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注浆加固技术在沿空运输巷中的应用

更新时间:2009-03-28

1 工程背景

王庄矿现主要开采3#煤层,3#煤层位于二叠系山西组地层的中下部,均厚5.9 m,倾角2°~10°,直接顶为均厚3.5 m的黑色泥岩,基本顶为均厚6.7 m的砂岩,直接底为均厚2.6 m的泥岩,老底为均厚4.4 m的中砂岩。现正在开采3302工作面,3302工作面北边为已开采的3301工作面采空区。

在3301采空区覆岩运动稳定后,留设18 m煤柱,3302运巷采用沿空运巷,沿着3#煤层底板掘进,采用高为3.2 m、宽为4.5 m的矩形断面,锚网梁的支护形式,顶板布置6根锚杆、3根锚索,锚杆间排距为800 mm×800 mm,锚索间排距为1250 mm×1600 mm;两帮每帮布置5根锚杆,锚杆间排距为700 mm×800 mm;锚杆选用Φ22×2000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆,锚索选用Φ18.9 mm×8300 mm的预应力锚索。

3302运输巷在沿空掘进期间,受到3301采空区覆岩悬臂结构的影响,巷道围岩出现一定变形量,但围岩总体保持稳定状态。当3302工作面回采时,受到回采动压影响,3302运输巷围岩变形加剧,工作面前方巷道断面收缩严重,围岩破碎程度增加,顶底板移近量最多可达到700~800 mm,两帮移近量最大可达到1100~1300 mm,严重影响了巷道的正常使用,需要采取一定手段进行维护。

2 3302运输巷变形破坏机理分析

根据3302工作面工程地质条件及生产实际情况,建立FLAC3D数值计算模型,模型长182.5 m、宽90 m、高64 m,在模型上部边界施加9.4 MPa的垂直应力,模拟上覆岩层自重,固定模型左右边界水平方向位移及模型底部竖直方向位移,采用莫尔库伦本构模型,所选的煤岩体物理力学参数如表1表示。

观察组既往接受PCI的比例明显高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);观察组中合并高血压、高脂血症、糖尿病、脑卒中史、陈旧性心肌梗死及肺功能减退的比例高于对照组,吸烟史低于对照组,差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

 

表1 煤岩体物理力学参数

  

岩性 体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa内摩擦角/° 泊松比砂岩 6.35 5.84 6.66 42.32 0.18泥岩 6.85 5.13 5.2 36 0.19 3号煤 1.41 0.57 2.36 20 0.31泥岩 6.58 5.12 5.2 36 0.16中砂岩 6.39 5.79 5.38 38.41 0.15

模型计算过程:建模后对煤岩体赋参数并计算至原岩应力平衡,首先进行3301工作面开挖,计算平衡后进行3302运输巷掘进,再次计算平衡后进行3302工作面回采,记录回采过程中3302运输巷围岩应力变化情况,以分析3302工作面回采期间超前支承压力对3302运输巷围岩应力分布及变形破坏的影响。

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将3302工作面前方不同位置巷道两帮垂直应力分布情况绘制成曲线,见图1。由图可知,回采期间在煤柱帮及工作面帮均出现垂直应力集中现象,且煤柱帮垂直应力峰值均大于工作面帮,在工作面前方5 m、15 m、25 m、35 m处,巷道煤柱帮的垂直应力峰值分别为32.2 MPa、33.4 MPa、32.8 MPa、32 MPa,应力集中系数分别为3.12、3.23、3.19、3.1,煤柱内垂直应力峰值基本出现在距离采空区9~10 m范围;巷道工作面帮的垂直应力 峰 值 分 别 为 6.6 MPa、28.4 MPa、22.1 MPa、19.3 MPa, 应 力 集 中 系 数 分 0.65、2.67、2.21、1.78,工作面侧垂直应力峰值出现在距离巷道帮3~9 m范围;不论是煤柱侧还是工作面侧,且随着工作面的推进,垂直应力呈现先增大后减小的趋势,距离工作面前方15 m两帮的垂直应力最大。通过上述分析可知,3302工作面回采超前动压影响范围为工作面前方35 m区域内,且工作面前方15 m垂直应力值最大,工作面侧垂直应力峰值随回采的推进变化较大,出现大幅度的应力变化,而煤柱侧则受回采动压影响较小。

2)注浆加固方案确定

1)回采期间垂直应力分布

  

图1 工作面前方不同位置巷道两帮垂直应力分布曲线

由表2可知,采用方案①的注浆加固方案,围岩变形得到一定的控制,但顶板下沉量及两帮位移量均大于后两个方案;方案②与方案③的区别在于煤柱帮由浅部注浆改为锚索注浆,顶板下沉量由428 mm进一步减小到396 mm,煤柱帮位移量由416 mm减小到320 mm,说明对煤柱帮采用锚索注浆不仅可以减小煤柱帮位移量,同时对巷道顶板控制起到一定促进作用。

将3302工作面前方不同位置距巷道表面不同距离水平应力分布情况绘制成如图2所示曲线。工作面前方5 m、15 m、25 m、35 m处,巷道表面的水平应力 峰 值 分 别 为 21.5 MPa、27.5 MPa、28.2 MPa、28.5 MPa, 应力集中系数分别为2.1、2.52、2.62、2.65,水平应力峰值出现在距巷道表面6~9 m处,当距离工作面15 m以上时水平应力基本保持不变,因而3302工作面回采对巷道产生动压影响范围为工作面前方0~15 m,见图2。

