深部软岩巷道支护中合理注浆时间研究与应用.pdf
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1、深部软岩巷道支护中合理注浆时间研究与应用许来峥1,李楠1,韦四江2(1.河南能源化工集团 焦煤集团科研所,河南 焦作市 4 5 4 0 0 0;2.河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作市 4 5 4 0 0 0)摘 要:针对深部软岩巷道变形严重,常规壁后注浆工艺支护效果差,注浆时间的确定缺乏科学依据等问题,提出了合理注浆时间的概念,寻求壁后注浆与巷道掘进的时间关系,对其进行了理论分析,并运用巷道轮廓变形法和钻孔成像法对合理注浆时间进行了测定,对地质条件与注浆时间的关系进行了阐述。现场测试和工程应用表明:赵固一矿北回风大巷合理注浆时间为巷道掘进后4 0 6 0d,九里山矿1 6 0 7
2、1中间底抽巷合理注浆时间为顶板至少滞后掘进时间6 0d,帮部滞后5 0 6 0d;合理的注浆时间与围岩性质、埋藏深度、地应力、顶板淋水等因素有较大关系。关键词:软岩巷道;壁后注浆;合理注浆时间;变形监测;钻孔成像0 引言我国煤炭以深部埋藏为主,埋深在1 0 0 0m以上的煤炭已占我国煤炭资源总量的5 1.3 4%12。随着浅部煤炭资源的日趋减少,我国许多大中型煤矿开采深度逐渐向深部延伸3。随着矿井向深部转移,高应力条件下的软岩巷道表现出变形大、长时间持续流变的特性,已成为巷道支护的难题之一。深部软岩巷道目前普遍采用锚喷支护,但当巷道的变形量或者围岩破裂范围过大时,采用这种支护方法不能取得好的支
3、护效果,需要对围岩进行注浆,借助浆液来提高围岩的整体强度和自稳能力,使其形成注浆加固圈加固巷道围岩。对于这类巷道采用二次支护的形式是注浆47。李海燕等8研究了二次支护中锚杆长度对锚固效果的影响,得出了锚杆长度对二次支护影响很小的结论。李大伟等9确定了第二次大刚度高强度支护的合理参数,选择了安全可靠的支护方法,实现了巷道的长期稳定。杨治敏1 0在白坪煤矿的现场应用证明了二次高强锚网支护有效控制了大断面硐室的变形。施江旭等1 1基于极限位移准则和变形速率准则确定了二次支护时间。颜亚民等1 2提出了二次支护工程技术措施,减少了巷道返修率。李学彬等1 3认为补强稳定支护施工后,煤巷支护是全面的高强度刚
4、性支护,限制了围岩变形,能维持巷道围岩的长期稳定。罗生虎等1 4通过数学实例计算认为二次支护与初次支护之间的时间间隔,能够影响两个支护结构之间的作用力。上述研究在支护时间方面多为一次支护时间的研究,针对二次支护中的合理注浆时间研究还较少。因此,本文研究了合理注浆时间并进行了现场应用,为煤巷支护提供了一定的参考依据。1 工程概况赵固一矿位于河南省北部,该矿井煤层埋深为6 5 0m、冲积层厚、基岩薄(顶板基岩厚度为3 61 2 5m)、地压大、矿压显现剧烈。近几年随着采深的不断加大,巷道所承受的原岩应力也相应增加,矿压的显现也变得异常明显,对巷道围岩的破坏更加剧烈,再叠加采动影响、巷道淋水、保护煤
5、柱留设等复杂因素,采用普通支护形式已无法满足巷道的使用年限和要求,巷道返修工程量居高不下。赵固一矿主采二叠系山西组二1煤层,煤层赋存稳定,煤层厚为4.6 6.5m,平均厚约5.5m,煤层倾角为-1 0,平均倾角为-0.5。煤层硬度系数f为1,层理较发育。顶板基岩厚度为3 61 2 5m,直接顶较薄,砂岩层局部直接覆盖于二1煤层之上。北翼回风大巷主要担负北翼盘区通风及行人工作。自开口位置向里1 5 4.8m按照-5 掘进,掘进至接触煤顶后,巷道沿煤层顶板掘进,巷道掘进方向煤层倾角-1 0。北回风大巷断面规格均为:净宽5 4 0 0mm,净高3 5 0 0mm,净断面面积1 8.9m2;掘进宽度5
6、 6 0 0mm,掘进高度3 6 0 0mm,掘进断面面积2 0.1 6m2,沿煤层顶板掘进。煤层顶底板情况见表1。I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3表1 煤层顶底板情况顶底板名称岩石类别厚度(最薄至最厚/平均)/m岩性描述老顶大占砂岩1 2 1 3.8/1 2.7 8灰色,厚层状,细粒砂状结构,成分以长石、石英为主,中部夹有大量泥质条带,具中型平行层理及交错层理。直接顶泥岩0.7 8
7、 1.2 8/1.0 3黑色,薄层状,平坦状断口,断面含有大量植物化石碎片,较松软。伪顶炭质泥岩0 0.5/0.2 0黑色,泥质结构,脆性高,较破碎。直接底细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩1 7.1 1 9.1/1 8.1灰色,厚层状,细粒砂状结构,成分以长石、石英为主,中部夹有大量泥质条带,具中型平行层理及交错层理。老底L 9灰岩1.5 2/1.7 5灰色,隐晶质,遇稀酸起泡,含动物化石,含黄铁矿晶体,具不规则方解石脉。2 合理注浆时间理论分析松散破碎以及软弱围岩巷道支护需要借助浆液来提高围岩的整体强度和自稳能力,浆液能够在围岩中均匀地流动渗透并到达一定的范围,是有效进行注浆加固的先决条件。浆液在
