何 杰
(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)
沖擊地壓礦井深部軟巖破碎巷道注漿加固技術(shù)研究
何 杰1,2
(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)
為解決沖擊地壓礦井深部破碎軟巖巷道大變形問題,針對(duì)義馬礦區(qū)常村煤礦西翼輔助運(yùn)料斜巷復(fù)雜工程環(huán)境,分析了巷道破壞特征,揭示了巷道變形破壞機(jī)制,指出高原巖應(yīng)力、多次采動(dòng)、圍巖承載力差、頻繁微震事件、圍巖錨固性能差綜合因素作用下造成巷道破壞失穩(wěn)。提出該類巷道控制對(duì)策,采用全斷面注漿及強(qiáng)力注漿錨索加固系統(tǒng),確定注漿加固方案、參數(shù)和工藝,利用礦壓觀測和全景窺視圍巖內(nèi)部狀況檢驗(yàn)加固效果。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明方案能夠有效控制圍巖變形,巷道斷面收縮率降低70%,維護(hù)成本降低35%。
沖擊地壓;深部;軟巖巷道;全斷面注漿
義馬礦區(qū)為我國典型的沖擊地壓礦井區(qū)域,沖擊地壓巷道圍巖變形控制問題成為制約煤礦發(fā)展的主要難題。一般沖擊地壓巷道支護(hù),采用以高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)為主配合架棚、卸壓綜合控制技術(shù)體系,應(yīng)用效果良好[1-3];對(duì)于破碎巷道,尤其是已發(fā)生大變形的巷道,單獨(dú)采用錨桿錨索支護(hù)效果有限,采用以注漿和高預(yù)緊力加固為核心的控制技術(shù)體系,已在我國多個(gè)礦區(qū)大面積推廣和應(yīng)用[4-6]。義馬常村煤礦屬于沖擊地壓礦井,西翼輔助運(yùn)料斜巷位于沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域,維護(hù)難度大,采用錨網(wǎng)索+36U型棚復(fù)合支護(hù)方式,支護(hù)成本高,控制效果不理想。針對(duì)該類巷道整體變形迅速、變形量大、難維護(hù)特點(diǎn),分析巷道圍巖工程環(huán)境和破壞特征,揭示了該類巷道變形破壞機(jī)制,探索適合該類巷道控制方式和技術(shù),為沖擊地壓軟巖破碎巷道的維護(hù)提供技術(shù)支撐和依據(jù)。
義馬常村煤礦西翼輔助運(yùn)料斜巷為21采區(qū)主要的運(yùn)輸和行人通道,沿2-3號(hào)煤層頂板布置,頂板為泥巖,強(qiáng)度低、易風(fēng)化、泥化和破碎,底板為煤、煤矸互層和炭質(zhì)泥巖,埋深650~700m,最大水平主應(yīng)力為25.25MPa,以構(gòu)造應(yīng)力場為主,屬于高應(yīng)力區(qū)。西南鄰21141工作面、21161工作面、21180工作面和21200工作面,21141 和21161工作面分層開采,上分層開采完畢,21180和21200工作面為綜放開采,回采完畢;東南側(cè)相鄰依次為21區(qū)煤軌道21區(qū)膠帶下山、21區(qū)東輔助運(yùn)料斜巷,21161工作面下分層未回采,設(shè)計(jì)停采線距離21區(qū)西輔助運(yùn)料斜巷138m。西翼輔助運(yùn)料斜巷服務(wù)期間受四鄰工作面回采多次動(dòng)壓影響,整修頻繁,變形嚴(yán)重區(qū)域整個(gè)斷面基本閉合。西翼輔助運(yùn)料斜巷位置見圖1。
圖1 西翼輔助運(yùn)料斜巷布置
原支護(hù)方案下西翼輔助運(yùn)料斜巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,具有以下明顯破壞特征:
(1)變形速度快,巷道無穩(wěn)定期 西翼輔助運(yùn)料斜巷重修周期一般為1.5~2a。原支護(hù)下巷道重修初期泥巖風(fēng)化、碎脹明顯,兩幫移近和底鼓發(fā)展快,錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)失效,破碎圍巖重力及高應(yīng)力共同作用下,頂?shù)装逖杆僖平麄€(gè)斷面同時(shí)收縮,巷道變形監(jiān)測結(jié)果顯示,巷道服務(wù)期間圍巖一直處于變形破壞狀態(tài)。
