石紅星,郭相平,李 瑾

(1.晉城煤業(yè)集團成莊礦,山西晉城 048006;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

注漿加固技術(shù)在永久硐室底鼓治理中的應(yīng)用

石紅星1,郭相平2,李 瑾1

(1.晉城煤業(yè)集團成莊礦,山西晉城 048006;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

Application of Reinforcing Technology with Grouting in Floor Heave Prevention of Permanent Cavern

通過現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬等方法,對成莊礦二盤區(qū)二部膠帶機頭硐室底板變形破壞特征、底板穩(wěn)定性和錨注加固作用機理等進行分析,并針對底板破碎圍巖,進行了現(xiàn)場加固處理,底板變形得到有效控制,取得了顯著加固效果。

注漿加固;永久硐室;底鼓

成莊煤礦二盤區(qū)二部膠帶機頭硐室是 2103運輸巷中部的一個轉(zhuǎn)載硐室,擔(dān)負二盤區(qū)下部及五盤區(qū)煤炭運輸?shù)闹修D(zhuǎn)職能。2103巷兩側(cè)布置有 2102巷和 2104巷,硐室投入使用后,為解決人員運輸問題,在硐室與 2102巷間施工了三輪車繞道,隨著掘進擾動,硐室圍巖開始出現(xiàn)變形。硐室側(cè)翼對應(yīng)的 2315工作面回采后,采動壓力對硐室和三輪車繞道均產(chǎn)生了較大影響,巷道圍巖變形加劇,尤其是硐室底鼓,導(dǎo)致設(shè)備安裝基礎(chǔ)傾斜,驅(qū)動部及卸載部安裝大架扭曲,已嚴重影響設(shè)備的運轉(zhuǎn)、威脅設(shè)備安全。因此,采取有效措施對硐室底板進行加固處理,已成為亟待解決的問題。

1 巷道布置及地質(zhì)情況調(diào)查

硐室與兩側(cè)的 2102巷和 2104巷間距離均為30m,與三輪車繞道間凈煤柱寬度 11m,硐室兩側(cè)的 2314和 2315兩個工作面分別于 2003年和 2006年回采結(jié)束。硐室與周邊巷道及工作面平面布置如圖1所示。

硐室沿 3號煤層底板布置,埋深約 440m。3號煤層及頂、底板巖性如圖 2所示。硐室各部位均為半圓拱型斷面,全部采用錨桿錨索噴漿支護。掘進期間,驅(qū)動硐室區(qū)域兩幫煤體破碎,曾發(fā)生片幫。為準(zhǔn)確了解硐室底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況,使用鉆孔電子窺視儀,對硐室底板進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視。結(jié)果表明硐室底板巖層 4000mm以內(nèi)連續(xù)離層,完整層厚度小于 100mm,底板深部巖性較軟,區(qū)域底板破壞范圍大,裂隙連通導(dǎo)致底板成孔后孔內(nèi)積水無法排干。窺視結(jié)果如圖 3所示。

圖 1 硐室與周邊巷道及工作面布置

圖2 3號煤層綜合柱狀

2 底板穩(wěn)定性及加固機理分析

圖3 硐室底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采用 FLAC3D數(shù)值計算軟件對巷道圍巖應(yīng)力場進行分析。破碎圍巖的應(yīng)變軟化特性,使圍巖的應(yīng)力影響范圍不斷擴大,造成淺部圍巖的變形破壞。由于圍巖應(yīng)力場的變化將影響錨桿的粘結(jié)強度,最終影響錨桿的支護效果。

巷道圍巖是一個有機整體,頂板和兩幫支護能力降低必將對底板產(chǎn)生影響,巷道底板一般不采取支護措施,硐室底板以泥巖為主,強度不高,無法承受由巷道頂板和兩幫傳遞的巨大壓力而產(chǎn)生底鼓。

