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浅谈注浆支护技术在构造带中的应用

文章来源:云南
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发布时间:2012-08-06 22:27:25


浅谈注浆支护技术在构造带中的应用
犹元强(威信云投煤炭公司观音山煤矿)
王倩(泸州市古蔺县煤矿安全培训中心)
摘要:观音山煤矿随着井巷掘进的不断延伸,加之地质构造的复杂,部分巷道揭露构造带,应力集中区域巷道变形破坏严重,采用传统的支护方式已不能满足支护的要求。针对此问题,该矿实施了符合该类巷道修复的U29型棚注浆支护技术。论文从U29型棚注浆加固原理、修复巷道的支护设计、施工工艺和施工方法等方面进行论述分析,并制定和实施了修复巷道的支护效果监测。通过监测数据分析论证了支护加固方案的合理性及有效性,为该矿类似巷道的修复提供了可供参考的支护加固模式,取得了预想效果。
关键词:构造带 注浆支护技术 巷道修复 效果分析
1、前 言
观音山煤矿一井井田西区位于洛旺~新庄向斜的西段南翼,地处威信县城西,直距20km,行政区划属威信县的麟凤乡和长安乡。
观音山井田西区形态呈东西向条带状展布,设计的井田范围东以麟凤河谷为界,西以王家沟F1断层为界,走向长约12.4km;北(深部)止于煤层±0m标高,南(浅部)止于煤层露头或地方、乡镇煤矿开采区边界线,倾向宽约1.9~2.5km,拐点面积30.0556km2。一井设计生产能力1.8Mt/a;矿井开拓方式初期:斜井;后期:斜井—暗斜井。
由于开采深度的加大、地质构造复杂,巷道变形维修的工作量越来越大,找到一套合适的巷道修复加固技术对矿井的安全高效生产至关重要。
2、试验巷道概况
西一一采区井底车场人车停放室、等候室、避难硐室位于该矿观音山一井;该巷道布置在龙潭组泥质灰岩中,原采用锚网喷支护。由于该巷道一段揭露构造带,巷道周边岩石较为破碎,岩层间空隙,裂隙较大;并伴有裂隙水溢出现象。外段成为应力集中区,巷道顶板及两帮喷浆体大范围开裂脱落、底板严重鼓起,已经满足不了正常安全生产的要求。经矿技术部门设计,打算采用外套U29型棚并进行注浆加固来修复此段巷道。
3、巷道支护设计
由于深部高应力巷道要经历由静态到应力状态的多次变化,围岩的应力、变形、位移也随着变化发生多次相应变化,从平稳到不平稳,最后又趋与平稳,而且变化剧烈,时间短暂,导致巷道围岩压力显现很大,巷道变形严重,维护困难。在这种状态下要使围岩能承受反复的压力变化而不发生松动破坏,必须要求支护具有较高的支护抗力和较大的抗变形能力。在巷道开掘后,为了及时对围岩变形控制,控制顶板破碎度发生,保证顶板支护的完整性,采取架设金属支架来控制围岩变形的早期阶段。在受到应力可能超过岩石强度时通过注浆对区域岩层进行加固,提高岩层其自身的承载能力和自承能力,避免破坏力向深部岩体转移,形成新的破坏区。通过联合支护体共同承载由应力集中造成巷道的破坏外力,达到最佳的支护效果。
巷道断面形状及尺寸
巷道断面为圆弧拱,巷宽3000mm、巷高3000 mm,墙高1500mm,采用U29型棚支护,棚距600 mm。
4、U29型棚支护原理
采用U29形钢加工而成,每架棚子由3个基本构件组成,1根曲率半径为尺的弧形棚梁和2根棚腿,弧形棚的两端和棚腿部分进行搭接,组成1个半圆拱,搭接处采用2个卡缆进行固定,卡缆螺帽的扭紧力矩不得小于300 N。在受到巷道围岩外力作用时,棚梁曲率半径R逐渐增大,当它和棚腿的曲率半径r相等,并且沿搭接处作用的轴向力等于卡缆箍紧所产生的摩擦力时,弧形棚梁即沿着棚腿弯曲部分产生微小的相对滑移,使支架下压,这时围岩应力得到暂时卸荷,支架构件在弹性力作用下,又恢复到原来R<r的状态,直到围岩压力继续增加至一定值时,再次产生下压现象,直至达到最大下压量,此时支架变成刚性支架在支撑围岩。
5、U29型棚架设注意事项
U29型棚必须架设在实底上,柱窝深度不得小于200 mm,棚子架设严禁前倾后仰,支架间拉杆要齐全,螺帽力矩要复合要求(≮300 N.m)。
6、注浆加固原理
注浆加固是在锚杆支护作用原理的基础上发展起来的,除具有悬吊作用,组合梁作用外,更关键的是有充填粘结、密封等作用。利用锚管注浆,浆液在注浆泵压力作用下被压入松软的岩体,将原来的软散岩体胶结成整体,从而提高了岩体的刚度和全承载能力;此外,注浆是注浆锚管变成全长锚固,能产生一定的预应力,将岩石组成一个紧密的组合拱,从而进一步提高了围岩体的整体强度,使围岩体的自身承载能力大大提高,同时,由于浆液的扩散作用,组合拱半径增大,能有效克服较大构造应力及岩层压力,保持围岩自身的长期稳定。
7、注浆材料及参数
注浆管采用φ40mm的钢管制作,杆体上钻有φ8mm的注浆孔。注浆材料采用普通硅酸盐水泥与粉抹灰,水泥编号为325 ,比例为1:1(重量比),注浆压力顶板及底角最大注浆压力2.0 MPa,两帮最大注浆压力为1.5 MPa。为防止注浆时跑浆,对巷道进行喷射混凝土封闭,喷厚5O mm,喷浆配合比如下:
水 泥:石粉 1:4.5(重量比)
速凝剂:水泥 4%~5%(重量比)
水灰比:0.45~0.50(重量比)
                         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
注浆断面布置示意图
         
