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基于采动影响探讨汾源煤业采区大巷群注浆加固技术

2020-09-16 263 上传者：管理员

摘要：汾源煤业5号煤层一采区大巷群在采动影响下出现明显的变形破坏现象,为防止围岩失稳影响矿井的正常生产,通过地质雷达探测、钻孔窥视、实验室实验等方法,获得大巷松动圈发育深度3.1m,属于Ⅳ和Ⅴ类不稳定围岩,提出采用ZKD高水速凝材料进行注浆,确定合理的水灰比为1.5∶1,注浆后钻孔窥视结果表明,围岩内的裂隙、孔隙被浆液填充,破碎的岩层胶结在一起,围岩的稳定性显著提高,加固效果良好。

关键词：
地质雷达
大巷
岩层胶结
注浆
矿业工程
钻孔窥视
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1、工程概况

霍州煤电集团汾源煤业位于山西省忻州市静乐县杜家村镇内,采用斜井开拓,生产能力为120万t/a,开采水平为+1100m,采用综采放顶煤采煤工艺,矿井属于瓦斯矿井,目前开采5号煤层,5号煤层平均厚度8.1m,倾角0～4°,一采区三条大巷均沿5号煤层底板掘进,煤层顶底板岩性特征如表1所示。一采区井下标高为+1179～+1267m,埋深为270～390m,采用双翼布置,首先进行采区左翼1-101工作面的回采,然后进行右翼1-102工作面的回采,两翼工作面交替进行采掘。1-101工作面即将回采完毕时,对应位置的三条大巷表现出明显的变形破坏,需采用适当的措施进行治理。

表1煤层顶底板岩性特征

2、一采区大巷永久支护方案

一采区三条大巷平行布置,保护煤柱宽度为30m,三条大巷均采用矩形断面,断面尺寸差别不大,因此本文以左侧的辅运大巷为例进行研究。辅运大巷断面尺寸宽、高分别为5.2m和3.6m,掘进期间其永久支护如图1所示。顶板和两帮锚杆规格为D20mm×L2400mm,杆体材料为HRB500钢,间排距均为800mm,采用规格150mm×150mm×10mm的碟形托盘,顶板锚杆采用CK2335型和Z2360型树脂药卷各一支,安装预紧力距不小于150N·m,两帮锚杆采用一支Z2360型树脂药卷,安装预紧力距不小于50N·m,同排锚杆间采用由D14mm的圆钢双面焊接制作的梯子梁联结,顶板靠近顶角锚杆向外侧偏斜20°设置,帮部靠近顶角的锚杆向上倾斜20°布置,帮部靠近底角的锚杆向下倾斜20°布置。顶板锚索采用D18.9mm×L8300mm的钢绞线,间距为2000mm,排距2400mm,锚索间通过厚度3.5mm的M型钢带联结。

图1辅运大巷支护断面

3、大巷松动圈测试

1-101工作面即将回采完毕阶段,现场调研发现,对应位置的三条大巷表面均出现明显的变形现象,预计将影响巷道的正常使用,需采取适当的加固措施。为掌握围岩的变形破坏特征,现场采用地质雷达对大巷围岩的松动圈进行了测试[1,2],通过地质雷达扫描巷道断面,在松动破碎围岩内,地质雷达发出的电磁波呈杂乱无章的状态,当电磁波传递至破碎区与完整岩体的交界处时,电磁波会产生反射波,根据反射波的特征可推断出巷道围岩松动圈的发育情况。在三条大巷内分别布置两个测点,具体位置如图2所示,测试结果见表2。

图2松动圈测点布置

由表2可以看出,三条大巷顶板和两帮松动圈发育范围较大,底板松动破坏范围较小,顶板松动圈发育范围为2.4～2.6m,两帮松动圈范围为2.4～3.1m,底板松动圈范围为0.85～1.45m。根据松动圈的分类标准,三条大巷均属于大松动圈的范畴,巷道围岩属于Ⅳ和Ⅴ类不稳定围岩,顶板和两帮的松动圈发育范围均超出了锚杆支护的有效范围,若不采取合理的加固措施,预计大巷围岩存在整体性失稳的可能。