(2)整體變形量大 井下巷道變形破壞如圖2所示,局部地段巷道斷面僅能人爬穿行,巷道原寬6.5m,高4.2m,修復(fù)前部分巷道剩余寬度為1.5m,高度為1m,斷面收縮達(dá)80%以上,變形嚴(yán)重地段巷道幾乎閉合。
圖2 巷道斷面嚴(yán)重收縮
(3)圍巖內(nèi)部破壞嚴(yán)重、范圍廣,頂板比兩幫破壞深度大 局部地段頂板圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況如圖3所示,其中頂板破碎帶及離層已發(fā)展至圍巖深6.0m處,兩幫破壞深度一般不超過4m,頂板圍巖破壞范圍遠(yuǎn)超兩幫。巷道周圍嚴(yán)重破碎帶集中在0~4.0m,該范圍內(nèi)圍巖基本全部破壞。
圖3 頂板泥巖內(nèi)部破壞狀況
影響沖擊地壓礦井深部圍巖穩(wěn)定的主要因素包括原巖應(yīng)力高、多次采動(dòng)影響、圍巖承載力低、微震事件的頻繁動(dòng)載、圍巖錨固性能差。原巖應(yīng)力高、多次采動(dòng)是影響巷道失穩(wěn)的根本性因素,圍巖承載力差是基礎(chǔ)因素;錨固性能差造成支護(hù)體系難以發(fā)揮作用,是影響支護(hù)效果的關(guān)鍵因素。
21采區(qū)西翼輔助運(yùn)料斜巷最大埋深700m,最大水平應(yīng)力25.25MPa,屬于高應(yīng)力場。圖1顯示,巷道兩側(cè)基本全部為采空區(qū),服務(wù)過程中依次受到4個(gè)回采工作面不同開采期的回采動(dòng)壓影響,多次強(qiáng)烈采動(dòng)形成的應(yīng)力高度集中,造成巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,圍巖變形嚴(yán)重,難以控制。
2-3煤層頂板和兩幫主要為泥巖,底板為煤體、煤矸互層和炭質(zhì)泥巖,泥巖單軸抗壓強(qiáng)度集中在10~35MPa,淺部5m范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度偏低,平均20MPa,煤體抗壓強(qiáng)度平均12.6MPa,泥巖和煤體抗拉強(qiáng)度分別為1.5MPa和1.0MPa。煤矸互層和炭質(zhì)泥巖礦物X射線衍射分析結(jié)果見表1,兩者中黏土礦物占總量的16.2%和43.3%。黏土礦物主要含伊利石、高嶺石及伊蒙混層等膨脹性物質(zhì),風(fēng)化易碎,遇水泥化。巷道圍巖屬于軟巖、易碎,承載力低。
表1 礦物X射線衍射分析結(jié)果
2-3煤層上方賦存巨厚礫巖,周圍大范圍頂板難以及時(shí)垮落,大面積懸頂引起圍巖能量高度集中,造成巷道處于沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域,頻繁微震事件引起的強(qiáng)烈動(dòng)載沖擊破壞支-圍體系。
巷道服務(wù)期間大修4次,每次修復(fù)時(shí)巷道基本閉合,兩幫、底板鼓出與頂板下沉量大,多次破壞和修復(fù)未進(jìn)行過注漿加固,巷道圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育,破碎帶分布廣,錨桿錨索錨固范圍內(nèi)圍巖錨固性能極差,錨固段易松動(dòng)、不穩(wěn),難以發(fā)揮錨桿錨索支護(hù)效果。
基于西輔助運(yùn)料斜巷變形破壞特征,依據(jù)巷道變形破壞機(jī)制,提出該類巷道控制對(duì)策。
(1)全斷面注漿,恢復(fù)圍巖完整性 錨桿錨索支護(hù)范圍內(nèi)圍巖完整性破壞嚴(yán)重,采用水泥注漿進(jìn)行全斷面注漿,孔深不低于6.0m,恢復(fù)圍巖承載性,提高抗沖擊性能;同時(shí)為錨索提供錨固穩(wěn)定基點(diǎn),提高錨索加固效果。
(2)全斷面注漿錨索加固,重點(diǎn)加強(qiáng)底板整體承載力 巷道服務(wù)期間,一般拉底2~3次,每次拉底不低于1.5m。底鼓是巷道變形的主要形式,底板為支護(hù)軟弱部位,為保證巷道底板和頂幫支護(hù)強(qiáng)度的協(xié)調(diào),底板采用注漿鳥籠錨索配套托梁進(jìn)行整體支護(hù),大幅度提高底板抗變形能力。
(3)提高錨索預(yù)緊力,增強(qiáng)支護(hù)體整體剛度 在注漿基礎(chǔ)上,提高錨索初期支護(hù)強(qiáng)度,將錨索初始預(yù)緊力由110kN提高250kN,保證巷道支護(hù)初期支護(hù)體抗變形能力。
