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注漿錨索在司馬礦大變形煤巷中的應(yīng)用

2014-04-18 06:03:50曾金元趙建軍劉旭東翟黨帥
關(guān)鍵詞:中空錨索漿液

曾金元,趙建軍,劉旭東,翟黨帥,張 磊

(1.潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司,山西長(zhǎng)治047105;2.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲056038)

1 工程地質(zhì)概況

司馬礦二采區(qū)猴車巷 (里段)沿下二疊統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層頂板掘進(jìn),東西布置,南平行于二采區(qū)3條大巷依次為膠帶巷、軌道巷、回風(fēng)巷,北臨1210工作面依次平行于瓦排巷、風(fēng)巷和運(yùn)輸巷,見圖1猴車巷平面圖所示。

圖1 猴車巷試驗(yàn)段平面布置

受到 1210工作面采動(dòng)影響,該巷道里程2583.059~2795.459m區(qū)段變形較為嚴(yán)重,急需進(jìn)行治理及加固。且猴車巷 (里段)是二采區(qū)準(zhǔn)備巷道,所以對(duì)該巷道的治理是非常必要。

該巷道在3號(hào)煤層沿頂板掘進(jìn),直接頂為泥巖,兩幫及底為煤層,如圖2所示。巷道圍巖總體較為軟弱、破碎。

圖2 猴車巷圍巖柱狀

2 巷道圍巖破壞及錨注加固機(jī)理

2.1 巷道圍巖破壞分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研二采區(qū)猴車巷 (里段)變形破壞情況,發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形主要表現(xiàn)為:兩幫及頂?shù)装遄冃我平枯^大,并且變形破壞較破碎,頂板下沉變形,平均下沉量為0.5m,鋼梁發(fā)生彎曲變形,且頂板出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)兜;兩幫移近量為1.1~1.8m,部分錨索、錨桿拉斷及鎖具脫落失效;底板裂隙發(fā)育,個(gè)別地方出現(xiàn)裂縫,鼓起范圍在0.3~1.1m之間,嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。

巷道開挖前,巖體處于三向受力平衡狀態(tài),承壓環(huán)境穩(wěn)定。巷道圍巖在原巖應(yīng)力作用下,厚煤層巷道底板發(fā)生松動(dòng)破壞,其破壞范圍向深部逐漸擴(kuò)展至松動(dòng)破壞帶的極限應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)體[1]。工程開挖后,在高于工程圍巖強(qiáng)度的圍壓作用下,工程圍巖就會(huì)產(chǎn)生破壞[2],由原來的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài),破壞了原巖的應(yīng)力平衡,引起應(yīng)力的重新分布,水平應(yīng)力向頂板巖層和底板巖層轉(zhuǎn)移,垂直應(yīng)力向兩幫巖體轉(zhuǎn)移,并且在巖體深部出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)[3]。

巖體的變形破壞是巖體結(jié)構(gòu)的變形、改組和失穩(wěn),但在本質(zhì)以及表現(xiàn)形式上與巖石的變形破壞是一致的[4-5]。圍巖的變形和破壞特征是圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度這一對(duì)矛盾共同決定的。當(dāng)應(yīng)力集中強(qiáng)度大于圍巖體弱面的強(qiáng)度時(shí),較弱面率先表現(xiàn)出變形破壞,由表及里應(yīng)力向內(nèi)部轉(zhuǎn)移,且應(yīng)力梯度有所衰減,直至出現(xiàn)新的平衡。應(yīng)力釋放引起的回彈和應(yīng)力重新調(diào)整引起的擴(kuò)容,使巷道圍巖較弱結(jié)構(gòu)面剪切滑移,從而出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,形成此種狀況的主要原因有:

(1)頂部為泥巖,兩幫及底板為煤層,整體圍巖強(qiáng)度較低。

(2)巷道布置與最大水平應(yīng)力方向夾角接近90°,對(duì)巷道穩(wěn)定非常不利。

(3)受1210工作面采動(dòng)影響較大。

(4)巷道布置處于高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)以及受地下水和潮濕礦井空氣的腐蝕泥化。

2.2 中空注漿錨索加固機(jī)理分析

二采區(qū)猴車巷 (里段)頂板巖孔通過窺視儀觀測(cè)了不同深度的煤巖層裂隙發(fā)育情況。圖3為鉆孔不同深度煤巖層狀況。

圖3 不同深度成像

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,根據(jù)達(dá)西定律和牛頓粘度定律分析可知注漿壓力、注漿時(shí)間和漿液擴(kuò)散半徑之間存在一定關(guān)系。注漿壓力不變,注漿時(shí)間越短則漿液擴(kuò)散半徑越小,反之,則越大。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析,注漿時(shí)間、注漿量和漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 注漿時(shí)間、注漿量和漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系