8、围岩中的渗透深度、扩展宽度和加固范围取决于岩体应力分布情况以及由此产生的裂隙发育状态。在多数情况下,岩石渗透性最佳的状态,既不在强度峰值,也不在完全破坏后的残余强度阶段,而是在强度峰值后的某个位置上,此时裂隙发育程度最佳,最有利于注浆。围岩强度和围岩裂隙发育程度随时间变化如图1所示。图1 围岩裂隙发育程度随时间变化从图1可以看出,在围岩强度达到峰值时,随着裂隙发育程度的增加,围岩强度也增加,但围岩强度的峰值是早于裂隙发育程度的峰值的,当裂隙发育程度达到峰值时,围岩强度已经大幅下降,此时进行注浆则不利于利用围岩自身强度。理论上分析,应在围岩强度曲线与裂隙发育程度曲线的交叉点进行注浆是最合理的,此
9、时围岩强度仍处于一个相对高点,同时围岩裂隙发育较为充分,浆液最易渗入围岩,对注浆材料性能和注浆工艺的要求也相对较低,也就是说注浆应滞后掘进工作面一个合理的时间。3 巷道变形量与合理注浆时间为确定巷道掘进后围岩中形成必要的注浆裂隙所需时间,首先建立巷道围岩的裂隙系数与巷道变形量之间的关系式。要保证巷道围岩达到最佳注浆加固效果,就必须在围岩中形成必要的裂隙,巷道变形所产生的变形量(也称轮廓位移量)U可由式(1)计算出1 5。(见图2)。U=UP+UT(1)式中,UP为围岩因流变所产生的位移,m;UT为围岩产生裂隙和碎胀所形成的巷道表面位移,m。1巷道刚掘进时轮廓线的位置 2产生位移U时巷道轮廓线的
10、位置3巷道围岩裂隙区边界图2 巷道轮廓位移计算 根据巷道掘进后围岩产生的裂隙体积与因裂隙扩胀而使巷道轮廓收敛的体积相等的原则,建立式(2):RTrkr m(r)dr-0.5mm(R2T-r20)=0.5 (r0-UP)2-(r0-U)2(2)式中,r0为巷道掘进后顶部初始半径,m;rk为巷道变形后顶部半径,m;RT为巷道围岩裂隙区半径,m;mm为巷道掘进前顶部岩体原始裂隙系数;m(r)为巷道变形后岩体裂隙系数沿巷道径向分布函数。111许来峥,等:深部软岩巷道支护中合理注浆时间研究与应用 裂隙分布的大量实测数据表明,巷道轮廓收敛变形后,其围岩中裂隙系数随着裂隙与巷道表面距离增大呈指数分布。因此,
11、m(r)可用式(3)表示:m(r)=mm+(mk-mm)e-a(r-rk)(3)式中,mk为巷道轮廓位移达到U值时,巷道轮廓处裂隙系数;a为与裂隙指数分布曲线的曲率相关的系数。将式(3)代入式(2),经积分和化简得式(4):mmR2T-(r0-U)2 +2(mk-mm)ar0-U +1a2-a RT+1a2ea(RT-r0+U)=mm(R2T-r20)+(r0-UP)2-(r0-U)2(4)用M a p l e软件求解上述超越方程,可计算当巷道轮廓处裂隙系数mk达到某给定值时,巷道轮廓的位移量U。计算时各种参数取范围和步长见表2。表2 参数取值范围和步长mk/%mm/%r0/mRT/maUP/
12、m步长/m3.0 5.00 2.01.0 3.0L+r021 0 1 0-310.50.50.2 通过查阅其他文献可知,当巷道表面附近围岩中裂隙系数mk=4%5%时,底抽巷顶板轮廓位移量U为1 0 0mm,围岩中大部分裂隙已张开,但尚未产生大变形和围岩冒落,此时实施注浆等加固的效果最好。4 合理注浆时间现场考察4.1 巷道轮廓变形法考察根据巷道轮廓变形法对赵固一矿北翼回风大巷的合理注浆时间进行了考察。巷道表面位移监测站分别设立在巷道通尺1 0 0m、1 4 0m、1 5 0m、1 9 0m处。测试数据如图3、图4所示。横轴为巷道掘进日期,纵轴为巷道累计变形量。图3 通尺1 0 0m巷道表面位移
13、变形曲线图4 通尺1 4 0m巷道表面位移变形曲线 从图3、图4可以看出:通尺1 0 0m处巷道掘进5 0d后,累计变形1 1 0mm,且曲线开始趋于平缓,说明日均变形速率不断降低;通尺1 4 0m处巷道在经过连续3 6d(首次支护后1 8 5 4d)的变形速率降低后,有一个明显加速的阶段,说明该时刻巷道深部围岩有进一步破坏趋势,因此应在该趋势发生之前进行注浆;同样对1 5 0m及1 9 0m处数据进行分析,分别得出巷道在掘进5 0d、4 8d是进行注浆的合理时间。综合4个测站数据认为:赵固一矿北翼回风巷合理注浆支护时间是巷道掘进后4 8 5 4d。4.2 钻孔成像法考察钻孔成像法的优点是对于
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