依據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論及應(yīng)用效果[7-10],結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定21區(qū)西輔助運(yùn)料斜巷采用全斷面注漿與高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力注漿錨索聯(lián)合加固技術(shù),巷道寬6.5m,拱基線處寬5.9m,直墻高1.50m,凈高4.25m。
3.2.1 注漿參數(shù)
噴漿:對(duì)注漿段巷道頂板和兩幫圍巖噴漿封閉,厚度100~200mm,2d后注漿。成孔:φ36mm鉆頭。注漿材料:水泥漿、水泥水玻璃雙液漿,注漿壓力2~6MPa。頂板和兩幫注漿孔沿巷道斷面均勻布置,采用7-6布置方式,間距1.8m,孔深7.0m。底板注漿孔沿巷道底板每排4個(gè)注漿孔,間距1.8m,排距1.4m,孔深6.0m。
3.2.2 錨索加固參數(shù)
錨索補(bǔ)強(qiáng)與注漿孔隔排布置。頂板和兩幫采用普通錨索,錨索為φ21.6mm,1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度6.3m,延伸率4%,配合高強(qiáng)度鎖具和可調(diào)心托板。托板為300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板,高度不低于60mm,承載能力不低于550kN,托板拱部設(shè)置注漿孔,直徑18mm,錨索采用樹脂錨固劑錨固。底板采用鳥籠注漿錨索加固,與底板注漿孔隔排布置,每排打4根錨索,間距1.8m,排距1.4m,配套采用φ16mm鋼筋托梁,頂板錨索初始張拉250kN,底板和兩幫錨索初始張拉200kN。注漿孔和錨索加固布置如圖4所示。
圖4 注漿孔和錨索加固布置
為了檢驗(yàn)巷道圍巖變形控制效果,采用2種方法,一是布置礦壓監(jiān)測測站,共設(shè)置6組測站進(jìn)行圍巖變形和錨索受力監(jiān)測,其中測站3巷道收斂變化曲線如圖5所示;二是依據(jù)圍巖變形觀測結(jié)果,注漿加固圍巖變形穩(wěn)定后采用全景電子窺視儀對(duì)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測,注漿加固4個(gè)月巷道變形穩(wěn)定后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況如圖6所示。
圖5 巷道收斂變化曲線
圖6 注漿加固后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)
由圖5可以看出:巷道變形量集中在右?guī)秃偷装?,巷道修?fù)后4個(gè)月巷道變形基本穩(wěn)定,錨索受力趨于穩(wěn)定,頂幫錨索最大受力283kN,底板錨索受力最大216kN,頂板最大下沉量為22mm,底鼓量為85mm,右?guī)妥畲笞冃瘟繛?0mm,左幫最大變形量為10mm,與原方案相比,相同時(shí)間內(nèi)巷道斷面收縮降低70%。
由圖6可以看出,兩幫的注漿量大,圖6中泛白部分為注漿體,漿液基本上充滿了破碎區(qū)域,注漿效果良好,4個(gè)月后圍巖內(nèi)部基本無新增破壞區(qū)域,整體來看,圍巖注漿加固效果良好,與原支護(hù)方案相比,巷道每米節(jié)約成本約8000元,降低成本35%。
通過對(duì)沖擊地壓礦井深部軟巖破碎巷道注漿加固技術(shù)研究,得出以下結(jié)論:
(1)針對(duì)21采區(qū)西翼輔助運(yùn)料斜巷復(fù)雜的圍巖工程環(huán)境,揭示了巷道變形破壞的特征及機(jī)制,提出了影響巷道變形破壞的因素主要有:原巖應(yīng)力高、多次采動(dòng)影響、頻繁微震事件、圍巖承載力低、圍巖錨固性能差。
(2)依據(jù)巷道變形破壞特征,提出控制對(duì)策,包括三方面:全斷面注漿、全斷面加固、大幅度提高初期支護(hù)強(qiáng)度,設(shè)計(jì)采用全斷面注漿及強(qiáng)力錨索全斷面加固技術(shù),針對(duì)底板煤體松軟破碎現(xiàn)狀,采用鳥籠錨索全長注漿加固,確定了具體控制方案、技術(shù)參數(shù)和施工工藝。
