動壓沖擊特大變形巷道錨注技術研究?

李文洲

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

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動壓沖擊特大變形巷道錨注技術研究?

李文洲1,2

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

常村煤礦S3－9工作面回風巷受回采動壓影響,巷道發生特大變形,積水嚴重,巷道高度由3.2 m收斂為1.2 m。分析了該段泥巖頂板巖樣成分,采用數值軟件UDEC對S3－9工作面回采后巷道的變形、破壞機理、注漿參數及注漿效果等進行了分析,決定采用水泥化學漿和二次注漿錨索進行綜合錨注加固,并在S3－9工作面回風巷進行了試驗。實踐結果表明頂底板最大移近量20 mm,兩幫最大移近量30 mm,變形得到有效控制。

動壓沖擊 圍巖變形 圍巖加固 錨注技術 數值分析 水泥化學漿 注漿錨索

隨著煤礦采深逐年增加,復雜多變的圍巖條件大大增加了巷道支護的難度。工作面回采對巷道造成頻繁動壓沖擊,圍巖軟巖穿層、淋水等因素的影響造成巷道圍巖發生特大變形,對巷道支護安全及正常生產造成嚴重影響。

1 生產地質條件

常村煤礦S3－9工作面回風巷道沿頂板掘進,直接頂為泥巖,平均厚度2200 mm。原支護采用讓壓錨桿錨索＋雙鋼筋托梁組合支護,錨桿直徑22 mm,長度2400 mm,間排距840 mm×1000 mm;錨索直徑17.8 mm,長度6300 mm,間排距1680 mm×2000 mm,三花布置。

S3－9工作面總體為一向斜構造,煤層平均厚度5.92 m,含夾矸1層,平均厚度0.24 m。工作面回采過程中對回風巷造成頻繁動壓沖擊,回風巷變形嚴重,回風巷高度由3.2 m收斂為1.2 m,長期的頂板淋水對支護構件造成嚴重腐蝕,部分錨桿錨索破斷,密閉墻破裂,兩幫與頂板連接處嚴重變形,錨網銹蝕撕裂。S3－9回風巷最大水平主應力值為12.5 MPa,最大水平主應力方向為N33.4° W,最小水平主應力為6.95 MPa,垂直主應力為9.58 MPa。

巷道變形后對S3－9工作面回風巷嚴重變形段進行了圍巖結構調查。調查表明圍巖裂隙發育,煤體破碎,幫部塌孔嚴重。

2 巷道破壞原因分析

2.1 工作面回采動壓影響

S3－9回風巷為相鄰工作面回采進行了留巷, S3－9工作面回采與回風巷延伸同時進行,工作面回采和回風巷掘進的超前支撐壓力疊加,造成回風巷礦壓顯現劇烈,巷道變形嚴重。

2.2 圍巖結構對支護的影響

圍巖裂隙發育造成圍巖強度降低和應力下降,較低的圍壓降低了錨桿的錨固作用,隨著圍巖的變形,圍巖應力不斷向深部遷移,造成錨固力不斷下降,導致可錨性降低。圍巖發生特大變形后,深部和淺部巖體的非均勻變形在錨桿上產生的剪應力要求錨桿提供更大的錨固力,圍巖可錨性降低與控制圍巖變形所需高錨固力之間的矛盾是破碎圍巖支護失效的主要原因。

圍巖長期淋水作用于支護體,造成錨桿錨索腐蝕嚴重,淋水對錨固段不斷沖刷,造成錨固段錨固劑流失,隨著圍巖逐漸破壞,樹脂錨固段逐漸發生破壞,造成錨固性能下降嚴重。

2.3 巷道頂板巖性的影響

對回風巷泥巖頂板進行了取樣,巖樣標號分別為巖樣1和巖樣2。對巖樣中所含的礦物種類和所含粘土礦物的成分進行了測試。

巖樣中所含礦物種類主要為石英、鈉長石、白云石、菱鎂礦和粘土礦物。巖樣1中礦物種類含量分別為石英33.8%,鈉長石3.3%,白云石4%,菱鎂礦1.4%,粘土礦物總量57.5%;巖樣2中礦物種類含量分別為石英32.5%,鈉長石3.6%,白云石5.5%,菱鎂礦5.5%,粘土礦物總量52.9%。而巖樣1中粘土礦物成分含量分別為伊蒙混層27%,伊利石46%,高嶺石21%,綠泥石類6%;巖樣2中粘土礦成分含量分別為伊蒙混層31%,伊利石34%,高嶺石27%,綠泥石類8%。

