技术创新

注浆技术在沿空掘巷围岩加固中的应用

日期：2016-8-1 14:48:16　来源：互联网　浏览数：
　

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0· 前言
    目前，煤矿生产中主要通过锚网联合支护来加强对松散破碎区的支护，但由于锚杆处于松散破碎带，着力基础不强，真正起支护作用的是除去两侧破碎带后剩余煤柱中部的弹性区，实际支护效果不佳，在服务期内巷帮变形严重，有的甚至需要重新扩帮才能满足使用要求。
    本文采用注浆加固的方法，将渗透性强且可以固化的液体材料注入到巷道侧煤柱破碎区的裂隙内，利用浆液的网络骨架和充填密实作用将破碎区围岩固结为一个整体，改善了破碎区围岩的物理力学性能，使其转变为承载能力较强的弹性区，加宽了护巷煤柱的实际承载宽度，从而尝试进一步减小护巷煤柱宽度，减少因留设煤柱而浪费大量的煤炭资源。
    1· 破碎区形成机理及影响分析
    近年来，随着采场围岩应力分布理论的成熟，在采场实体煤侧应力降低区内留小煤柱护巷已成为沿空掘巷的最佳选择。当上区段工作面回采时，护巷煤柱受到回采支撑压力和顶板弯曲下沉的影响，在采空区侧形成一定厚度的破碎区，已经失去承载能力，而这一部分破碎区的宽度仍然包括在护巷煤柱宽度内，使得实际起承载作用的煤柱宽度小于留设煤柱宽度，浪费煤炭资源。沿空巷道掘进过程中，原岩应力被破坏，煤柱巷道侧也会形成一定宽度的破碎区，尽管巷帮采用锚网支护，但由于锚杆处于围岩松散破碎带，着力基础不强，真正起支护作用的是除去两侧破碎带后剩余煤柱中部的弹性区，实际支护效果不佳，在服务期内巷帮变形严重，有的甚至需要重新扩帮才能满足巷道使用对尺寸的要求。沿空掘巷巷道布置及护巷煤柱破碎区如图1所示。

    2 ·注浆加固方案设计
    注浆加固是指当巷道掘出且对巷帮锚网支护后，采用注浆泵，将渗透性强且可以固化的液体材料注入到巷道侧破碎区的裂隙内，从而利用浆液的网络骨架和充填密实作用将破碎区围岩固结为一个整体，改善了破碎区围岩的物理力学性能，使其转变为承载能力较强的弹性区，加宽了护巷煤柱的实际承载部分。为了防止注浆时浆液从围岩表面的破碎裂隙及锚杆孔隙流出，降低注浆效果，在注浆实施之前，先对注浆部分巷道围岩表面喷射混凝土浆，起到封堵密闭裂隙的作用，防止跑浆。
    根据实验地点实际情况，确定注浆参数，如注浆深度、注浆压力、注浆扩散半径及注浆孔布置。注浆材料是由425# 普通硅酸盐水泥配合TWK － 1 复合剂和TWK － 2 固化剂按( 水泥+ TWK － 1 复合剂) :水: TWK － 2 固化剂= ( 0. 85 + 0. 15) ∶ 0. 5∶ 1. 5 配制而成。成品抗压强度能达到C20 且具有可塑性，不会压裂产生裂隙。
    3· 工程应用
    3. 1 试验地点概况
    阳煤五矿贵石沟井8407 工作面平均埋深450 m，回采15#煤层，钻孔揭露煤厚最大9. 23 m，最小2. 41 m，平均6. 24 m; 倾角2-10°，平均8°; 直接顶是9. 56 m 的灰黑色泥岩，老顶是3. 40 m 的灰色细砂岩; 直接底是2. 89 m 的灰色细砂岩，老底是2. 70 m 的灰黑色砂质泥岩。
    由于采区布置的历史原因，8407 回风巷从开切眼开始，前150 m 布置在实体煤中，150 m 以后为10 m宽小煤柱护巷，总长1 300 m，属沿空掘进巷道，沿煤层顶板掘进，巷道选择矩形断面5. 0 m × 4. 0m。工作面及加固试验段布置如图2 所示。

