动压冲击特大变形巷道锚注技术研究∗

李文洲

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

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动压冲击特大变形巷道锚注技术研究∗

李文洲1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

常村煤矿S3－9工作面回风巷受回采动压影响,巷道发生特大变形,积水严重,巷道高度由3.2 m收敛为1.2 m。分析了该段泥岩顶板岩样成分,采用数值软件UDEC对S3－9工作面回采后巷道的变形、破坏机理、注浆参数及注浆效果等进行了分析,决定采用水泥化学浆和二次注浆锚索进行综合锚注加固,并在S3－9工作面回风巷进行了试验。实践结果表明顶底板最大移近量20 mm,两帮最大移近量30 mm,变形得到有效控制。

动压冲击 围岩变形 围岩加固 锚注技术 数值分析 水泥化学浆 注浆锚索

随着煤矿采深逐年增加,复杂多变的围岩条件大大增加了巷道支护的难度。工作面回采对巷道造成频繁动压冲击,围岩软岩穿层、淋水等因素的影响造成巷道围岩发生特大变形,对巷道支护安全及正常生产造成严重影响。

1 生产地质条件

常村煤矿S3－9工作面回风巷道沿顶板掘进,直接顶为泥岩,平均厚度2200 mm。原支护采用让压锚杆锚索＋双钢筋托梁组合支护,锚杆直径22 mm,长度2400 mm,间排距840 mm×1000 mm;锚索直径17.8 mm,长度6300 mm,间排距1680 mm×2000 mm,三花布置。

S3－9工作面总体为一向斜构造,煤层平均厚度5.92 m,含夹矸1层,平均厚度0.24 m。工作面回采过程中对回风巷造成频繁动压冲击,回风巷变形严重,回风巷高度由3.2 m收敛为1.2 m,长期的顶板淋水对支护构件造成严重腐蚀,部分锚杆锚索破断,密闭墙破裂,两帮与顶板连接处严重变形,锚网锈蚀撕裂。S3－9回风巷最大水平主应力值为12.5 MPa,最大水平主应力方向为N33.4° W,最小水平主应力为6.95 MPa,垂直主应力为9.58 MPa。

巷道变形后对S3－9工作面回风巷严重变形段进行了围岩结构调查。调查表明围岩裂隙发育,煤体破碎,帮部塌孔严重。

2 巷道破坏原因分析

2.1 工作面回采动压影响

S3－9回风巷为相邻工作面回采进行了留巷, S3－9工作面回采与回风巷延伸同时进行,工作面回采和回风巷掘进的超前支撑压力叠加,造成回风巷矿压显现剧烈,巷道变形严重。

2.2 围岩结构对支护的影响

围岩裂隙发育造成围岩强度降低和应力下降,较低的围压降低了锚杆的锚固作用,随着围岩的变形,围岩应力不断向深部迁移,造成锚固力不断下降,导致可锚性降低。围岩发生特大变形后,深部和浅部岩体的非均匀变形在锚杆上产生的剪应力要求锚杆提供更大的锚固力,围岩可锚性降低与控制围岩变形所需高锚固力之间的矛盾是破碎围岩支护失效的主要原因。

围岩长期淋水作用于支护体,造成锚杆锚索腐蚀严重,淋水对锚固段不断冲刷,造成锚固段锚固剂流失,随着围岩逐渐破坏,树脂锚固段逐渐发生破坏,造成锚固性能下降严重。

2.3 巷道顶板岩性的影响

对回风巷泥岩顶板进行了取样,岩样标号分别为岩样1和岩样2。对岩样中所含的矿物种类和所含粘土矿物的成分进行了测试。

岩样中所含矿物种类主要为石英、钠长石、白云石、菱镁矿和粘土矿物。岩样1中矿物种类含量分别为石英33.8%,钠长石3.3%,白云石4%,菱镁矿1.4%,粘土矿物总量57.5%;岩样2中矿物种类含量分别为石英32.5%,钠长石3.6%,白云石5.5%,菱镁矿5.5%,粘土矿物总量52.9%。而岩样1中粘土矿物成分含量分别为伊蒙混层27%,伊利石46%,高岭石21%,绿泥石类6%;岩样2中粘土矿成分含量分别为伊蒙混层31%,伊利石34%,高岭石27%,绿泥石类8%。