通過測試可以看出巖樣中粘土礦物含量平均為55.2%,均超過50%。

隨著S3－9工作面采動,泥巖頂板裂隙發育,粘土礦物吸收水分,粘土礦物吸水膨脹的不均勻性導致巖石內部產生不均勻應力,從而產生大量微孔隙,微孔隙的出現將破壞巖樣的內部結構,微孔隙和微裂隙表面產生楔裂力,使孔隙向縱深發展,導致圍巖強度進一步降低。經過淋水的長期侵蝕,礦物顆粒吸水后達到飽水狀態,體積膨脹,部分膠結物被稀釋、軟化或溶解,導致巖石顆粒碎裂解體。

2.4 錨桿材質的影響

通過對破斷錨桿測試發現主要是元素氧和硫導致了錨桿的腐蝕,其中硫含量為0.34%,比普通鋼鐵硫含量(小于0.015%)要大的多。錨桿桿體上初始的細小裂紋產生了最初的應力腐蝕,造成錨桿桿體的有效受力面積逐漸減小,錨桿桿體強度明顯減小,裂紋迅速向斷裂擴展,最終導致錨桿破斷,支護失效。

3 特大變形、破碎、淋水巷道錨注加固技術

3.1 特大變形巷道注漿數值模擬分析

采用UDEC數值模擬軟件對特大變形巷道的錨注加固進行了數值模擬研究,根據水泥漿不同水灰比(0.5∶1～1∶1)及注漿壓力值(1～5 MPa)建立不同的模型,進行了數值分析。不同條件下漿液擴散半徑與注漿壓力和水灰比之間的關系如表1所示。

通過數值分析得出不同水灰比條件下,隨著注漿壓力增大,巷道不同方向上漿液擴散半徑增長幅度也不同,巷道切向漿液擴散半徑的增長幅度要大于巷道徑向漿液擴散半徑的增長幅度。在水灰比和注漿壓力共同作用下,影響漿液擴散半徑的主要因素是注漿壓力,而水灰比次之;隨著注漿壓力升高,注漿壓力對漿液擴散半徑的影響程度呈下降趨勢,水灰比的影響程度逐漸超過注漿壓力的影響程度。

表1 漿液擴散半徑與注漿壓力和水灰比之間的關系

3.2 注漿前后錨索支護對比分析

通過對S3－9工作面回風巷錨注加固的數值分析,采用水泥化學漿顯著提高了漿液的堵水效果,回風巷受S3－9工作面回采影響,頂板和兩幫主要表現為受拉破壞,注漿前回風巷煤柱側破壞范圍約15 m;注漿后,僅巷道表面0.2 m范圍存在小的變形,圍巖破壞范圍減小98.6%,說明通過注漿,圍巖強度大大提高。

3.3 錨注參數的選擇原則

結合注漿材料、支護材料等要求,提出特大變形、破碎、淋水圍巖錨注參數的選擇原則:擴散半徑應保持在2 m左右,注漿壓力4～5 MPa,水灰比選0.7∶1～0.8∶1;錨索施工時,選用注漿錨索,形成全長錨固,防止淋水等對錨索造成腐蝕,保證巷道的支護效果。

4 現場試驗

4.1 綜合錨注方案

注漿材料使用425＃普通硅酸鹽水泥,水灰比0.7∶1～0.8∶1。噴漿材料采用425＃普通硅酸鹽水泥,水泥、沙子、石粉的比例為1∶2∶2,水灰比為0.45～0.55,速凝劑添加量為水泥用量的3%～5%。

支護材料采用注漿錨索,規格?22 mm× 6300 mm,極限破斷拉力不小于550 k N,延伸率7%。高強度拱形錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm,調心球墊承載能力不低于550 k N。