    3. 2 施工参数确定
    ( 1) 注浆深度沿空巷道的护巷煤柱宽度为10 m，由于采空区侧已存在一定宽度的破碎区，过深的注浆孔会与采空区沟通，采空区瓦斯等有害气体会涌入巷道，威胁安全生产。一般软弱围岩受采动影响变形破坏后的松散破碎区厚度在2 m 左右，故选择注浆深度3 m。
    ( 2) 注浆压力注浆需要一定压力克服裂隙阻力以便浆液渗入围岩，压力又不能太大，以免破坏围岩表面起密闭作用的喷浆层，故确定注浆压力为1-2 MPa，既不会因为压力过高而破坏围岩表面起密闭作用的喷浆层，又能使浆液充分渗透。
    ( 3) 注浆扩散半径注浆扩散半径受注浆材料、注浆压力、浆液黏度、粒度等流动性能、裂隙张开度及分布特征、注浆工艺等因素的综合影响，比较复杂。根据经验确定浆液扩散半径为1. 5-2 m。
    ( 4) 注浆孔布置为使浆液充分有效扩散，注浆孔沿巷帮成五花布置，双孔排上部孔距离顶板1 m，由于受重力作用的影响，同等条件下浆液更容易向下方区域扩散，故上排钻孔仰角15°; 双孔排下部孔距离底板1 m，垂直于煤柱壁所在平面; 单孔排孔距离底板2 m，垂直于煤柱壁所在平面。邻近孔相互间距控制在2 m 左右。注浆孔布置如图3 所示。

    3. 3 现场施工
    本试验选距开切眼220-320 m 的100 m 巷道作为试验段，当试验段巷道掘出且用锚网支护后，在巷帮表面喷射100 mm 厚的混凝土浆封堵裂隙孔，再按设计参数对巷帮进行注浆加固。
    通过分别在加固试验段和未加固段的煤柱内打钻孔布置测站，在钻孔孔底安装应力计观测对比回采过程中的应力变化规律。钻孔直径42 mm，钻孔深分别为1、1. 5、2、2. 5、3、3. 5、4、4. 5、5、5. 5、6、6. 5 m。布置不同深度的钻孔，是为了能监测到煤柱内不同深度处的支撑力，进而对比加固段和未加固段破碎区及整个煤柱的承载能力。矿压观测站布置如图4 所示。

    3. 4 效果分析
    从工作面回采开始直到加固试验段和未加固段回采结束，对加固试验段和未加固段各测点进行连续矿压观测，记录顶、底板和两帮的总相对移近量。测点1、2、3、4、5 埋深分别为1、1. 5、2、2. 5、3 m，位于注浆加固范围内; 测点6、7、8、9、10、11、12 埋深分别为3. 5、4、4. 5、5、5. 5、6、6. 5 m，位于煤柱中部弹性区内。
    通过对比分析观测数据得出，注浆加固段测点1、2、3、4、5 的平均应力明显大于未加固段测点1、2、3、4、5 的平均应力，且与煤柱中部弹性区内测点的平均应力相差不大，表明通过注浆加固，原来的破碎区整体性和承载能力都大幅度提高。加固段与未加固段煤柱中部弹性区内测点的平均应力基本相同，表明注浆加固只是固结了破碎区，煤柱中部弹性区的物理力学性能基本不受影响。加固段顶、底板和两帮的总相对移近量明显小于未加固段，能满足服务期间的使用要求。
    4· 结语
    ( 1) 合理有效的注浆加固可以改变煤柱边缘破碎区的物理力学性质，使破碎区重新固结为一个整体，承载能力增强，与煤柱中部的弹性区共同起支撑作用，有利于回采期间巷道维护。
    ( 2) 注浆效果的好坏，直接关系到煤柱松散破碎区裂隙内浆液的充裕度，关系到墙体的整体性和密实性，此次注浆效果达到了将破碎围岩胶凝成一个稳定整体的预期目标，提高了小煤柱的强度，充分发挥了煤柱的承载能力，为注浆加固煤柱破碎区试验的成功奠定了基础。
    ( 3) 针对阳煤五矿留设10 m小煤柱护巷，通过注浆加固破碎区结合锚网支护，巷道支护效果明显加强，能够满足回采期间巷道使用要求。在注浆加固破碎区结合锚网支护条件下，还可以进一步尝试减小护巷煤柱宽度，保护煤炭资源，提高采出率和经济效益。