(3)工業(yè)性試驗(yàn)表明,全斷面注漿與加固技術(shù)能夠有效控制圍巖變形,巷道整體穩(wěn)定,相較于原支護(hù)方案,巷道斷面收縮率降低70%,維護(hù)成本降低35%,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
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StudyonGroutingReinforcementofSoftRockandBrokenRoadwayinDeepofRockBurstCoalMine
HE Jie1,2
(1.Mining Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China)
In order to solve large deformation of soft rock and broken roadway in deep of rock burst coal mine,to complex engineering environment of auxiliary transportation inclined roadway of Changcun coal mine in Yima coal mine district,and roadway failure characters were analyzed,roadway deformation failure mechanism was revealed,roadway failure was induced by some synthesis factors,such as high in-situ stress,repeatedly mining,low surrounding rock bearing capacity,frequently micro seismic accidents and low anchoring of surrounding rock and so on,then controlling countermeasures of similar roadway were put forward,reinforcement system of sectional grouting and strengthen grouting cables was applied,then grouting reinforcement scheme,parameters and technology were determined,and reinforcement results was verified by mini pressure observation and peeping.The industrial test showed that surrounding rock deformation could be controlled effectively,and roadway section shrinking percentage decreased by 70%,maintenance cost decreased about 35%.
rock burst;in deep;soft rock roadway;sectional grouting
2017-07-07
10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.013
國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦千米深井圍巖控制及職能開采技術(shù)”(2017YFC0603000);天地科技生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目“基于卸支耦合雙效機(jī)制的巷道沖擊地壓防治技術(shù)”(KJ-2015-TDKC- 05)
何 杰(1984-),男,河南長葛人,碩士,副研究員,主要從事礦山壓力與控制、巷道支護(hù)理論和技術(shù)研究工作。
何 杰.沖擊地壓礦井深部軟巖破碎巷道注漿加固技術(shù)研究[J].煤礦開采,2017,22(6):54-57.
TD353
A
1006-6225(2017)06-0054-04
林健]