深部开采大采高工作面煤巷破碎围岩注浆加固应用研究.pdf

第42卷第3期 2019年3月 煤炭与化工 Co al and Ch emic al Indu s t r y Vo l.42 No .3 Mar . 2019 采矿与井巷工程 深部开采大采高工作面煤巷破碎围岩注浆加固应用研究 晋渊渊 潞安集团李村煤矿，山西长治046600 摘 要潞安矿业集团李村煤矿1302工作面回采时，运输巷围岩出现严重的失稳破坏现象， 导致工作面无法正常生产。通过现场矿压观测，1302运输巷矿压显现剧烈的区段，顶底板下 沉量达750 900 mm,实体煤帮变形量350-500 mm,煤柱帮变形量550 700 mm,围岩破 碎严重，因此设计采用注浆技术对围岩加固。通过数值模拟及理论分析等方法，确定加固方 案，1302运输巷顶板通过注浆管和注浆锚索进行加固，煤柱帮采用注浆锚索进行加固。现场 应用及矿压监测结果表明，注浆加固后1302运输巷在采动影响下围岩变形量，顶板下沉量不 大于390 mm,两帮移进量不大于660 mm,巷道变形量不影响回采期间巷道的正常使用。 关键词深部开采；注浆锚索；数值模拟；大采高 中图分类号TD353 文献标识码B 文章编号2095-5979 2019 03-0001-05 Application study on grouting reinforcement of broken surrounding rock in coal roadway of deep mining with large mining height Jin Yu an Yu an L ic un Mine, L u an Group, Changzhi 046600, China Abs t r ac t Wh en t h e 1302 wo r k ing fac e o f Lu5 an Mining Gr o u p Lic u n Mine s t ar t ed r ec o ver y mining, s er io u s ins t abilit y and failu r e o c c u r r ed in t h e s u r r o u nding r o c k s o f it s t r ans po r t at io n r o adway, wh ic h r es u lt ed in t h e failu r e o f no nnal pr o du c t io n o f t h e wo r k ing fac e. Th r o u gh t h e field o bs er vat io n o f mine pr es s u r e, it was fo u nd t h at t h e s ec t io n o f 1302 t r ans po r t at io n r o adway wh er e t h e mine pr es s u r e was s ever e, t h e s u bs idenc e o f r o o f and flo o r was u p t o 750-900 mm, t h e defo r mat io n o f s o lid c o al s eam was 350-500 mm, and t h e defo r mat io n o f c o al pillar was 550-700 mm, and t h e s u r r o u nding r o c k was s er io u s ly br o k en. Th er efo r e, gr o u t ing t ec h no lo gy was ado pt ed t o r einfo r c e t h e s u r r o u nding r o c k . Th r o u gh nu mer ic al s imu lat io n and t h eo r et ic al analys is , t h e r einfo r c ement s c h eme was det ennined, t h e r o o f o f 1302 t r ans po r t at io n r o adway was s t r engt h ened by gr o u t ing pipe and gr o u t ing anc h o r c able, and t h e c o al pillar was s t r engt h ened by gr o u t ing anc h o r c able. Field applic at io n and mine pr es s u r e mo nit o r ing r es u lt s s h o wed t h at s u r r o u nding r o c k defo r mat io n o f 1302 t r ans po r t r o adway u nder t h e influ enc e o f mining aft er gr o u t ing r einfo r c ement , r o o f s u bs idenc e was no t gr eat er t h an 390 mm, dis plac ement o f t wo s ides was no t gr eat er t h an 660 mm, and r o adway defo r mat io n did no t affec t t h e no r mal u s e o f r o adway du r ing mining. Key wo r ds deep mining; gr o u t ing anc h o r c able; nu mer ic al s imu lat io n; lar ge mining h eigh t 责任编辑郭媛媛 DOI 10.19286/j.c nk i.c c i.2019.03.001 作者简介晋渊渊1990-,男，山西长子人，助理工程师。 