高应力构造复杂区煤巷锚注支护试验研究.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0002- 03 高 应 力 构 造 复 杂 区 煤 巷 锚 注 支 护 试 验 研 究 王连国 1,李明远2,毕善军2 1. 中国矿 业大 学,江苏 徐 州 221008; 2. 淮 北矿业 公司 祁 南煤矿 ,安 徽 淮北 234000 摘 要针对祁南煤矿高应力构造复杂区煤巷破坏情况,提出对其治理的锚注支护方案,经在 1206 轨道 巷实际应用表明,锚注支护不仅保持了煤巷的稳定,而且还取得了显著的经济社会效益。 关键词锚注支护;煤层巷道高应力;构造复杂区 中图分类号T D 353.5 文献标识码A 1 概况 淮北矿业集团公司祁南煤矿位于宿州市祁县 镇境内,设计年生产能力 180 万 t /a ,一水平标高 - 550 m,井田位于宿南向斜西南部转折带,地质 构造复杂,节理裂隙发育,围岩松软破碎,巷道支护 十分困难。矿井自 1992 年开工至 1996 年仅施工 11870 m井巷工程,且 80 遭到破坏或严重破坏, 几乎用遍了各类传统的软岩支护体系,均不能使巷 道保持稳定。 在对高应力构造复杂区软岩巷道破坏 机理进行系统分析的基础上,采用锚注支护技术不 仅修复加固了井下各类硐室、 交岔点、 运输巷、 回风 巷及新掘的岩巷等 [1],而且还用于新掘的煤巷,取 得了良好的技术经济效果。 1026 轨道巷开窝于 102 采区四中车场,跟 10 煤顶板施工,顶板多为泥岩和砂岩,以中～细粒砂 岩为主,直接底为厚约 0.5 m的泥岩。老底以粉砂 岩和中粒砂岩为主,距煤层底板约 2.5 m 处夹一 层煤线,厚约 0.2 m。 该巷道原设计为梯形棚支护, 由于地压大,顶底板岩石松软破碎,支架变形破坏 严重。如果继续沿用原支护形式,必然造成巷道边 施工,边修复的被动局面,不但影响巷道进尺,还会 造成严重的经济损失。 因此,必须改变原支护形式, 采用适合巷道围岩变形特点的新型支护体系。 2 锚注支护方案与支护机理 2.1 锚注支护方案确定 巷道支架围岩关系研究成果证明 [2],支护强度 是控制巷道围岩剧烈变形的关键因素,只有支护强 度大于 0.3M Pa 时,才能有效地控制巷道的剧烈变 形,实践证明,支护在破坏或塌陷前后能达到的最 大支护强度范围相当狭窄,不管采用什么支护形 式,最大的支护强度都为同一个数量级。如对于锚 杆来说,最大的支护范围为 0.05～0.2 M Pa ;对于 单独使用的轻型型钢支架可提供 0.05～0.1 M Pa 的支护强度,而重型钢支架提供的支护强度可达 0.2 M P a 。由此可见,对祁南煤矿高应力构造复杂 区煤层巷道而言,仅仅依靠支架本身的支护能力, 很难控制相当的剧烈变形,必须充分发挥巷道围岩 自身的承载能力。 从目前各类巷道的支护形式及支护效果上来 看,巷道的支护形式可以分为 3 个层次,① 各种金 属型钢支架等被动支护形式;② 以锚杆支护为主 的改善巷道岩体力学性能的主动支护形式;③ 从 根本上改变岩体结构及力学性能的以锚杆注浆加 固为主的主动加固形式。支护层次越高,支护效果 越好。 祁南煤矿 1026 运巷由于地压大,煤层硬度小, 顶底板岩层松软破碎,呈现典型的软岩特征,对这 类煤巷必须采用最高层次的支护形式,才能保证巷 道的稳定,因此对 1026 运巷选择锚注联合支护方 案。即巷道开挖后立即打顶板及两帮锚杆,并挂设 钢丝绳将锚杆纵横连接,组成组合锚杆结构,然后 喷射一层水泥砂浆,完成一次支护,随后进行巷道 变形监测,当巷道变形速度稳于稳定时一般滞后 迎头 15～20 m在顶帮及底角布置注浆锚杆注浆, 收 稿日 期2003- 04- 10 作 者简 介U王连国 1964 ,教授 ,博士生 导师,1989 年毕业 于山 东科技 大学 ,获 硕士学 位,现从 事矿山 工程 力学,巷 道围岩 控制 等方面 的教 学研究 工作 ,发 表论文 多篇 。 2 2004.