注浆加固技术在永久硐室底鼓治理中的应用

石红星,郭相平,李 瑾

(1.晋城煤业集团成庄矿,山西晋城 048006;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

注浆加固技术在永久硐室底鼓治理中的应用

石红星1,郭相平2,李 瑾1

(1.晋城煤业集团成庄矿,山西晋城 048006;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

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

通过现场调查、数值模拟等方法,对成庄矿二盘区二部胶带机头硐室底板变形破坏特征、底板稳定性和锚注加固作用机理等进行分析,并针对底板破碎围岩,进行了现场加固处理,底板变形得到有效控制,取得了显著加固效果。

注浆加固;永久硐室;底鼓

成庄煤矿二盘区二部胶带机头硐室是 2103运输巷中部的一个转载硐室,担负二盘区下部及五盘区煤炭运输的中转职能。2103巷两侧布置有 2102巷和 2104巷,硐室投入使用后,为解决人员运输问题,在硐室与 2102巷间施工了三轮车绕道,随着掘进扰动,硐室围岩开始出现变形。硐室侧翼对应的 2315工作面回采后,采动压力对硐室和三轮车绕道均产生了较大影响,巷道围岩变形加剧,尤其是硐室底鼓,导致设备安装基础倾斜,驱动部及卸载部安装大架扭曲,已严重影响设备的运转、威胁设备安全。因此,采取有效措施对硐室底板进行加固处理,已成为亟待解决的问题。

1 巷道布置及地质情况调查

硐室与两侧的 2102巷和 2104巷间距离均为30m,与三轮车绕道间净煤柱宽度 11m,硐室两侧的 2314和 2315两个工作面分别于 2003年和 2006年回采结束。硐室与周边巷道及工作面平面布置如图1所示。

硐室沿 3号煤层底板布置,埋深约 440m。3号煤层及顶、底板岩性如图 2所示。硐室各部位均为半圆拱型断面,全部采用锚杆锚索喷浆支护。掘进期间,驱动硐室区域两帮煤体破碎,曾发生片帮。为准确了解硐室底板内部结构状况,使用钻孔电子窥视仪,对硐室底板进行了内部结构窥视。结果表明硐室底板岩层 4000mm以内连续离层,完整层厚度小于 100mm,底板深部岩性较软,区域底板破坏范围大,裂隙连通导致底板成孔后孔内积水无法排干。窥视结果如图 3所示。

图 1 硐室与周边巷道及工作面布置

图2 3号煤层综合柱状

2 底板稳定性及加固机理分析

图3 硐室底板内部结构

采用 FLAC3D数值计算软件对巷道围岩应力场进行分析。破碎围岩的应变软化特性,使围岩的应力影响范围不断扩大,造成浅部围岩的变形破坏。由于围岩应力场的变化将影响锚杆的粘结强度,最终影响锚杆的支护效果。

巷道围岩是一个有机整体,顶板和两帮支护能力降低必将对底板产生影响,巷道底板一般不采取支护措施,硐室底板以泥岩为主,强度不高,无法承受由巷道顶板和两帮传递的巨大压力而产生底鼓。

运用离散元UDEC数值模拟软件分析破碎围岩体的注浆参数和效果。注浆加固以后,巷道围岩的强度增高,应力集中范围明显降低,改善了围岩内部结构;再通过锚索支护显著增强了巷道的自承能力,确保了巷道的安全。图 4为采用UDEC软件模拟的单纯锚索支护与注浆加固以后再进行锚索支护底板变形量对比。可以看出,图中单纯锚索支护,硐室最大底鼓量 286mm;在使用注浆的基础上再进行锚索补强的支护方式以后,硐室底鼓量最大为80mm,与单纯锚索支护相比,硐室底板变形明显减小,底鼓量最大减小72%。

图4 加固方式与底板围岩变形的关系

3 现场试验

根据动压巷道底板稳定性及加固作用机理分析,硐室破碎底板加固,应在恢复底板内部结构完整性基础上,加强对巷道底板的主动支护。根据数值模拟和现场窥视结果最终确定采用注浆配合强力锚索支护的综合加固方案。

注浆使用 42.5号普通硅酸盐水泥配合 XPM添加剂制备素水泥浆,大范围漏浆进行注浆堵漏时,压注水泥 -水玻璃双液浆。XPM添加剂用量为水泥重量的8%～10%。水泥浆的水灰比 (质量)为0.6∶1,使用水泥 -水玻璃双液浆时,水泥浆配比不变。水泥浆和水玻璃的体积比 1∶0.4。支护使用 1×19股高强度低松弛预应力钢绞线,公称直径<22mm,极限拉断力 560kN,抗拉强度 1860MPa,延伸率大于 7%。配合拱形高强度锚索托盘 300mm ×300mm×16mm(带调心球垫)及配套索具,承载能力不低于 500kN。底板注浆孔兼作锚索孔,钻孔直径 <56mm。注浆孔深度8000mm,锚索端部先灌一定量的水泥浆进行端部锚固,第 2次注浆完毕后对锚索进行预紧,注浆压力 3MPa,锚索预紧力不小于 200kN。注浆孔排距 3000mm,间距1750mm和 2500mm,注浆及锚索布置如图 5所示。

4 注浆效果检测及矿压监测

注浆加固结束后,在硐室底板打孔窥视并进行了取样检测注浆效果。图 6是取出的样品照片,从照片上可以看出,浆液不但充填了宽度大的裂缝,对微小的裂隙也进行了有效充填,注浆效果良好。

在硐室里设置了 2组表面位移测站,从表面位移监测结果看,硐室底板进行注浆加固和强力锚索支护综合加固后,巷道底鼓最大观测值为 6mm,如图 7所示。到目前位置,工程已经完成施工 2a,硐室底板没有再发生底鼓。

图5 硐室底板注浆及锚索布置

图6 浆液效果

图7 硐室底鼓监测曲线

5 结论

通过对成庄矿二盘区二部胶带机头硐室底板现场窥视、底板稳定性分析、注浆加固机理分析和现场试验得出以下结论:

(1)硐室底板 4000mm范围内已经发生连续破坏,完整层厚小于 100mm,严重影响硐室安全。

(2)水泥浆液不但充填了宽度大的裂缝,对微小的裂隙也进行了有效充填,注浆效果良好。

(3)硐室底板在注浆后再进行锚索加强支护,破碎底板被胶结成连续体,锚索预应力得到了有效传递。改善了底板围岩条件,提高了底板岩层强度,增大了底板岩层的承载能力,从而有效地控制了底板的变形。

(4)矿压监测数据表明:以注浆加固为基础配合强力锚索支护的综合加固技术是有效控制动压影响下的破碎巷道底板的加固形式。

[1]梁炯鋆,等.锚固与注浆技术手册 [M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]康红普,王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[责任编辑:邹正立]

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1006-6225(2010)06-0054-03

2010-08-16

石红星 (1972-),男,山西垣曲人,工程师,现任成庄矿技术室主任。