根據(jù)圖4所示,注漿壓力不變,隨注漿時(shí)間變化,注漿量增長(zhǎng)速度和漿液擴(kuò)散速度的變化趨勢(shì)大致相同,開啟注漿泵,在注漿壓力作用下漿液充填圍巖裂隙,注漿量和漿液擴(kuò)散半徑迅速增加,如圖5(a)所示。漿液填充裂隙階段結(jié)束后,注漿壓力作用下圍巖裂隙尖端伴隨有裂紋出現(xiàn),當(dāng)圍巖裂隙尖端出現(xiàn)裂紋時(shí)開啟注漿泵,進(jìn)行注漿,注漿時(shí)間為15min,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知注漿量與漿液擴(kuò)散半徑變化不明顯,如圖5(b)所示。0.5h后圍巖裂隙尖端劈裂程度加深,并與周圍裂隙形成貫通網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致漿液擴(kuò)散速度變大,從而擴(kuò)散半徑顯著增加,同時(shí)注漿量的增長(zhǎng)速度也變大,如圖5(c)所示。

圖5 單裂隙的劈裂及漿液擴(kuò)散

圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生變形破壞,待圍巖破碎到一定程度,注漿壓力的變化對(duì)漿液最終擴(kuò)散半徑和注漿量起著決定性作用,圖6為不同注漿壓力條件下漿液擴(kuò)散范圍,漿液擴(kuò)散半徑隨著注漿壓力的增大而出現(xiàn)顯著增加。

圖6 不同注漿壓力條件下漿液擴(kuò)散范圍

漿液進(jìn)入巖體內(nèi)的裂隙凝固后,在巖體裂隙內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu),根據(jù)漿材對(duì)孔隙的尺寸效應(yīng),滲透漿液的漿材顆粒尺寸dc須小于被注介質(zhì)縫隙或孔隙尺寸dp[6],如圖7所示,在巖體內(nèi)形成薄厚不等、大小不一的脈狀網(wǎng)絡(luò)骨架,大多呈現(xiàn)為片狀或條狀的漿液凝固體,漿液凝固體之間相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在具有高強(qiáng)度和黏結(jié)性網(wǎng)絡(luò)骨架的作用下,圍巖體被壓實(shí),當(dāng)頂板來壓時(shí),骨架支撐頂板圍巖,抵抗圍巖的變形破壞。使得頂板圍巖裂隙弱面的強(qiáng)度增加,趨向于巖體強(qiáng)度,在一定程度上控制了巖體變形破壞,提高了頂板圍巖的強(qiáng)度。

圖7 漿液骨架形狀

2.3 注漿加固效果評(píng)價(jià)

(1)網(wǎng)絡(luò)脈狀骨架作用 在注漿壓力作用下,漿液膠結(jié)圍巖裂隙,導(dǎo)致裂隙尖端產(chǎn)生裂紋,并向四周和深部發(fā)育,形成交錯(cuò)的網(wǎng)狀,并支撐破碎圍巖。

(2)粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)加固作用 提高圍巖體內(nèi)的裂隙弱面強(qiáng)度是提高圍巖體整體強(qiáng)度的先決條件。經(jīng)過漿液的充填粘結(jié)兩裂隙弱面使破碎圍巖體膠結(jié)為一個(gè)整體,在一定程度上提高了圍巖體的黏聚力、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。同時(shí)漿液填充離層間隙,凝固后使頂板形成整體組合梁并增加了錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力,這種粘結(jié)作用對(duì)阻止裂隙擴(kuò)展和離層有著十分重要的作用[7]。

(3)改變圍巖破壞機(jī)制 漿液的裂隙壓密充填并滲透到微裂隙中,把裂隙中賦存水排擠出去,凝固后,封堵了巖體內(nèi)部與外界潮濕環(huán)境或與水的接觸,有效防止潮濕空氣或水對(duì)巖體的泥化和腐蝕,極大地改善了圍巖的賦存環(huán)境,對(duì)保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重大的意義[8]。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)采動(dòng)的影響,控制頂板變形,提高頂板的支護(hù)剛度,采用中空注漿錨索、注漿管進(jìn)行加固治理方案。

根據(jù)試驗(yàn)段具體情況設(shè)計(jì)了修復(fù)加固施工方案,在巷道頂板中線位置打1排中空注漿錨索,規(guī)格φ22mm×7300mm,排距1800mm;兩幫中線位置各打1排注漿孔進(jìn)行幫部注漿,排距3000mm,深3000mm;底板3排,間排距1600mm×5000mm,深為5000mm,靠近兩幫方向外擺15°。見圖8。

圖8 注漿孔布置

4 中空注漿錨索施工工藝

4.1 中空注漿錨索

新型中空注漿錨索的突出特點(diǎn)為采用新型封孔技術(shù),使注漿壓力提高20%。其參數(shù)為:頂錨索長(zhǎng)7m,安裝孔徑30mm,強(qiáng)度≥1760MPa,破斷力≥420kN,中空注漿管內(nèi)徑7.5mm、外徑10mm,注漿壓力為6.5~7.0MPa。采用復(fù)合注漿材料,即由32.5普通硅酸鹽水泥按水灰比1∶2配制成水泥漿液,加入8%的ACZ—I型水泥添加劑均勻攪拌而成。