№1 矿 山压力 与顶 板管理 图 1 锚注支护结构 1- 普 通锚 杆;2- 注浆锚 杆 注浆完毕后上紧托盘,其支护结构如图 1 所示。对 于顶板非常破碎,随掘随冒地段,采用超前锚杆控 制顶板。 其方法是在迎头安装好支护顶板的垂直锚 杆后,再向迎头前方打 3～4 根超前锚杆,超前锚杆 钻孔直径为 32 mm,用打帮孔的煤电钻及钻杆钻 孔,锚杆为螺纹钢锚杆,一块树脂药卷锚固。 2.2 锚注支护机理 由内注浆锚杆为核心所形成的锚注支护体系, 其实质是采用注浆锚杆兼作注浆管使用,一方面通 过注浆改变岩体的力学性能,另一方面为锚杆提供 了有力的着力基础;提高了锚杆的支护效果。其支 护机理主要包括以下几个方面 1 采用注浆锚杆注浆,可以利用浆液封堵围 岩裂隙,隔绝空气,防止围岩风化,且能防止围岩被 水浸湿而降低围岩的本身强度; 2 注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整 体,提高了岩体强度,实现利用围岩本身作为支护 结构的一部分;且与原岩形成一个整体,使巷道保 持稳定而不易产生破坏; 3 注浆后使得喷层壁后充填密实,保证荷载 能均匀地作用在喷层和支护上,避免出现应力集中 点而首先破坏; 4 利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙,配合锚 喷支护,可以形成一个多层有效组合拱,即喷网组 合拱、 锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱,从而 扩大了支护结构的有效承载范围,提高了支护结构 的整体性和承载能力; 5 注浆后使得作用在顶板上的压力能有效 地传递到两帮,通过对帮的加固,又能把荷载传递 到底板;同时由于组合拱厚度的加大,这样又能减 小作用在底板上的荷载集中度,从而减小底板岩石 中的应力,减弱底板的塑性变形,减轻底鼓;且底板 的稳定,有助于两帮的稳定,在底板及两帮稳定的 情况下,又能保持顶板的稳定。 3 锚注支护参数选择 锚注支护所用材料主要包括普通锚杆、 内注 浆锚杆、 钢丝绳、 树脂锚固剂、 水泥、 水玻璃、 喷射水 泥砂浆等。 1 普通锚杆。 顶 板、 两 帮 普 通 锚 杆 规 格 分 别 为 Φ 18 2200 mm及 Φ 18 1800 mm的左旋无纵筋螺纹钢 锚杆,破断力大于 140 k N ,一个树脂锚固剂端锚, 锚固力顶板 80 k N ,两帮 60 k N ;普通树脂锚杆全 断面布置顶板锚杆间排距 700 1000 m m,上帮 锚杆间排距 800 1000 m m,下帮锚杆间排距 700 1000 mm。 2 注浆锚杆。 注浆锚杆规格由 Φ 22 1800 mm,采用 1/2″ 黑 铁管制 作,壁厚 4 mm,杆体 上钻有 Φ 6 m m 注 浆 孔,其结构如图 2 所示,封孔采用快硬水泥药卷。 注 浆锚杆全断面布置,顶板注浆锚杆间排距 1400 1000 mm, 两 帮 注 浆 锚 杆 间 排 距 为 1400 1000 mm, 底 角 注 浆 锚 杆 下 扎 30 ～ 45 , 排 距 1000 mm。 图 2 注浆锚杆结构 3 钢丝绳。 钢丝绳采用废旧钢丝绳,既能满足使用要求, 又能节约成本。 4 喷射水泥砂浆。 为了确保注浆时,喷层不能开裂漏浆,喷层厚 度不小于 30～50 mm,配合比为 1 ∶ 2。 5 注浆参数与注浆量。 ① 注浆材料。注浆材料是注浆技术中一个不 可分割的部分,浆液的可注性及其力学性能是决定 注浆效果的关键因素,注浆材料的成本及浆液消耗 量的大小又决定了注浆加固技术经济上的合理性。 因此,注浆材料的选取是巷道注浆加固能否成功的 先决条件。 注浆材料的选取主要考虑下列原则浆液的结 石体最终强度高浆液结石率高,与煤具有良好的 3矿 山压 力与顶 板管 理 2004.№1 粘附性浆液流动性好,配比易调;浆液具有足够的 稳定性;浆液成本低廉无毒无味。