運用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件分析破碎圍巖體的注漿參數(shù)和效果。注漿加固以后,巷道圍巖的強度增高,應(yīng)力集中范圍明顯降低,改善了圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu);再通過錨索支護顯著增強了巷道的自承能力,確保了巷道的安全。圖 4為采用UDEC軟件模擬的單純錨索支護與注漿加固以后再進行錨索支護底板變形量對比?？梢钥闯?圖中單純錨索支護,硐室最大底鼓量 286mm;在使用注漿的基礎(chǔ)上再進行錨索補強的支護方式以后,硐室底鼓量最大為80mm,與單純錨索支護相比,硐室底板變形明顯減小,底鼓量最大減小72%。

圖4 加固方式與底板圍巖變形的關(guān)系

3 現(xiàn)場試驗

根據(jù)動壓巷道底板穩(wěn)定性及加固作用機理分析,硐室破碎底板加固,應(yīng)在恢復(fù)底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性基礎(chǔ)上,加強對巷道底板的主動支護。根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場窺視結(jié)果最終確定采用注漿配合強力錨索支護的綜合加固方案。

注漿使用 42.5號普通硅酸鹽水泥配合 XPM添加劑制備素水泥漿,大范圍漏漿進行注漿堵漏時,壓注水泥 -水玻璃雙液漿。XPM添加劑用量為水泥重量的8%～10%。水泥漿的水灰比 (質(zhì)量)為0.6∶1,使用水泥 -水玻璃雙液漿時,水泥漿配比不變。水泥漿和水玻璃的體積比 1∶0.4。支護使用 1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,公稱直徑<22mm,極限拉斷力 560kN,抗拉強度 1860MPa,延伸率大于 7%。配合拱形高強度錨索托盤 300mm ×300mm×16mm(帶調(diào)心球墊)及配套索具,承載能力不低于 500kN。底板注漿孔兼作錨索孔,鉆孔直徑 <56mm。注漿孔深度8000mm,錨索端部先灌一定量的水泥漿進行端部錨固,第 2次注漿完畢后對錨索進行預(yù)緊,注漿壓力 3MPa,錨索預(yù)緊力不小于 200kN。注漿孔排距 3000mm,間距1750mm和 2500mm,注漿及錨索布置如圖 5所示。

4 注漿效果檢測及礦壓監(jiān)測

注漿加固結(jié)束后,在硐室底板打孔窺視并進行了取樣檢測注漿效果。圖 6是取出的樣品照片,從照片上可以看出,漿液不但充填了寬度大的裂縫,對微小的裂隙也進行了有效充填,注漿效果良好。

在硐室里設(shè)置了 2組表面位移測站,從表面位移監(jiān)測結(jié)果看,硐室底板進行注漿加固和強力錨索支護綜合加固后,巷道底鼓最大觀測值為 6mm,如圖 7所示。到目前位置,工程已經(jīng)完成施工 2a,硐室底板沒有再發(fā)生底鼓。

圖5 硐室底板注漿及錨索布置

圖6 漿液效果

圖7 硐室底鼓監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

通過對成莊礦二盤區(qū)二部膠帶機頭硐室底板現(xiàn)場窺視、底板穩(wěn)定性分析、注漿加固機理分析和現(xiàn)場試驗得出以下結(jié)論:

(1)硐室底板 4000mm范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生連續(xù)破壞,完整層厚小于 100mm,嚴重影響硐室安全。

(2)水泥漿液不但充填了寬度大的裂縫,對微小的裂隙也進行了有效充填,注漿效果良好。

(3)硐室底板在注漿后再進行錨索加強支護,破碎底板被膠結(jié)成連續(xù)體,錨索預(yù)應(yīng)力得到了有效傳遞。改善了底板圍巖條件,提高了底板巖層強度,增大了底板巖層的承載能力,從而有效地控制了底板的變形。

(4)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:以注漿加固為基礎(chǔ)配合強力錨索支護的綜合加固技術(shù)是有效控制動壓影響下的破碎巷道底板的加固形式。

[1]梁炯鋆,等.錨固與注漿技術(shù)手冊 [M].北京:中國電力出版社,1999.

[2]康紅普,王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[責(zé)任編輯:鄒正立]

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1006-6225(2010)06-0054-03

2010-08-16

石紅星 (1972-),男,山西垣曲人,工程師,現(xiàn)任成莊礦技術(shù)室主任。