通过测试可以看出岩样中粘土矿物含量平均为55.2%,均超过50%。

随着S3－9工作面采动,泥岩顶板裂隙发育,粘土矿物吸收水分,粘土矿物吸水膨胀的不均匀性导致岩石内部产生不均匀应力,从而产生大量微孔隙,微孔隙的出现将破坏岩样的内部结构,微孔隙和微裂隙表面产生楔裂力,使孔隙向纵深发展,导致围岩强度进一步降低。经过淋水的长期侵蚀,矿物颗粒吸水后达到饱水状态,体积膨胀,部分胶结物被稀释、软化或溶解,导致岩石颗粒碎裂解体。

2.4 锚杆材质的影响

通过对破断锚杆测试发现主要是元素氧和硫导致了锚杆的腐蚀,其中硫含量为0.34%,比普通钢铁硫含量(小于0.015%)要大的多。锚杆杆体上初始的细小裂纹产生了最初的应力腐蚀,造成锚杆杆体的有效受力面积逐渐减小,锚杆杆体强度明显减小,裂纹迅速向断裂扩展,最终导致锚杆破断,支护失效。

3 特大变形、破碎、淋水巷道锚注加固技术

3.1 特大变形巷道注浆数值模拟分析

采用UDEC数值模拟软件对特大变形巷道的锚注加固进行了数值模拟研究,根据水泥浆不同水灰比(0.5∶1～1∶1)及注浆压力值(1～5 MPa)建立不同的模型,进行了数值分析。不同条件下浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的关系如表1所示。

通过数值分析得出不同水灰比条件下,随着注浆压力增大,巷道不同方向上浆液扩散半径增长幅度也不同,巷道切向浆液扩散半径的增长幅度要大于巷道径向浆液扩散半径的增长幅度。在水灰比和注浆压力共同作用下,影响浆液扩散半径的主要因素是注浆压力,而水灰比次之;随着注浆压力升高,注浆压力对浆液扩散半径的影响程度呈下降趋势,水灰比的影响程度逐渐超过注浆压力的影响程度。

表1 浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的关系

3.2 注浆前后锚索支护对比分析

通过对S3－9工作面回风巷锚注加固的数值分析,采用水泥化学浆显著提高了浆液的堵水效果,回风巷受S3－9工作面回采影响,顶板和两帮主要表现为受拉破坏,注浆前回风巷煤柱侧破坏范围约15 m;注浆后,仅巷道表面0.2 m范围存在小的变形,围岩破坏范围减小98.6%,说明通过注浆,围岩强度大大提高。

3.3 锚注参数的选择原则

结合注浆材料、支护材料等要求,提出特大变形、破碎、淋水围岩锚注参数的选择原则:扩散半径应保持在2 m左右,注浆压力4～5 MPa,水灰比选0.7∶1～0.8∶1;锚索施工时,选用注浆锚索,形成全长锚固,防止淋水等对锚索造成腐蚀,保证巷道的支护效果。

4 现场试验

4.1 综合锚注方案

注浆材料使用425＃普通硅酸盐水泥,水灰比0.7∶1～0.8∶1。喷浆材料采用425＃普通硅酸盐水泥,水泥、沙子、石粉的比例为1∶2∶2,水灰比为0.45～0.55,速凝剂添加量为水泥用量的3%～5%。

支护材料采用注浆锚索,规格ø22 mm× 6300 mm,极限破断拉力不小于550 k N,延伸率7%。高强度拱形锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm,调心球垫承载能力不低于550 k N。

4.2 注浆参数

注浆孔沿巷道断面按7根、8根隔排布置,排距2000 mm。两帮底角注浆孔深7000 mm,俯角30°,其余注浆孔深8000 mm。两帮注浆孔间距1200 mm,顶板注浆孔间距1300 mm,全长一次注浆,注浆压力4～5 MPa,水灰比0.7∶1。