表2松动圈测试结果

4、注浆加固技术

根据三条大巷围岩松动圈发育情况,原有锚网索联合支护已无法控制巷道围岩破坏,为抑制巷道围岩内松动圈的进一步扩展发育,提高巷道浅部围岩的自稳和承载能力,提出对巷道围岩进行注浆,根据松动圈发育情况设计顶板和两帮注浆加固范围为3000mm。目前常用的注浆材料可分为化学浆液和水泥浆液,汾源煤业一采区大巷围岩松动破坏严重,围岩内存在大量裂隙、孔隙,浆液需要具有良好的粘结性和充填能力,因此选择ZKD高水速凝材料,这种浆液具有水灰比高、渗透性好、微膨胀等优点。

由于汾源煤业5号煤层顶板为泥质灰岩和泥岩,岩层内富含遇水膨胀性矿物,浆液中析出水分过多的话将降低顶板岩层的强度,因此合理的水灰比对于注浆效果影响很大,因此决定进行不同水灰比浆液性质的实验,测试不同浓度浆液凝固后抗压强度,整理得到表3所示结果。

表3注浆后抗压强度变化

从表3可以看出,浆液浓度愈高,浆液凝固周期越短,凝结后的强度愈高,但浆液水灰比小于1.5时,浆液凝结速度过快,不利于现场施工,但浆液浓度增大至1.8及以上时,浆液凝固后强度显著降低,因此最终确定一采区三条大巷注浆材料水灰比为1.5∶1。

巷道浅部围岩通常可通过注浆锚杆或中空注浆管,汾源煤业各条大巷围岩破碎严重,浆液具有良好的渗流通道,因此选择中空注浆管进行注浆,沿长度方向由注浆段、封孔段及联结段组成,参考类似地质条件下巷道围岩注浆管的设计[3,4],本次注浆采用直径20mm的无缝钢管,管壁厚2.5mm,注浆管总长度2.5m,注浆管详细情况如图3所示。

图3中空注浆管示意(mm)

设计注浆钻孔深度为3.0m,钻孔直径42mm,注浆孔间排距为1.6m,为防止注浆期间,临近钻孔漏浆、跑浆,设计分两次进行注浆,首次注浆注浆孔排距为3.2m,注浆孔布置如图4所示。

图4大巷围岩注浆孔布置

5、应用效果分析

对1-101工作面对应区域的三条大巷围岩进行注浆加固后,为考察注浆效果,在注浆前后采用YTJ20型岩层探测记录仪对辅运大巷顶板进行钻孔窥视,给出不同深度较典型的围岩情况如图5所示。由图5可以看出,注浆前,辅运大巷顶板深度0.5m处岩层破碎严重,围岩内存在大量空隙;顶板深度0.5～1.5m范围内,岩层也基本全部破碎,且存在明显的离层,深度1.5～3.0m范围内,岩层存在较大裂隙和离层。注浆后,0～0.5m内顶板岩层,浆液充填效果良好,0.5～1.5m范围内,岩层内的裂隙由浆液填充,胶结效果良好,深度1.5～3.0m处,顶板岩层完整性良好。综上可知,注浆加固后,大巷围岩强度明显提高,松动圈发育范围明显减小。且加固后大巷表面无明显的变形现象,围岩整体稳定,加固效果良好。

图5辅运大巷注浆前后顶板窥视结果

参考文献:

[1]郭永红.双翼采动大巷群围岩破坏机理与修复加固研究[D].徐州:中国矿业大学,2019.

[2]孙利军,迟鹏展.注浆加固技术在十三矿-685m进风大巷中的应用[J].能源与环保,2019,41(6):145-148,153.

[3]梁吉曾.马兰矿南翼大巷注浆加固返修控制技术研究[J].煤矿现代化,2019(4):4-6.

[4]王翔宇.黄陵二号井煤层大巷群围岩联合控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2019.

谢鹏.汾源煤业采动影响下采区大巷群注浆加固技术研究[J].煤,2020,29(09):130-132.