故注浆材料采用 普通硅酸盐水泥加水玻璃浆液,水泥采用 525 普 通硅酸盐水泥,水玻璃浓度 45B ′ e ,用量为水泥重 量的 3 ～5 。 浆液水灰比为 0.7 ∶ 1～1 ∶ 1,浆液 配合比如表 1 所示。 表 1 水泥水玻璃单液浆配制表 序号水灰 比水 泥/k g水/L水玻璃 /L 10y.750351.03～ 1.72 20y.850401.03～ 1.72 30y.950451.03～ 1.72 41y.050501.03～ 1.72 ② 注浆量。 对于巷道煤体的注浆,其注浆效果 的好坏,关键取决于注浆参数的选择。巷道围岩注 浆效果的控制程度取决于施工队的经验及技术熟 练程度。 必须根据测得的注浆压力和浆液流速来选 择注浆的顺序、 是否变更或终止注浆过程。从成本 最低的观点来看,在注浆过程中,进行有效的监测 是十分必要的 [3]。当前,在注浆实践中进行监测的 内容包括 注浆压力随时间的变化。 监测压力可以帮助施 工操作人员保证不超出最大的允许压力。 注浆速度及注浆量的大小。 对它的监测可以在 最好的时刻发现不必要的浆液溢出而造成的浪费。 ③ 注浆压力。 根据以往经验,顶板及底角最大 注 浆 压 力 1. 5 M Pa , 两 帮 最 大 注 浆 压 力 为 1.0 M Pa 。 4 施工工艺 锚注法施工作业较之单纯锚杆支护作业,劳动 组织要复杂一些。除迎头仍按正常锚杆支护作业 外,另外组织一个专业注浆队进行注浆。 1026 轨道巷锚注联合支护施工工艺为打眼 放炮→打顶板锚杆孔→安装顶板锚杆→横向挂钢 筋带、 纵向挂钢丝绳及上托盘→喷 30～50 mm厚 水泥砂浆→打两帮锚杆孔→安装两帮锚杆→纵向 挂设钢丝绳并上托盘→喷 30～50 mm厚水泥砂浆 →打注浆锚杆→安装注浆锚杆→注底角注浆锚杆 →注帮注浆锚杆→注顶板注浆锚杆。 注浆时采用自下而上、 左右顺序作业的方式, 每断面内注浆锚杆自下而上先注底角,再注两帮, 最后注顶板锚杆。注浆完毕后,根据观测结果确定 是否复注及复注位置,主要是对初次注浆时,注浆 效果较差的个别孔或是水泥凝结硬化时产生的收 缩变形部位,通过复注可起到补注和加固作用,从 而易于保证施工质量。 注浆施工工艺流程主要包括三个方面 1 运料与拌浆。 即将水泥与水按规定水灰比 拌制水泥浆,注浆实施前加入定量水玻璃,保证在 注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象,并根据需 要调整浆液参数。 2 注浆泵的控制。根据巷道注浆变化情况, 即时开、 停注浆泵,并时刻注意观察注浆泵的注浆 压力,以免发生堵塞崩管现象。 3 孔口管路连接。应注意前方注浆情况,及 时发现漏浆、 堵管等事故,并掌握好注浆量及注浆 压力,及时拆除和清洗注浆阀门。 注浆施工工艺如图 3 所示。 图 3 注浆施工工艺流程图 5 支护效果分析 1206 煤巷试验段长 300 m,经过 90 d的观测, 巷道变形量较小,无喷层开裂等现象,两帮相对位 移在 100 m m以下,顶板下沉在 60 mm以下,底鼓 量在 150 mm以下。巷道掘进速度提高 30 ,综合 成本降低 650 元/m。 锚注支护不仅在技术上可行,安全上可靠,经 济上合理,更重要的是它的实施为我国煤矿井下软 岩巷道的治理,确保井下安全生产提供了一条行之 有效,多快好省的技术途径。 参考文献 [1] 李 明远 ,王 连 国 ,易 恭 猷.软 岩 巷 道 锚 注 理 论 与 实 践 [M ].北 京 煤炭工 业出版 社,2001. [2] 陆 士良 ,汤雷 ,杨 新安 .锚杆 锚固 力与 锚固 技 术[M ].北 京煤 炭 工业 出版社 ,1998. [3] 黄 福昌 .兖州 矿区 煤巷 锚网 支护 技术 [M ].北京 煤炭 工 业出 版 社,2000. [4] 钱 鸣高 ,刘 听 成 .矿 山 压 力 及 其控 制 [M].北 京煤 炭 工 业 出 版 社,1991. 4 2004.№1 矿 山压力 与顶 板管理