引用格式晋渊渊.深部开采大采高工作面煤巷破碎围岩注浆加固应用研究[J] .煤炭与化工，2019 , 423 1-5. 1工程概况 李村煤矿为山西潞安矿业集团有限责任公司下 属慈林山煤业有限公司的接替矿井，矿井开采水平 标高370 m,采用立井盘区式开拓方式，批采煤 层为3号煤，批采标高为200480 m,开采方 法为一次性采全高，井田设计年生产能力5 Mt /a0 该井田埋藏较深，达610 840 m,四周无老窑和 小窑分布。目前该矿正在进行1302工作面的采掘 工作，工作面煤层厚度3.80 5.80 m,平均为4.76 1 2019年第3期煤炭与化工第42卷 m,煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩，老顶粉砂岩, 局部为砂岩，底板为黑色泥岩。1302工作面采高 为4.8 m,属于大采高工作面。1302工作面北部为 1301工作面采空区，南边为准备阶段的1303工作 面。1302工作面共布置3条回采巷道，分别为 1302运输巷、1302回风巷及1302瓦排巷，3条巷 道均沿3号煤层底板掘进，工作面巷道布置详情如 图1所示。1302工作面开始回采后，1302运输巷 失稳破坏，已严重影响工作面的正常生产，故对该 巷道破碎围岩进行施工技术的优化。 图1工作面采掘布置平面 Fig. 1 minit ig layo u t o f wo r k ing fac e 2原有支护方案及现场矿压观测结果原有支护方案及现场矿压观测结果 2.1支护方案 李村煤矿1302运输巷掘进施工时支护方式为 锚网梁支护，断面尺寸宽X高为4 500mmx 3 200 mm,顶板选用22mmX 2000mm高强度螺 纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm X 800 mm,每排 布置6根，中部4根垂直顶板安装，靠近两帮的锚 杆向外侧倾斜20。安装。每隔2排锚杆布置3根 18.9 mm X 8 300 mm的大孔径预应力锚索，间排 距为1 000 nmix 1 600 mm,沿巷道中心线对称 布置，垂直顶板安装。两帮支护选用力22 mm x 2 000 mm高强度螺纹钢锚杆，间排距为700 mm X 800 mm,靠近顶角的锚杆安装时仰角20 , 最下部_排锚杆距离底板200 mmo 1302运输巷锚 杆锚索布置如图2所示。 a支护断面图b 顶板俯视图 图2 1302运输巷支护方案 Fig. 2 Su ppo r t s c h eme o f 1302 t r ans po r t r o adway 2.2矿压显现规律18 m,在掘进期间巷道围岩有一定的变形量，但 1302运输巷与1301工作面采空区煤柱宽度为 整体上围岩的稳定性良好，不影响其正常使用。 2 晋渊渊深部开采大采高工作面煤巷破碎围岩注浆加固应用研究 2019年第3期 1302工作面开始回采之后,1302运输巷由于大采 高工作面采动影响以及超前支承压力的影响，顶 板下沉量大，煤壁片帮向巷道内挤出，在回采工 作面前方一定距离内的1302运输巷断面损失严 重，顶板及两帮煤岩体异常破碎，根据现场观测 结果，在回采工作面前方1302运输巷矿压显现剧 烈的区段，顶底板下沉量达750 900 mm,实体 煤帮变形量350 500 mm,煤柱帮变形量550 - 700 mm0 1302工作面埋深为600 794 m,属于深埋工 作面，并且1203运输巷直接顶和两帮为强度很低 的煤体，巷道底板为强度较低的黑色泥岩，整体 来说围岩破碎较为严重，且埋深较大，采动影响 剧烈，采用传统的锚杆、锚索或U型钢架棚等支 护方式预计难以取得理想的支护效果，需从改善 破碎围岩的力学性能、提高围岩自身承载能力方 面着手2】，因此可采用注浆对围岩进行加固，从 而改善巷道围岩的力学性能，使支护结构更好的 发挥承载能力。 3注浆加固方案确定 为解决1302工作面回采期间运输巷失稳变形 的问题，提出采取注浆加固技术措施，并应用 FLAC3D数值模拟分析不同注浆方案的围岩控制效 果叫根据李村煤矿1302工作面实际的生产地质条 件，模型尺寸长X宽X高182.5 mx 90 mx64 m,工作面平均埋深取700 m,模型上部边界施加 垂直应力为17.5 MPa,数值模拟采用摩尔一库伦屈 服准则。现有的破碎围岩注浆加固技术可分为深部 和浅部注浆，浅部注浆为注浆管注浆，深部注浆为 注浆锚索，根据生产经验提出如下注浆方案叫方 案一，巷道顶板和煤柱帮浅部注浆；方案二，顶板 采用深部和浅部注浆，煤柱帮采用浅部注浆；方案 三，顶板采用深部和浅部注浆，煤柱帮采用锚索深 部注浆。模拟1302工作面回采，观测超前工作面 10 m位置1302运输巷围岩的水平位移和垂直位 移，整理后如图3所示。 