4.2 施工工藝

注漿錨索主要施工工藝包括:

(1)鉆錨索孔 在預(yù)先設(shè)計(jì)位置,使用單體頂錨桿鉆機(jī)和支腿式幫錨桿鉆機(jī)鉆頂、幫錨索孔,孔徑為30mm。

(2)安裝中空注漿錨索及封孔 首先把止?jié){軟件管套入中空錨索限位環(huán)處,然后把2卷Z-2360型快速樹脂錨固劑用錨索慢慢推入鉆孔,進(jìn)而用錨桿機(jī)攪拌,然后套上止?jié){硬管、托盤及鎖具。

(3)張拉預(yù)緊 用張拉器把止?jié){硬管推至圍巖表面位置,封孔完畢。然后應(yīng)用氣動(dòng)板機(jī)張拉錨索,預(yù)緊力不低于120kN,保證錨索外漏長(zhǎng)度≤300mm。

(4)配料 用清水將攪拌桶沖洗干凈,按配料筒大小計(jì)算漿液配料數(shù)量,先注入清水,后向桶內(nèi)加入32.5普通硅酸鹽水泥和8%的ACZ-I添加劑。嚴(yán)格按照設(shè)定水灰比進(jìn)行添加,邊加料邊攪拌。該配料用完,即而進(jìn)行上一次循環(huán),禁止加水、加料和注漿同時(shí)進(jìn)行。

(5)注漿 檢查注漿管路是否暢通,開啟攪拌桶和注漿泵,邊攪拌邊注漿。為了提高注漿效果,采用間歇重復(fù)注漿,即達(dá)到注漿壓力后,關(guān)閉注漿泵,停2~3min后,重復(fù)再注,直至注漿量達(dá)到要求。

5 支護(hù)效果分析

通過淺部(工字鋼梁)和深部(注漿錨索+注漿)形成的“雙殼”支護(hù)加固體系方案實(shí)施后,在二采區(qū)猴車巷原支護(hù)段和實(shí)施中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固段分別進(jìn)行了巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰朴^測(cè),觀測(cè)結(jié)果見表1,圖9和圖10。

表1 原支護(hù)段 (測(cè)站5)和注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段(測(cè)站1~4)巷道表面變形對(duì)比

圖9 頂?shù)装逑鄬?duì)移近量對(duì)比圖

圖10 兩幫相對(duì)移近量比較曲線

使用巷道表面位移收斂?jī)x,對(duì)二采區(qū)猴車巷進(jìn)行為期28d的礦壓觀測(cè),前14d觀測(cè)原支護(hù)段巷道頂?shù)装遄冃?,?4d觀測(cè)中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后巷道頂?shù)装遄冃危Y(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)和收斂曲線可知,前14d內(nèi)的巷道圍巖變形嚴(yán)重,巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為123mm,平均移近速度8.8mm/d,7~14d內(nèi)兩幫相對(duì)移近量為 64mm,平均移近速度9.1mm/d;后14d內(nèi)該段巷道經(jīng)過中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后,頂板和底板的相對(duì)移近量為73.25mm,平均變形速度為5.23mm/d,兩幫相對(duì)移近量為67.25mm,平均變形速度為4.8mm/d。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)60d后巷道變形速度趨于平穩(wěn)。對(duì)比分析原支護(hù)段測(cè)站5圍巖變形較顯著,頂板和底板相對(duì)移近量為312mm。而經(jīng)過中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固的測(cè)站1至測(cè)站4圍巖相對(duì)變形量不大,相對(duì)變形量分別為199mm,176mm,173mm,208mm,其中變形量最小的測(cè)站3相對(duì)原支護(hù)段測(cè)站5減少了將近1/2。針對(duì)二采區(qū)猴車巷松軟、破碎圍巖,實(shí)施中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)加固后起到了較好的粘結(jié)和加固作用,有效控制了頂板圍巖的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

結(jié)合司馬礦二采區(qū)猴車巷 (里段)地質(zhì)條件,分析研究了在采動(dòng)影響下圍巖變形破壞機(jī)理及中空注漿錨索控制頂板圍巖加固機(jī)理。實(shí)踐證明,中空注漿錨索在松軟、破碎圍巖巷道的應(yīng)用,極大地改善巷道圍巖巖性,提高圍巖自承能力,對(duì)巷道的穩(wěn)定性有著良好的控制作用。本研究成果解決了司馬礦松軟、破碎煤巷難控制問題,提高現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)加固效果,保證安全生產(chǎn),提高集團(tuán)各礦整體支護(hù)加固技術(shù)水平。

總之,以中空注漿錨索為技術(shù)實(shí)施的巷道治理方針,可提高深部巷道支護(hù)的安全可靠性,具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該成果不僅適用于司馬礦區(qū)煤礦,而且還可向國內(nèi)類似條件礦井推廣應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用借鑒前景。

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