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      高應(yīng)力動壓巷道注漿加固技術(shù)研究

      2020-01-17 06:47:26宋偉東
      煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
      關(guān)鍵詞:淺部大巷錨索

      宋偉東

      (山西晉煤集團澤州天安昌都煤業(yè)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部 ,山西 晉城 048006)

      井巷施工時,高應(yīng)力、動壓影響是巷道變形與破壞的根本原因。巷道圍巖由于高應(yīng)力或強烈采動影響,圍巖中穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞,自穩(wěn)定性變差。在高應(yīng)力環(huán)境中圍巖互相擠壓、滑移,煤巖體破碎,產(chǎn)生塑性形變,圍巖頂?shù)?、兩邊移進量大,巷道變形量變大[1]。單一的加固手段對破碎圍巖很難起到預期加固效果,通過優(yōu)化巷道支護形式與參數(shù)設(shè)計配合注漿聯(lián)合支護,是保持巷道圍巖穩(wěn)定性與安全性的主要手段。高壓注漿能夠重新組合破碎圍巖,破碎圍巖承載能力提高,有利于錨桿錨索加固時力的傳遞,頂幫強力錨索加固后最大限度地發(fā)揮支護材料與和注漿后圍巖體的相互作用,大幅提高巷道加固質(zhì)量和效果[2]。本文結(jié)合受回采動壓影響后輔運大巷層噴漿層大范圍脫落,局部區(qū)域錨桿、錨索破斷的變形、破壞特征,提出采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護對巷道進行加固,確保了破碎巷道圍巖穩(wěn)定性。高壓注漿配合強力錨索支護聯(lián)合加固能夠改善巷道圍巖性質(zhì),提高圍巖強度,確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定,減小巷修工程量,有效延長巷道使用時間。

      1 工程概況

      胡底煤業(yè)開拓巷道布置有5條巖巷,位于3#煤上方20~40m,巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖主,層理發(fā)育,埋深約720m,凈煤柱為23~25m。目前1301首采面已經(jīng)進入末采階段,停采線距與最近的輔助進風大巷之間凈煤柱約為89m,五條大巷石門受動壓影響變形大,其中輔運大巷變形最為嚴重(圖1中紅色陰影區(qū)域部分)。受高應(yīng)力影響,圍巖長期處于流變狀態(tài),達不到二次穩(wěn)定[3],輔運大巷道兩幫最大水平移近量超過1200mm,頂?shù)装迨諗孔冃纬^2000mm。五條大巷均已經(jīng)進行過一次巷修,巷修主要采用全錨索加固技術(shù),起到一定作用,但后期效果不明顯,目前輔運大巷混凝土噴層大范圍脫落,局部區(qū)域錨桿、錨索破斷,亟待采取更為有效的解決措施。

      2 綜合治理方案的確定

      根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查和圍巖結(jié)構(gòu)詳查,開拓大巷埋深、地質(zhì)條件、及采動影響,是導致巷道剛掘進不久便產(chǎn)生變形破壞的直接原因。輔運大巷圍巖壓力大、結(jié)構(gòu)破碎松軟,單一的加固方法不能有效控制其長期蠕變及進一步破壞,應(yīng)先采取注漿手段確保破碎圍巖連續(xù)穩(wěn)定,再加大支護強度[4]。

      2.1 地應(yīng)力測試分析

      地質(zhì)力學參數(shù)測試結(jié)果:最大水平主應(yīng)力σH=19.28MPa,最小水平主應(yīng)力σh=10.4MPa,垂直應(yīng)力σV=14.67MPa。水平主應(yīng)力主要影響巷道頂?shù)装寮皟蓭停珜數(shù)椎挠绊懜?,垂直?yīng)力主要影響巷道的兩幫。在支護設(shè)計和施工的過程中應(yīng)重視支護強度和剛度,特別是巷道兩幫支護[5]。

      2.2 輔運大巷窺視分析

      輔運大巷共掘進600m,在變形嚴重區(qū)域4#橫川附近布置了6個鉆孔進行窺視(頂孔4個,幫孔2個),孔深均為10000mm。頂孔距輔運大巷4#橫川距離分別5m、10m、15m、20m;幫孔距4#橫川兩側(cè)均為5m。窺視結(jié)果如圖1所示。

