42卷

浅孔与深孔分别取1􀆰5和5􀆰5mꎻn为岩层平均裂隙1m范围外平均裂隙率3%ꎻB为浆液充填系数ꎬ取0􀆰9ꎻM为浆液结石率ꎬ取0􀆰85ꎮ

  故浅孔单孔浆液注入量q1=(A+1)(πR2H1n1×量q2=(A+1)(πR2H2n2B+πR3n2B/2)/M≈1􀆰5429m3ꎮ巷道各段浆液注入量Q=k1q1(1-f)+k2q2(1-B+πR3n1B/2)/M≈0􀆰5554m3ꎻ深孔单孔浆液注入f)ꎬ其中:k1、k2分别为巷道围岩浅孔、深孔注浆数率ꎬ巷道周边1m范围岩层平均裂隙率取6%ꎬ大于

为70cm左右ꎬ两帮注浆方式的巷道两帮移近量较一帮注浆方式降低约50%ꎬ较巷道原有支护方式ꎬ降低约85%ꎮ注浆加固支护能有效控制巷道围岩变形ꎬ而且两帮注浆较一帮注浆加固支护效果更为明显ꎬ通过注浆加固软弱煤帮ꎬ能支撑巷道顶板载荷ꎬ对控制巷道顶底移近作用也很大ꎮ

5 结  论

  1)通过对曙光煤矿二采区轨道巷软弱煤帮采量ꎻf为相邻孔的重复区域系数ꎬ取15%ꎮ二采区轨道巷试验段注浆孔数为210个ꎬ其中1500mm深的孔120个ꎬ5500mm深的孔90个ꎮ将单孔浆液注入量ꎬ结合注浆孔数可得预计试验巷道浆液注入量Q≈174􀆰7m3ꎮ

4 巷道稳定性监测

 板下沉 曙光煤矿二采区轨道巷由于巷道两帮变形、底鼓现象比较严重ꎬ进行软弱煤帮注浆加、顶固ꎬ对其进行矿压观测ꎬ以对现有巷道支护参数进行优化设计ꎬ达到安全生产的目的ꎮ图6为2种注浆加固支护方式巷道两帮和顶底板移近量随时间变化曲线ꎮ

图6 巷道移近量-时间曲线

 护方式时 由图ꎬ6巷道移近量在前可知ꎬ采用两帮加锚索右帮注浆加固支

10d内变化很快ꎬ其中10—20两帮移近量达天ꎬ巷道顶底板移近量增长速度明显放慢28cm、顶底板移近量达10cmꎬ从第

到第30天ꎬ基本趋于平稳ꎬ其中两帮移近量最大为ꎬ34索两帮注浆加固支护方式时cm、顶底板移近量最大为ꎬ13巷道移近量在前cmꎮ采用两帮加锚10d内变化较快ꎬ到第30天后ꎬ巷道移近量基本不再变化ꎬ其中两帮移近量最大为17cm、顶底板移近量最大为 9cm[13]ꎮ

从现场观察在原支护方式下巷道移近量变化 比较2种注浆加固支护方式巷道移近量变化ꎻ原支ꎬ护方式的巷道两帮移近量约150cmꎬ顶底板移近量4

用两种注浆方式进行加固支护ꎬ并对比分析2种注浆加固支护方式下巷道稳定性ꎬ表明两帮注浆方式的巷道两帮移近量较一帮注浆方式降低约50%ꎬ较巷道原有支护方式 ꎬ降低约层形成一个整体 2)软弱煤帮注浆加固支护使巷道原来破碎煤85%ꎮ

ꎬ能提高其自承载能力ꎬ减轻巷道顶板的承载压力ꎻ深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道浅部围岩实现封闭ꎬ防止漏浆ꎬ使锚索在深部围岩形成了有效的拉力点ꎬ有效地控制了巷道两帮和顶底板移近量ꎬ保证巷道围岩的稳定性ꎮ

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