4.2 注漿參數

注漿孔沿巷道斷面按7根、8根隔排布置,排距2000 mm。兩幫底角注漿孔深7000 mm,俯角30°,其余注漿孔深8000 mm。兩幫注漿孔間距1200 mm,頂板注漿孔間距1300 mm,全長一次注漿,注漿壓力4～5 MPa,水灰比0.7∶1。

4.3 支護參數

注漿完成后,全斷面預應力注漿錨索支護。錨索沿巷道斷面按9根和10根隔排布置,排距1600 mm,幫錨索間距1200 mm,起錨高度500 mm,頂板錨索間距1300 mm,樹脂端部錨固使用3支低粘度錨固劑,其中1支為MSK2335型,另2支為MSZ2360型,其余部分水泥漿錨固。錨索支護后第一次注漿,注漿壓力4～6 MPa;24 h后,進行第二次注漿,注漿壓力10～12 MPa,錨索預緊力大于250 k N。

4.4 加固效果及評價

在回風巷安裝表面位移測站,對加固效果進行監測。施工開始時,每2 d測量1次,共測量9次,后期每7 d測量1次。測量結果表明頂底板最大移近量20 mm,兩幫最大移近量30 mm,圍巖恢復完整,變形得到有效控制。

5 結論

(1)S3－9工作面回風巷泥巖頂板巖樣中粘土礦物主要為伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石類,泥巖頂板中粘土礦物的含量平均為55.2%。工作面回采、圍巖結構、回風巷頂板巖性、錨桿材質、圍巖淋水等因素的綜合影響是造成回風巷發生特大變形的主要原因。

(2)采用UDEC數值模擬軟件對特大變形、破碎圍巖的注漿參數進行了分析,得出了注漿壓力、水灰比和擴散半徑之間的關系, 通過圍巖注漿顯著提高了錨索的支護效果,注漿后回風巷圍巖破壞范圍減小98.6%。

(3)在S3－9工作面回風巷進行了現場試驗,通過巷道表面位移監測,巷道頂底板移近量最大20 mm,兩幫移近量最大30 mm,圍巖恢復完整,變形得到有效控制。

[1] 康紅普,馮志強．煤礦巷道圍巖注漿加固技術的現狀與發展趨勢[J]．煤礦開采,2013(3)

[2] 李文洲．受采動影響破碎圍巖綜合注漿加固研究[J]．鐵道建筑技術,2011(9)

[3] 劉德利,李文洲.深井軟巖裝載硐室及馬頭門支護研究[J].煤礦開采,2011(6)

[4] 康紅普,王金華,林健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用[J].煤炭學報,2007(12)

[5] 張延偉,章磊,張延航.柳海礦軟巖巷道圍巖控制技術[J].煤炭科學技術,2009(5)

[6] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].北京:中國礦業大學出版社.2003

[7] 謝國強,楊軍輝,謝生榮等．千米深井大斷面軟巖巷道錨噴－注漿加固技術[J]．中國煤炭,2013(1)

[8] 李仲輝,李付臣,李華．不穩定殘余支承壓力下注漿錨索支護技術在沿空掘巷的應用[J]．中國煤炭, 2012(9)

Research on bolt-grouting technology of seriously deformed roadway impacted by dynamic pressure

Li Wenzhou1,2
(1.Coal Mining and Design Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China)

Influenced by mining dynamic pressure,serious deformation had appeared in the S3-9 return airway of Changcun Coal Mine,water accumulation was also serious there,so that the height of roadway reduced from 3.2 m to 1.2 m.In this paper,the ingredients of rock samples from mudstone roof were analyzed,then the deformation and failure mechanism,slip casting parameters and effects after mining were also analyzed by using UDEC software.After the analysis,cement chemical grouting and secondary grouting cable anchors were adopted for comprehensive bolt-grouting reinforce,which was then experimented in return airway of S3-9 working face. The results showed that the biggest convergence between roof and floor was 20 mm and the biggest convergence between roadway＇s sides was 30 mm,so the deformation of roadway was controlled effectively.

dynamic pressure impact,surrounding rock deformation,surrounding rock reinforce,bolt-grouting technology,numerical analysis,cement chemical grouting,grouting cable anchor

TD 353

A

李文洲(1981－),男,碩士,助理研究員,主要從事巖石力學及巷道支護研究方面的工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金委——神華集團煤炭聯合基金重點項目(U1261211)