      圖1 4#橫川10m處附近頂板頂板窺視圖

      由窺視結(jié)果可知,輔運大巷淺部圍巖中煤線較多,裂隙發(fā)育,巖體破碎,完整性較差。受動壓影響后變電所深部圍巖整體仍較完整,局部區(qū)域淺部存在裂隙發(fā)育,其余區(qū)域主要為微裂隙發(fā)育。4#橫川10m處附近頂板3.6m范圍圍巖軟弱,裂隙發(fā)育,圍巖完整性較差,頂板3.6-5m范圍內(nèi)裂隙微發(fā)育,頂板5m范圍內(nèi)完整性較好。頂板鉆孔窺視結(jié)果基本一致,裂隙發(fā)育基本出現(xiàn)在淺部圍巖區(qū)域,裂隙微發(fā)育出現(xiàn)在3~5.5m范圍內(nèi),5.5m以外的深部圍巖完整性較好。

      參考輔運大巷原有支護強度,結(jié)合大量的工程實踐,在確保動壓巷道圍巖穩(wěn)定,盡量減小工程量的前提下,確定采用高壓注漿配合注漿強力錨索支護案。

      3 輔運大巷圍巖變形控制綜合治理方案

      3.1 注漿材料、支護材料選取

      為確保嚴格控制圍巖的變形,要求注漿結(jié)石體應(yīng)具有較高強度和抗變形能力強。根據(jù)注漿材料特點,結(jié)合現(xiàn)場圍巖條件,確定采用水泥基無機注漿材料。

      無機注漿材料使用聯(lián)邦加固Ⅰ號注漿材料,有單液、雙液注漿材料兩種。雙液漿兩種漿液在混合前,6h時內(nèi)不凝固、不泌水、不沉淀,混合后凝結(jié)時間為3~10min,1~8h 的強度能達到 8~15MPa以上,適用于采掘工作面破碎煤體加固,淺層煤體表面注漿加固效果最佳。

      注漿配比選?。阂话闱闆r注漿水灰比0.8:1,若漏漿時可將水灰比控制在0.7:1。

      表1 聯(lián)邦加固雙液注漿材料不同水灰比條件下凈漿抗壓強度

      破碎圍巖恢復連續(xù)性后,應(yīng)對其施加強力的邊界條件,使注漿后的圍巖具有較強的承載能力,特意選取強力錨索來阻止圍巖的再次變形[6]。根據(jù)窺視結(jié)果,頂幫錨索有效錨固范圍至少覆蓋5.5m以上范圍,錨索直徑為φ22mm,采用1×19股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線。極限拉斷力550kN,延伸率7%。強力錨索使用拱形高強度錨索托板300×300×16mm(帶調(diào)心球墊)及配套鎖具,承載能力不低于50t。

      3.2 頂幫擴刷支護、起底

      由于輔運大巷圍巖變形嚴重,拱頂噴層開裂嚴重,部分巷道斷面不夠,為保證施工期間安全,先采用風鎬挑掉頂板的活矸,然后采用掛鋼筋網(wǎng),補打錨桿、錨索,進行支護和維護,防止頂板噴層掉落砸傷施工人員和損壞施工設(shè)備,保證巷道斷面滿足使用要求。現(xiàn)場每次刷幫和挑頂?shù)难h(huán)進度不超過2m,擴幫和挑頂完畢后,立即進行錨網(wǎng)支護。

      3.3 底板預應(yīng)力注漿錨索支護

      為減小底鼓變形量,對底板進行預應(yīng)力注漿錨索支護,起到注漿及支護雙重效果效果。所用底板注漿錨索型號為SKP22/1-1720-6300,沿底板每排3根,錨索排距為2000mm,間距為2050mm。底板注漿錨索布置如圖2。注漿后底板破碎圍巖裂隙被填充,承載能力得到提高,圍巖完整性變強。

