構造破碎帶巷道注漿加固技術

武鵬飛,田取珍

(太原理工大學礦業工程學院, 山西太原 030024)

構造破碎帶巷道注漿加固技術

武鵬飛,田取珍

(太原理工大學礦業工程學院, 山西太原 030024)

處于地質構造帶的巷道圍巖注漿加固已經成為巷道支護的一項重要技術。分析了巷道圍巖注漿的可注性條件及其影響因素,并結合固莊煤礦實際,研究了漿液的擴撒半徑及注漿壓力,對煤礦巷道穿越構造破碎帶時的支護有一定參考價值。

構造帶;巷道支護;注漿;注漿參數

1 破碎帶巷道圍巖注漿加固理論

處于構造破碎帶的巷道難以支護,采用圍巖壁內注漿技術,可達到改善圍巖力學性能、增強圍巖整體性、控制圍巖變形的效果,其支護機理包括以下幾方面:

(1)注漿后的圍巖能有效的閉合原有的節理及裂隙,阻止圍巖節理、裂隙進一步發育,能有效的提高圍巖強度;

(2)通過注漿使普通錨桿具備了全長錨固錨桿的優良特性,有利于巷道破碎圍巖的加固;

(3)注漿可提高圍巖的殘余強度及內摩擦角,使破碎的巖體再次獲得較高的支撐能力;

(4)注漿后圍巖的整體強度提高,縮小了圍巖的松動圈半徑,改善了圍巖的應力圈狀態。

2 構造破碎帶巷道圍巖的可注性

處于破碎帶中的巷道,其地應力場及其變化,決定著巷道圍巖結構面透漿條件的變化,在注漿前應詳細調查巷道構造帶的結構面特性。

巖體的可注性是指在單位漿液壓力下,單位體積被注漿巖體的注漿量。構造破碎帶圍巖能夠注漿,是因為其巖體存在張開的節理、裂隙。單條裂隙的滲透量與其裂隙長度及寬度成正比關系,它對圍巖的注漿性能影響很大,所以要對注漿巷道的圍巖裂隙進行細致調查。

構造帶巖體的非均質各向異性,導致了漿液在巖體內各個方向滲透的不均勻性。在巖體的滲透性研究中,漿液的滲透系數是一個非常重要的參數。滲透系數一方面取決于圍巖孔隙率本身,另一方面取決于漿液的性質(密度、粘稠度等),還和圍巖所受的應力及等效水力梯度有關。構造破碎帶巷道由于圍巖較破碎,其滲透系數也較大。滲透系數表達式如下:

式中:k——滲透張量;

ρ——流體密度;

μ——流體粘滯系數。

當滲流在巖體中表現為各向異性時,通常用滲透張量來表征圍巖的滲透特性。下面是各向異性巖體的滲透張量表達式:

式中:be(l)——第l組不連續面的等效水力開度;

λ(l)——第l組不連續面的間距;

n(l)——第l組不連續面的法線方向余弦;

δij——Kronecker函數;

g——重力加速度;

μ——流體粘滯系數。

目前,大多數的巷道圍巖注漿方案都是根據圍巖體的透水率的大小設計的,但巖體中很多微裂隙是透水而不透漿的,因此不能簡單的根據圍巖的透水率設計注漿方案。圍巖可注性一般由3個因素決定:一是圍巖裂隙的發育程度及裂隙寬度,根據工程經驗,我國水泥類漿液一般只能注入張開度大于0.2 mm的裂隙;二是水泥漿液粒徑的大小和粘稠度,當水泥粒徑大于裂隙寬度時會出現不吃漿現象;三是與注漿的壓力有關,在一定的壓力影響范圍內,隨壓力的增大可注性明顯提高。但各類圍巖都有其自身的臨界壓力,井下巷道圍巖中常存在一些易于漿力劈裂的層面和不連續面等,當注漿壓力超過臨界注漿壓力時,巖體就會發生劈裂,出現吸漿量增大現象,造成不必要的資源浪費。所以,在巷道圍巖注漿前,應仔細地調查圍巖的臨界注漿壓力。

