构造破碎带巷道注浆加固技术

武鹏飞,田取珍

(太原理工大学矿业工程学院, 山西太原 030024)

构造破碎带巷道注浆加固技术

武鹏飞,田取珍

(太原理工大学矿业工程学院, 山西太原 030024)

处于地质构造带的巷道围岩注浆加固已经成为巷道支护的一项重要技术。分析了巷道围岩注浆的可注性条件及其影响因素,并结合固庄煤矿实际,研究了浆液的扩撒半径及注浆压力,对煤矿巷道穿越构造破碎带时的支护有一定参考价值。

构造带;巷道支护;注浆;注浆参数

1 破碎带巷道围岩注浆加固理论

处于构造破碎带的巷道难以支护,采用围岩壁内注浆技术,可达到改善围岩力学性能、增强围岩整体性、控制围岩变形的效果,其支护机理包括以下几方面:

(1)注浆后的围岩能有效的闭合原有的节理及裂隙,阻止围岩节理、裂隙进一步发育,能有效的提高围岩强度;

(2)通过注浆使普通锚杆具备了全长锚固锚杆的优良特性,有利于巷道破碎围岩的加固;

(3)注浆可提高围岩的残余强度及内摩擦角,使破碎的岩体再次获得较高的支撑能力;

(4)注浆后围岩的整体强度提高,缩小了围岩的松动圈半径,改善了围岩的应力圈状态。

2 构造破碎带巷道围岩的可注性

处于破碎带中的巷道,其地应力场及其变化,决定着巷道围岩结构面透浆条件的变化,在注浆前应详细调查巷道构造带的结构面特性。

岩体的可注性是指在单位浆液压力下,单位体积被注浆岩体的注浆量。构造破碎带围岩能够注浆,是因为其岩体存在张开的节理、裂隙。单条裂隙的渗透量与其裂隙长度及宽度成正比关系,它对围岩的注浆性能影响很大,所以要对注浆巷道的围岩裂隙进行细致调查。

构造带岩体的非均质各向异性,导致了浆液在岩体内各个方向渗透的不均匀性。在岩体的渗透性研究中,浆液的渗透系数是一个非常重要的参数。渗透系数一方面取决于围岩孔隙率本身,另一方面取决于浆液的性质(密度、粘稠度等),还和围岩所受的应力及等效水力梯度有关。构造破碎带巷道由于围岩较破碎,其渗透系数也较大。渗透系数表达式如下:

式中:k——渗透张量;

ρ——流体密度;

μ——流体粘滞系数。

当渗流在岩体中表现为各向异性时,通常用渗透张量来表征围岩的渗透特性。下面是各向异性岩体的渗透张量表达式:

式中:be(l)——第l组不连续面的等效水力开度;

λ(l)——第l组不连续面的间距;

n(l)——第l组不连续面的法线方向余弦;

δij——Kronecker函数;

g——重力加速度;

μ——流体粘滞系数。

目前,大多数的巷道围岩注浆方案都是根据围岩体的透水率的大小设计的,但岩体中很多微裂隙是透水而不透浆的,因此不能简单的根据围岩的透水率设计注浆方案。围岩可注性一般由3个因素决定:一是围岩裂隙的发育程度及裂隙宽度,根据工程经验,我国水泥类浆液一般只能注入张开度大于0.2 mm的裂隙;二是水泥浆液粒径的大小和粘稠度,当水泥粒径大于裂隙宽度时会出现不吃浆现象;三是与注浆的压力有关,在一定的压力影响范围内,随压力的增大可注性明显提高。但各类围岩都有其自身的临界压力,井下巷道围岩中常存在一些易于浆力劈裂的层面和不连续面等,当注浆压力超过临界注浆压力时,岩体就会发生劈裂,出现吸浆量增大现象,造成不必要的资源浪费。所以,在巷道围岩注浆前,应仔细地调查围岩的临界注浆压力。

以固庄煤矿15703工作面顺槽破碎带为例,经现场调查,并结合围岩样本的物理力学实验得出其围岩裂隙较发育,平均裂隙张开度达到0.26mm;注浆压力达4.5MPa时还未发生浆力劈裂,可见该破碎带围岩满足注浆条件。

3 基于破碎带松动圈的注浆深度

由于地应力与围岩的相互作用,围岩会产生大小不同的松动圈。巷道支护的主要对象是其扩展过程中产生的碎胀力以及其所造成的有害变形,松动圈半径越大,巷道收敛变形也越大,支护越困难。而处于构造破碎带的巷道松动圈较大,是因为该类巷道围岩碎胀性较大,会产生较大的碎胀力,且向深度扩展,碎胀区已经超过普通锚杆长度,会使锚杆整体离层掉落。根据图1,当应力超过塑性区时显著上升,塑性区围岩处于将要破坏但未发生破坏阶段,结合工程类比经验,注浆深度应通过破碎区进入塑性区内。因此,可根据理论计算结合巷道实测的松动圈半径来确定注浆深度。

图1 松动圈及围岩应力示意

固庄煤矿15703工作面顺槽破碎带围岩松动圈半径达2.16m,因此其注浆深度应大于2.16m进入塑性区内。

4 注浆扩散半径

我国煤矿巷道围岩注浆时的浆液扩散半径R值通常在1～2.5m之间,随地质情况及灌浆压力的不同,扩撒半径也不同。以固庄矿为例,该矿15703工作面顺槽穿过向斜构造带,该巷道部分现处于变形失稳状态。现在井下注浆扩散半径一般根据工程经验公式计算:

式中:γh——岩石体积质量×巷道埋深,MPa;

Rc——岩石强度,MPa;

a——巷道半径,m。

将γh=10.91MPa,Rc=75.3MPa(顶板上方50 m内均值),a=2.22m,代入式中,即可得出浆液扩散半径R=2.42m。

5 注浆压力

在灌浆设计中有两个基本原则:一是不允许发生浆力劈裂;二是在不发生浆力劈裂和超过扩散半径的前提下尽可能采用提高灌浆压力。

巷道围岩注浆过程中,在不同水灰比下,随着注浆压力的增大,浆液扩散半径的增长幅度不同,以固庄煤矿7采区15703工作面顺槽向斜构造带为例,当注浆压力在1～3MPa之间时,随着注浆压力的增大,浆液扩散半径的增长幅度相对较大;当注浆压力在3～5MPa之间时,随着注浆压力的增大,浆液扩散半径的增长幅度相对较小。

注浆压力是重要注浆参数之一,一般是参照国内外数据选取。在我国的煤矿巷道注浆工程中,一般注浆压力为1～3MPa,固庄煤矿采用的注浆压力为2MPa。

6 结 论

处于构造破碎带的巷道围岩较松散破碎,构造应力较高,在此类巷道注浆加强支护设计中,应首先调查围岩的可注性。从提高巷道围岩强度、充分利用围岩自承能力的角度出发,通过注浆加固松散破碎的围岩,提高其整体强度,从而控制构造破碎带巷道的强烈变形。本文结合固庄煤矿15703顺槽注浆实践,对裂隙发育岩体的可注性、注浆后围岩性能变化及其注浆参数等进行了研究。对处于构造破碎带的巷道围岩注浆加固有一定的参考价值。

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2009-09-11)

武鹏飞(1984-),男,山西太谷人,在读硕士研究生,主要从事采矿工程的研究,Email:wpf0301@163.com。