      圖2 輔運大巷底板注漿錨索鉆孔布置圖

      采用分次全長錨固:端部采用水泥灌漿錨固。灌漿錨固長度2000~3000mm,預留第二次注漿張拉預緊段。第一次灌注,錨固錨索底端,注漿壓力0。張拉前第二次注漿,注漿壓力2~3 MPa。

      3.4 頂幫預應(yīng)力注漿錨索支護

      圖3 輔運大巷淺部注漿鉆孔布置圖

      為減小輔運大巷頂幫圍巖變形,對頂幫進行預應(yīng)力注漿錨索支護,起到注漿及支護雙重效果效果。所用頂幫注漿錨索型號SKP22/1-1720-6300,錨索沿拱型斷面均勻布置5個,排距3000mm,鉆孔間距3000mm。頂幫注漿錨索布置如圖3。圍巖裂隙發(fā)育程度能夠影響注漿壓力對注漿效果,注漿壓力3~5MPa較為適宜,當漏漿嚴重時,應(yīng)適當降低注漿壓力。注漿后頂幫破碎圍巖裂隙被填充,頂幫形成一個整體,承載能力得到提高。

      3.5 頂幫預應(yīng)力注漿錨索支護

      在高壓注漿工程完成一周后,對輔運大巷頂幫圍巖進行預應(yīng)力注漿錨索補強支護施工。所選用強力注漿錨索型號為SKP22/1-1720-7300。頂幫錨索采用樹脂端部錨固,三支錨固劑,一支規(guī)格為MSK2335,另兩支規(guī)格為MSZ2360,樹脂錨固長度為1970mm,其余部分采用水泥漿錨固[7]。預應(yīng)力注漿錨索沿巷道斷面,布置在原有的兩排錨索之間,排距2000mm,間距2000mm。注漿封孔水灰比為0.7:1。巷道頂幫錨索布置如圖4。

      圖4 輔運大巷注漿錨索鉆孔布置圖

      4 礦壓觀測規(guī)律

      4.1 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

      從圖5可以看出,采取注漿措施后,淺部圍巖承載能力明顯在增加,圍巖應(yīng)力顯著提高,能夠承載20MPa應(yīng)力。注漿后再進行錨注有效傳遞了錨桿(索)施加于圍巖表面的預應(yīng)力,使深部圍巖應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移,淺部應(yīng)力升高了5~10MPa,深部應(yīng)力降低了2~4MPa,有效阻斷了20m范圍內(nèi)深部圍巖體的破碎變形,顯著改善錨桿(索)對破碎圍巖的支護作用。

      圖5 應(yīng)力分布示意圖

      4.2 巷道表面位移觀測

      采用十字布點法安設(shè)巷道表面位移監(jiān)測斷面。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@?30mm、深400mm的孔,將φ32mm、長400mm的木樁打入孔中。頂?shù)装?、上下幫木樁端部安設(shè)測釘[8]。對輔運大巷不同區(qū)域進行表現(xiàn)位移觀測,其變形量如圖6所示。

      圖6 支護方式與圍巖變形的關(guān)系

      可以看出,圖中單純錨索支護,巷道最大兩幫位移量693mm,底鼓量286mm,頂板下沉量249mm;在使用注漿的基礎(chǔ)上再進行錨索補強的支護方式以后,巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm、頂板下沉量最大為184mm,與單純錨索支護相比,兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降81.7%、72%、36.1%,變形量明顯減小,巷道支護質(zhì)量明顯提升。

      5 結(jié) 論

      針對高應(yīng)力動壓影響巷道,淺部圍巖破碎嚴重,首先應(yīng)采用高壓注漿加固技術(shù),提高淺部圍巖承載能力,深部應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移,淺部圍巖應(yīng)力能夠達到20MPa應(yīng)力以上,深部應(yīng)力降低2~4MPa,破碎圍巖形成完整結(jié)構(gòu)體。在此基礎(chǔ)上采取強力錨索支護能夠充分發(fā)揮錨索與注漿后圍巖的相互作業(yè),大大改善巷道圍巖性質(zhì),提高圍巖強度,確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定,巷道圍巖變形量能夠減少60%以上,巷道加固質(zhì)量和效果大幅提高,有效延長了巷道使用時間。

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