  

图2 工作前方不同位置距巷道表面不同距离水平应力分布曲线

3 3302运输巷注浆加固方案

本次注浆材料选用高水材料,针对不同浆液水灰比(1.5∶1、1.8∶1、2.0∶1)和不同的煤体粒径(<5 mm、5~20 mm、>20 mm)对胶结强度的影响,进行分析对比试验,得到如下结果:在煤体粒径不变的情况下,固结试块的抗压强度随着水灰比的增大而减小,当水灰比为1.5∶1时,试件的抗压强度为2.4 MPa,而水灰比增大到2.0∶1时,试件的抗压强度仅为1 MPa;同样,在水灰比相同的情况系,当胶结试件中粒径较大煤体所占比例越高时,试件的抗压强度越大,>20 mm粒径比例由19%增大到31%时,试件的抗压强度可由1.5 MPa增加到2.4 MPa。通过注浆加固可有效提升破碎围岩的残余强度。

针对破碎围岩巷道提出三种不同注浆加固方案,通过数值模拟分析其围岩控制效果,以确定最佳方案。方案①:对煤柱帮及顶板采用注浆管进行浅部注浆;方案②:对顶板采用浅部注浆与注浆锚索相结合方式,对煤柱帮进行注浆管浅部注浆;方案③:对顶板采用浅部注浆与注浆锚索相结合的方式,对煤柱帮进行注浆锚索注浆。不同注浆方案围岩变形量如表2所示。

针对巷道围岩破碎,原支护系统失效的问题,需要采取一定手段改善围岩力学性能,通过注浆加固作用,将注浆材料渗透进入破碎围岩,将其胶结为一个整体,提高围岩的承载能力,为锚杆提供着力基础,发挥其支护效果,以达到控制围岩稳定性的目的。

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本文分别从不同角度对烘托手法在古诗词中的运用方法进行了分析。古诗词在我国有着悠久的历史,一直以来以其清新高雅的格调、细腻柔美的韵律,在我国文学史上有着重要位置。尤其是作者独具匠心的写作方法,指引着后代诗词创作者。古诗词写作中,烘托手法是一种最具感染力的描写,在诗词中起到言有尽而意无穷的效果。

1)高水材料参数确定

 

表2 不同注浆方案围岩变形量

  

工作面帮位移量/mm方案一 520 62 463 276方案二 428 61 416 275方案三 396 63 320 247方案 顶板下沉量/mm底板鼓起量/mm煤柱帮位移量/mm

2)回采期间水平应力分布

4 工程应用

本次注浆材料选择ZKD高水速凝材料,该材料具有凝固时间可调节、渗透性强、胶结强度高等优点。高水速凝材料主要由甲料、乙料、加甲料、加乙料等构成,根据实验室结论及现场施工实际情况,选用1∶1.5的水灰比,浅部注浆孔注浆压力为2 MPa,注浆锚索注浆压力为5 MPa。距离巷道两帮1500 mm沿顶板布置两个浅部注浆孔,两孔间距为1500 mm,均垂直于巷道顶板布置,钻孔深度为2500 mm,直径为42 mm;距离巷道两帮布置两个与水平方向呈70°的注浆锚索孔,巷道中央垂直布置一个注浆锚索孔,钻孔深度为8000 mm,直径为32 mm;顶板浅部注浆孔与锚索注浆孔呈“二三二”间隔布置;在煤柱帮距巷道顶板700 mm、底板1400mm与水平方向呈10°分别布置两个注浆锚索孔,钻孔深度为5000 mm,直径为32 mm。整个钻孔布置方案见图3。

  

图3 钻孔布置方案

注浆加固方案施工后,对3302运输巷顶板下沉量及两帮移近量进行现场矿压观测,绘制图4中的巷道围岩变形曲线。距离工作面50 m开始,巷道围岩开始出现变形,通过注浆加固,巷道顶板下沉量控制在400 mm以内,两帮移近量控制在700 mm以内,与未注浆加固相比较,巷道围岩变形得到有效控制,满足了矿井生产需求,见图4。

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图4 巷道围岩变形曲线

5 结语

1)通过数值计算可知,回采期间在超前支承压力影响下,沿空巷道顶板、两帮塑性区进一步扩展,围岩破碎程度增加,巷道表面出现裂隙,围岩呈软弱、松散、破碎状态,顶板出现离层错动,锚索支护失效,巷道无法保持稳定。

2)针对巷道围岩变形破坏机理和特征,采用顶板浅部注浆加固和锚索注浆、煤柱帮锚索注浆的巷道注浆加固方案,现场试验表明,采用注浆加固后能显著提高围岩承载能力,控制巷道围岩变形,巷道变形量满足回采期间巷道使用要求。

参考文献:

〔1〕丁自伟,邱华富.破碎围岩巷道新型注浆加固工艺实验研究[J].地下空间与工程学报,2016,12(4):958-962.

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〔3〕康红普,冯志强.煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势[J].煤矿开采,2013,18(3):1-7.

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张宝清
《江西煤炭科技》 2018年第01期
《江西煤炭科技》2018年第01期文献

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