b 錚前水平位移 d方案一水平位移 3 2019年第3期煤炭与化工第42卷 e方社垂直位移 跌据据 150 100 150 100 斜篡 -15O -2C0 -25O -30O -15O -2C0 -25O -30O g 族三垂直位移 f方案二zK平位移 h 方案m平位移 图3不同加固方案巷道围岩位移分布 Fig. 3 Dis plac ement dis t r ibu t io n o f r o adway s u r r o u nding r o c k in differ ent r einfo r c ement s c h emes 根据以上模拟整理得到表1所示结果。分析可 知，对巷道围岩采取注浆加固的措施后，巷道顶板 下沉量和两帮变形量均明显减小，底鼓量基本不 变，注浆加固方案由方案一一方案二一方案三，围 岩的稳定性逐渐提高，采取方案三时，1302运输 巷顶板下沉量和两帮变形量均最小，并且能够满足 工作面正常生产的断面需求，充分考虑巷道服务期 间的安全性，认定方案三为加固方案，即1302运 输巷顶板岩层通过浅部注浆和深部注浆进行加固, 巷道煤柱帮破碎煤岩体采用注浆锚索进行加固。 表1不同注浆方案围岩位移情况 Table 1 Su r r o u nding r o c k dis plac ement o f differ ent gr o u t ing s c h emes 支护林顶板下沉量/mm底鼓量/mm煤柱帮变形量/nu n实体煤帮变形量/mm 原支护方案6S862623312 方案一53264510274 方案二妬859430284 方案三38758302234 4注浆加固应用及效果观测 4.1现场应用 1302运输巷注浆加固材料以高水速凝材料为 主，在顶板极为破碎的区域采用马丽散加固。注浆 材料水灰比1.5 1,浅部注浆孔注浆压力不超过2 MPa,注浆锚索注浆时可适当增大注浆压力。顶板 浅部注浆孔通过直径42 mm的风钻施工，钻孔深 度为2 500 mm,孔间距1 500 mm,垂直顶板施工, 排距1600 mnio 深部注浆采用022 mm X 8 300 mm 4 晋渊渊深部开采大采高工作面煤巷破碎围岩注浆加固应用研究 2019年第3期 的中空注浆锚索，间排距为1 250 mm X 1 600 mm, 3根锚索由巷道中心线对称布置，两侧的锚索向外 倾斜20。，中部的锚索垂直安装，注浆锚索钻孔 由直径为32 mm的钻头打孔，孔深为8 000 mmo 煤柱帮采用①22 mm X 5 300 mm中空注浆锚索， 250_ ,8OQ,8OO,8O0,8OQ・8OQ, 「250 1 00Q 1 25_q 1 25Q 1 OOP mm, 间排距为1 100 mm X 1 600 mm,靠近顶板的注浆 孔距离顶板700 mm,上孔向上倾斜10。，下孔向 下倾斜10。。1302运输巷围岩注浆加固支护布置 如图4所示。 0 0 z /0 0 z / TTTT b 0 2b 0 2 I o I o T O L d o zT O L d o z一6 0 Z 16 0 Z 1 Z Z ・ ・ o o刊 o o zo o z e e J J O O O 电L O ■ 0 O ■ O ■ b 顶板注浆加固 丄 图4 1302运输围岩注浆加固支护 Fig. 4 1302 t r ans po r t at io n s u r r o u nding r o c k gr o u t ing r einfo r c ement s u ppo r t 4.2矿压观测 为了考察李村煤矿1302运输巷注浆加固支护 的效果，13021作面恢复生产后在其运输巷内布 置围岩位移监测点，所得数据整理结果如图5所 示，1302运输巷受工作面采动影响的范围约为60 m,工作面回采至测点时围岩变形量达到最大，顶 板下沉量为400 mm,两帮移进量为660 mm,巷道 变形量满足回采期间巷道使用要求。在回采工作面 前方20m处运输巷顶板下沉量为110 mm,两帮移 进量为280 mm,而未进行注浆加固时顶板下沉量 为450 500 mm,两帮移进量为700 - 900 mm,所 以采取的注浆加固取得了显著的效果。 700 600 | 500 启400 蜃300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 距工作面距离/m 图5巷道位移监测数据 Fig. 5 Ro adway dis plac ement mo nit o r ing dat a 5结论 李村煤矿1302工作面回采初期，1302运输巷 超前工作面一定距离范围内围岩失稳破坏严重，已 严重影响其正常使用。通过现场矿压观测可知，在 回采工作面前方1302运输巷矿压显现剧烈的区段, 顶底板下沉量达750 900 mm,实体煤帮变形量 350 - 500 mm,煤柱帮变形量550 - 700 mm,围岩 破碎严重。据此设计通过注浆技术对巷道顶板及煤 柱帮进行加固，通过数值模拟及理论分析等方法, 确定方案为1302运输巷顶板岩层通过注浆孔注浆 和锚索注浆进行加固，煤柱帮通过注浆锚索进行加 固，现场应用后进行矿压观测，注浆加固后1302 运输巷在采动影响下围岩变形量，顶板下沉量不大 于390 mm,两帮移进量不大于660 mm,巷道变形 量不影响回采期间巷道的正常使用。 参考文献 [1] 白璐.综放厚煤顶巷道围岩变形破坏特征与注浆加固控 制[J] .煤炭与化工，2018, 418 48-49, 55. [2] 翟新献，涂兴子，李如波，等.深部软岩锚注支护巷道围岩 变形机理研究[J] .煤炭工程，2018 , 50 1 36-41. [3 ] 徐文虎.加长锚索与注浆联合控制巷道变形研究[J ] .煤矿现 代化,2017 5 52-54, 58. 5