4.3 支护参数

注浆完成后,全断面预应力注浆锚索支护。锚索沿巷道断面按9根和10根隔排布置,排距1600 mm,帮锚索间距1200 mm,起锚高度500 mm,顶板锚索间距1300 mm,树脂端部锚固使用3支低粘度锚固剂,其中1支为MSK2335型,另2支为MSZ2360型,其余部分水泥浆锚固。锚索支护后第一次注浆,注浆压力4～6 MPa;24 h后,进行第二次注浆,注浆压力10～12 MPa,锚索预紧力大于250 k N。

4.4 加固效果及评价

在回风巷安装表面位移测站,对加固效果进行监测。施工开始时,每2 d测量1次,共测量9次,后期每7 d测量1次。测量结果表明顶底板最大移近量20 mm,两帮最大移近量30 mm,围岩恢复完整,变形得到有效控制。

5 结论

(1)S3－9工作面回风巷泥岩顶板岩样中粘土矿物主要为伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石类,泥岩顶板中粘土矿物的含量平均为55.2%。工作面回采、围岩结构、回风巷顶板岩性、锚杆材质、围岩淋水等因素的综合影响是造成回风巷发生特大变形的主要原因。

(2)采用UDEC数值模拟软件对特大变形、破碎围岩的注浆参数进行了分析,得出了注浆压力、水灰比和扩散半径之间的关系, 通过围岩注浆显著提高了锚索的支护效果,注浆后回风巷围岩破坏范围减小98.6%。

(3)在S3－9工作面回风巷进行了现场试验,通过巷道表面位移监测,巷道顶底板移近量最大20 mm,两帮移近量最大30 mm,围岩恢复完整,变形得到有效控制。

[1] 康红普,冯志强．煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势[J]．煤矿开采,2013(3)

[2] 李文洲．受采动影响破碎围岩综合注浆加固研究[J]．铁道建筑技术,2011(9)

[3] 刘德利,李文洲.深井软岩装载硐室及马头门支护研究[J].煤矿开采,2011(6)

[4] 康红普,王金华,林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报,2007(12)

[5] 张延伟,章磊,张延航.柳海矿软岩巷道围岩控制技术[J].煤炭科学技术,2009(5)

[6] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].北京:中国矿业大学出版社.2003

[7] 谢国强,杨军辉,谢生荣等．千米深井大断面软岩巷道锚喷－注浆加固技术[J]．中国煤炭,2013(1)

[8] 李仲辉,李付臣,李华．不稳定残余支承压力下注浆锚索支护技术在沿空掘巷的应用[J]．中国煤炭, 2012(9)

Research on bolt-grouting technology of seriously deformed roadway impacted by dynamic pressure

Li Wenzhou1,2
(1.Coal Mining and Design Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China)

Influenced by mining dynamic pressure,serious deformation had appeared in the S3-9 return airway of Changcun Coal Mine,water accumulation was also serious there,so that the height of roadway reduced from 3.2 m to 1.2 m.In this paper,the ingredients of rock samples from mudstone roof were analyzed,then the deformation and failure mechanism,slip casting parameters and effects after mining were also analyzed by using UDEC software.After the analysis,cement chemical grouting and secondary grouting cable anchors were adopted for comprehensive bolt-grouting reinforce,which was then experimented in return airway of S3-9 working face. The results showed that the biggest convergence between roof and floor was 20 mm and the biggest convergence between roadway＇s sides was 30 mm,so the deformation of roadway was controlled effectively.

dynamic pressure impact,surrounding rock deformation,surrounding rock reinforce,bolt-grouting technology,numerical analysis,cement chemical grouting,grouting cable anchor

TD 353

A

李文洲(1981－),男,硕士,助理研究员,主要从事岩石力学及巷道支护研究方面的工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金委——神华集团煤炭联合基金重点项目(U1261211)