石紅星,郭相平,李 瑾

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

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

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬等方法,對(duì)成莊礦二盤(pán)區(qū)二部膠帶機(jī)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(jī)理等進(jìn)行分析,并針對(duì)底板破碎圍巖,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)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(pán)區(qū)二部膠帶機(jī)頭硐室是 2103運(yùn)輸巷中部的一個(gè)轉(zhuǎn)載硐室,擔(dān)負(fù)二盤(pán)區(qū)下部及五盤(pán)區(qū)煤炭運(yùn)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(yùn)輸問(wèn)題,在硐室與 2102巷間施工了三輪車(chē)?yán)@道,隨著掘進(jìn)擾動(dòng),硐室圍巖開(kāi)始出現(xiàn)變形。硐室側(cè)翼對(duì)應(yīng)的 2315工作面回采后,采動(dòng)壓力對(duì)硐室和三輪車(chē)?yán)@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(dòng)部及卸載部安裝大架扭曲,已嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、威脅設(shè)備安全。因此,采取有效措施對(duì)硐室底板進(jìn)行加固處理,已成為亟待解決的問(wèn)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(chē)?yán)@道間凈煤柱寬度 11m,硐室兩側(cè)的 2314和 2315兩個(gè)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(hào)煤層底板布置,埋深約 440m。3號(hào)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(hù)。掘進(jìn)期間,驅(qū)動(dòng)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(duì)硐室底板進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視。結(jié)果表明硐室底板巖層 4000mm以?xún)?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(wú)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(hào)煤層綜合柱狀

2 底板穩(wěn)定性及加固機(jī)理分析

圖3 硐室底板內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采用 FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)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(kuò)大,造成淺部圍巖的變形破壞。由于圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化將影響錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度,最終影響錨桿的支護(hù)效果。

巷道圍巖是一個(gè)有機(jī)整體,頂板和兩幫支護(hù)能力降低必將對(duì)底板產(chǎn)生影響,巷道底板一般不采取支護(hù)措施,硐室底板以泥巖為主,強(qiáng)度不高,無(wú)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(yùn)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(qiáng)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(guò)錨索支護(hù)顯著增強(qiáng)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(hù)與注漿加固以后再進(jìn)行錨索支護(hù)底板變形量對(duì)比?？梢钥闯?圖中單純錨索支護(hù),硐室最大底鼓量 286mm;在使用注漿的基礎(chǔ)上再進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式以后,硐室底鼓量最大為80mm,與單純錨索支護(hù)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(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)動(dòng)壓巷道底板穩(wěn)定性及加固作用機(jī)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(qiáng)對(duì)巷道底板的主動(dòng)支護(hù)。根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果最終確定采用注漿配合強(qiáng)力錨索支護(hù)的綜合加固方案。

注漿使用 42.5號(hào)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(jìn)行注漿堵漏時(shí),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(shí),水泥漿配比不變。水泥漿和水玻璃的體積比 1∶0.4。支護(hù)使用 1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,公稱(chēng)直徑<22mm,極限拉斷力 560kN,抗拉強(qiáng)度 1860MPa,延伸率大于 7%。配合拱形高強(qiáng)度錨索托盤(pán) 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(jìn)行端部錨固,第 2次注漿完畢后對(duì)錨索進(jìn)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(cè)及礦壓監(jiān)測(cè)

注漿加固結(jié)束后,在硐室底板打孔窺視并進(jìn)行了取樣檢測(cè)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(duì)微小的裂隙也進(jìn)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(cè)站,從表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果看,硐室底板進(jìn)行注漿加固和強(qiáng)力錨索支護(hù)綜合加固后,巷道底鼓最大觀測(cè)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(méi)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(cè)曲線

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成莊礦二盤(pán)區(qū)二部膠帶機(jī)頭硐室底板現(xiàn)場(chǎng)窺視、底板穩(wěn)定性分析、注漿加固機(jī)理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(yán)重影響硐室安全。

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

(3)硐室底板在注漿后再進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù),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(qiáng)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(cè)數(shù)據(jù)表明:以注漿加固為基礎(chǔ)配合強(qiáng)力錨索支護(hù)的綜合加固技術(shù)是有效控制動(dòng)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(cè) [M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

[2]康紅普,王金華.煤巷錨桿支護(hù)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。