8、注浆管布置参数
注浆管规格为φ40mm、L=3100 mm,注浆管全断面布置,间距为1000mm,顶板及两帮注浆管间排距为1000mm×1500mm,底角注浆、注浆管下扎45°~60°,间排距1500mm×1500mm。
9、施工工艺及施工方法
对修复巷道进行超前加固→敲帮问顶→超前临时支护→刷帮、挑顶→利用前探梁预放棚梁→在护帮板的掩护下挖腿窝、栽棚腿→上卡缆→腰帮过顶→上紧卡缆至设计要求→喷浆封闭→打注浆锚杆→注浆。
10、注浆工艺
(1)采用YT-28风锤,φ40mm钻头进行钻眼,眼深3000mm。打完眼后要扫净眼内的岩煤渣,然后插入注浆管,让注浆管的螺纹部分全部露出喷层50mm左右。
(2)设备连接。按要求把注浆设备、管路连接好,并检查注浆泵各部件和管路是否连接牢固可靠。确认注浆系统连接安全可靠后,方可开始工作。
(3)制作浆液。按照配比配制浆液,先按比例将清水加入搅拌桶内,再按比例加入水泥、粉抹灰,水泥、粉抹灰要粗筛去除杂质,然后放人搅拌桶内搅拌,搅拌时间不得少于5 min。
(4)注浆。先小开试运行,再逐步开大。注浆过程中要注意观察压力表,当达到注浆压力时先关闭注浆泵,再关闭注浆管头处的截至阀。注浆管注浆后,待60 min以上让所注浆液初凝,方可卸下截至阀,并用快速水泥把孔封严封实。对于每一排注浆管先从下部第一根注浆再依次向上进行,最后注上部一根,对于不同排的注浆管,第一天注奇数排,第二天注偶数排。如果在注浆过程中,其它注浆管有漏液现象,必须先将有漏浆的注浆管安上注浆连接头,并将截止阀关闭,发现局部两帮有跑浆、漏浆现象时,可以采用快速水泥进行封堵。
(5)注浆泵及管路的清洗。每班注浆完毕,必须用清水将注浆管路、注浆泵、搅拌桶等清洗干净,以防浆液凝固堵塞管路。
11、支护效果监测
注浆效果监测采用混凝土岩芯钻取机取样试验,用混凝土岩芯钻取机在已注浆区段每隔2O m钻取一定长度的芯样,采用混凝土强度检测仪对钻取的芯样进行点载荷强度试验,将被测芯样的点载荷值换算成混凝土的抗压强度,作为验证注浆效果的依据。对试验巷道每隔2O m取一芯样,共取6个芯样,经检测其抗压强度在15~20 MPa之间,而且岩芯成一整体,水泥浆液渗透在原松散的岩体之间,使之凝固成一个整体。其强度达到了锚喷巷道喷层的强度,说明注浆已达到了预期效果。
12、巷道变形量观测
对该试验巷道采用“十”字布点法观测顶底板及两帮的移近量,共布置4个测点,测点间距30 m,巷道变形量见表1。通过2个多月时间的观测分析,巷道顶底板移近量在50 mm以内,两帮移近量也控制在40mm以内,巷道变形基本稳定。
 
1 监测巷道参数表
日期
巷道高度/mm
巷道宽度/mm
1#
2#
3#
4#
1#
2#
3#
4#
2012.05.10
3000
2998
2998
3000
3000
3000
3000
3000
2012.05.20
3000
2999
2998
2997
3000
3000
2999
2999
2012.05.30
2996
2995
2998
2994
3000
2999
2998
2997
2012.06.10
2995
2991
2994
2991
2999
2998
2997
2996
2012.06.20
2986
2987
2988
2990
2995
2986
2985
2991
2012.06.30
2976
2971
2960
2957
2986
2973
2974
2966
施工参数
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
最终变形量
24
27
38
46
14
27
26
34
13、结 论
通过几个月的观测数据分析,采取U29型棚注浆加固修复段的巷道没有大的变形,顶板支护良好,巷道没有明显的底鼓现象,断面形状保持稳定,能够充分满足进风、行人、进料的要求。该加固形式对于过地质构造带,应力集中区及围岩破坏严重的巷道的修复具有非常明显的效果,解决了西一一采区井底车场人车停放室、等候室、避难硐室等过裂隙带、煤系地层段修复加固工作,避免了对此类巷道反复修复的问题,减少了巨大的修复工程量和材料浪费,节约了成本,提高了安全系数,稳定了矿井的产量,更为主要的是为该矿在以后的巷道修复工作提供了可靠的支护加固模式。
参考文献:
[1] 史国良.用注浆法治理支护破损的巷道[J].冶金矿山设计与研究,1996.
[2] 杨新安.软岩巷道锚注支护机理与技术的研究[D].中国矿业大学博士论文,1995.