小康煤矿工程软岩劈裂灌浆加固技术.pdf
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1、第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期:;:作者简介:王吉凯(),男,辽宁抚顺人,高级工程师,硕士,年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业,现从事采矿设计及井巷工程技术管理工作。引用格式:王吉凯,马中军,贾东修 小康煤矿工程软岩劈裂灌浆加固技术 煤炭科技,():,():文章编号:()小康煤矿工程软岩劈裂灌浆加固技术王吉凯,马中军,贾东修(铁法煤业(集团)有限责任公司 小康煤矿,辽宁 调兵山 )摘要:根据小康煤矿地应力测定结果,对软岩巷道压力进行了力学分析,并对工程软岩劈裂灌浆加固的可行性进行计算分析。针对现有劈裂灌浆技术注浆范围小、注浆深度浅,加固围岩范围有限的问题,创新应用中空注浆锚索替代原钢管
2、注头向帮、顶板实施劈裂注浆,实现了锚索的全长锚固和灌浆范围的加深加大。针对局部巷道底鼓的问题,创新应用底角钢管混凝土技术,对底板进行加固,形成钢管混凝土抗剪结构,控制底鼓。关键词:劈裂灌浆;注浆锚索;钢管混凝土中图分类号:文献标志码:,(),):,:;:随着煤矿进入深部开采范围,软岩支护问题越来越突出,对支护强度的要求和支护成本也逐年增加。针对软岩支护技术,多年来各国学者从不同角度进行了研究,其中最具代表性的有恒阻大变形支护技术、切顶卸压技术、注浆加固技术等 。恒阻大变形支护技术虽然可以通过提高锚索的预紧力来增加围岩的初期支护强度,但是围岩在采动的作用下还是会产生一定的变形,主要表现为巷道两帮
3、的收缩变形和底鼓,在实际的工程中易产生锚索的剪切破断现象。为了解决上述问题,通过注浆可以显著减小围岩变形,并且实现锚索的全长锚固,增加锚索与围岩的整体性支护作用。由于软岩的裂隙小而稀疏,采用普通的注浆方法浆液难以进入裂隙内,目前国内外针对这一问题的研究较少,尚没有较好的解决方法 。小康煤矿 工作面是该矿建矿以来赋存最深、地应力最大的软岩综放工作面。工程软岩劈裂灌浆加固技术 年 月应用于 工作面运输及回风巷,实现了回采巷道无翻修,但局部巷道仍有帮顶变形、底鼓的问题。为此,小康煤矿对现有 年第 期煤炭科技第 卷劈裂灌浆技术进行再创新。年 月,通过实施劈裂注浆结合中空注浆锚索及底角钢管混凝土的联合支
4、护技术,创新应用中空注浆锚索取代原注浆钢管注头,向帮、顶注浆的方法,实现了灌浆范围的加深、加宽和锚索的全长锚固,调动深部围岩强度参与支护,提高围岩整体抗压、抗剪强度。通过实施底角钢管向底板劈裂注浆,形成钢管混凝土抗剪结构,加强对底板的控制。工程赋存条件 年 月,对小康煤矿南二采区轨道中巷及西三采区五号联络巷分别进行了地应力测定。根据实测的应变数据、测点岩石力学参数及钻孔的几何参数,由地应力专业计算机软件分析计算得出地应力的大小和方向,见表 。表 小康矿地应力测量结果 钻孔位置埋深主应力主应力 方位角()倾角()垂向应力 轨道中巷 轨道中巷 五号联络巷 五号联络巷 从 个测点的地应力状态,发现小