以固莊煤礦15703工作面順槽破碎帶為例,經現場調查,并結合圍巖樣本的物理力學實驗得出其圍巖裂隙較發育,平均裂隙張開度達到0.26mm;注漿壓力達4.5MPa時還未發生漿力劈裂,可見該破碎帶圍巖滿足注漿條件。

3 基于破碎帶松動圈的注漿深度

由于地應力與圍巖的相互作用,圍巖會產生大小不同的松動圈。巷道支護的主要對象是其擴展過程中產生的碎脹力以及其所造成的有害變形,松動圈半徑越大,巷道收斂變形也越大,支護越困難。而處于構造破碎帶的巷道松動圈較大,是因為該類巷道圍巖碎脹性較大,會產生較大的碎脹力,且向深度擴展,碎脹區已經超過普通錨桿長度,會使錨桿整體離層掉落。根據圖1,當應力超過塑性區時顯著上升,塑性區圍巖處于將要破壞但未發生破壞階段,結合工程類比經驗,注漿深度應通過破碎區進入塑性區內。因此,可根據理論計算結合巷道實測的松動圈半徑來確定注漿深度。

圖1 松動圈及圍巖應力示意

固莊煤礦15703工作面順槽破碎帶圍巖松動圈半徑達2.16m,因此其注漿深度應大于2.16m進入塑性區內。

4 注漿擴散半徑

我國煤礦巷道圍巖注漿時的漿液擴散半徑R值通常在1～2.5m之間,隨地質情況及灌漿壓力的不同,擴撒半徑也不同。以固莊礦為例,該礦15703工作面順槽穿過向斜構造帶,該巷道部分現處于變形失穩狀態。現在井下注漿擴散半徑一般根據工程經驗公式計算:

式中:γh——巖石體積質量×巷道埋深,MPa;

Rc——巖石強度,MPa;

a——巷道半徑,m。

將γh=10.91MPa,Rc=75.3MPa(頂板上方50 m內均值),a=2.22m,代入式中,即可得出漿液擴散半徑R=2.42m。

5 注漿壓力

在灌漿設計中有兩個基本原則:一是不允許發生漿力劈裂;二是在不發生漿力劈裂和超過擴散半徑的前提下盡可能采用提高灌漿壓力。

巷道圍巖注漿過程中,在不同水灰比下,隨著注漿壓力的增大,漿液擴散半徑的增長幅度不同,以固莊煤礦7采區15703工作面順槽向斜構造帶為例,當注漿壓力在1～3MPa之間時,隨著注漿壓力的增大,漿液擴散半徑的增長幅度相對較大;當注漿壓力在3～5MPa之間時,隨著注漿壓力的增大,漿液擴散半徑的增長幅度相對較小。

注漿壓力是重要注漿參數之一,一般是參照國內外數據選取。在我國的煤礦巷道注漿工程中,一般注漿壓力為1～3MPa,固莊煤礦采用的注漿壓力為2MPa。

6 結 論

處于構造破碎帶的巷道圍巖較松散破碎,構造應力較高,在此類巷道注漿加強支護設計中,應首先調查圍巖的可注性。從提高巷道圍巖強度、充分利用圍巖自承能力的角度出發,通過注漿加固松散破碎的圍巖,提高其整體強度,從而控制構造破碎帶巷道的強烈變形。本文結合固莊煤礦15703順槽注漿實踐,對裂隙發育巖體的可注性、注漿后圍巖性能變化及其注漿參數等進行了研究。對處于構造破碎帶的巷道圍巖注漿加固有一定的參考價值。

[1]楊天鴻,唐春安,徐 濤,等.巖石破裂過程的滲流特性-理論、模型與應用[M].北京:科學出版社,2004.

[2]馬國彥,常振華.巖體灌漿排水錨固理論與實踐[M〗.北京:中國水利水電出版社,2003.

[3]苗密洲,朱陽照,等.錨注支護機理研究[J].黑龍江科技信息,2007:269.

[4]康紅普,姜鐵明,高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報,2007,(7).

2009-09-11)

武鵬飛(1984-),男,山西太谷人,在讀碩士研究生,主要從事采礦工程的研究,Email:wpf0301@163.com。