5、康矿地应力分布规律如下:轨道中巷 号、号测点水平应力值为 ,其值为自重应力的 倍。五号联络巷 号、号测点水平应力值为 ,其值为自重应力的 倍。小康煤矿的地应力场是以水平构造应力场为主导,最大主应力均为水平方向,方位角为 ,倾角为 ,最大水平主应力走向总体上为东西()向。地应力测定结果表明,小康煤矿地应力水平与其他同等埋深的非软岩矿井基本相同。也就是说,小康煤矿软岩巷道的压力,并非是由高地应力造成的。软岩回采巷道掘进期间的大变形主要与围岩岩性有关,小康煤矿回采巷道围岩属于典型的强膨胀复合型工程软岩。巷道围岩中含有大量黏土性矿物,其中:煤样的黏土性矿物含量 ,煤层中的泥岩黏土性矿物含量 ,油页岩中
6、黏土性矿物含量 。小康矿围岩的矿物含量见表 。黏土性矿物自身强度低,具有强膨胀、显著流变的特性。巷道开挖后,围岩产生显著的碎胀、流变,而圆棚、拱棚的支护强度不足以抵抗围岩的强流变、碎胀,局部产生应力集中,最终导致巷道变形破坏。表 小康矿围岩的矿物含量 样品矿物含量 石英钾长石斜长石方解石黏土矿物煤样 泥岩 油页岩 劈裂灌浆可行性分析大量的生产实践表明,软岩巷道受到的压力主要来自围岩的侧向压力、膨胀力和开采扰动力等。巷道支护对象主要为塑性变形和破坏的工程软岩,工程软岩的深度一般为 倍巷道直径。因此,从提高围岩自身强度入手,探索应用注浆的方法加固围岩,发挥工程围岩的自承载能力。由于软岩的裂隙小而稀
7、疏,普通的注浆方法浆液难以进入裂隙内。为此,小康煤矿研发了劈裂灌浆技术,即以高压浆力打通工程围岩裂隙,浆液从阻力最小的裂隙向阻力最大的裂隙扩展,浆液充填裂隙后产生微膨胀,像楔板一样挤压、加密围岩,形成混凝土网格骨架,提高围岩整体强度。需要多大的灌浆压力才能劈裂、加固工程软岩,需要进行计算分析。()工程软岩压力。工程软岩产生的压力主要包括侧向压力、膨胀力、开采扰动扩容力等。式中,为工程软岩压力;为埋藏深度,取 ;为上覆地层的平均容重,取 ;为软岩摩擦系数,;为重力与垂直力夹角的余弦值,取 ;为折减系数。()年第 期王吉凯,等:小康煤矿工程软岩劈裂灌浆加固技术第 卷式中,为工程软岩侧向压力;为泊松
8、比,取 。经计算,工程围岩压力 。其中,侧向压力 ,膨胀力 (实验室测定),开采扰动扩容力 。()加固阻力。根据滑移分析的基本原理:缓慢滑移必然遵守一个基本平衡方程式:加固阻力 围岩压力。当加固阻力 围岩压力时,围岩处于临界稳定状态。考虑到软岩的裂隙小而稀疏,浆液难以进入裂隙内等其他因素,采用 倍的备用系数,加固阻力 。即通过 的浆力对工程软岩实施劈裂压密加固。围岩的摩擦系数由 (内摩擦角 )提高到 (内摩擦角 ),摩擦系数提高了 ,从而提高围岩自身的抗剪强度。技术创新 注浆锚索劈裂灌浆试验阶段使用自制钢管做为灌浆注头。每排布置 根注头(图 )。注头长 ,使用 无缝钢管和 无缝钢管焊接在一起制
9、成,注头的进浆端头预留丝扣用于连接管路及接延灌浆管。由于自制铁注头过短,导致灌浆压力上升速度过快、注浆范围小、注浆深度浅,加固工围岩范围有限,未能调动深部围岩强度参与支护。图 试验阶段劈裂灌浆孔布置 针对上述试验阶段问题,年 月,小康煤矿创新应用中空注浆锚索替代原钢管注头,向帮、顶板实施劈裂注浆,既实现了灌浆范围的加深、加宽,又实现了锚索的全长锚固,充分调动深部围岩参与支护,提高了围岩整体的抗压、抗剪强度。注浆锚索布置如图 所示。图 注浆锚索布置 矿用中空注浆锚索,型号 ();规格 ;注浆芯管外径 ;芯钢绞线(钢绞线 ),出浆孔位置在锚索端头向下 、处各 个,如图 所示。图 注浆锚索 施工方法
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