双河煤矿深井高应力破碎巷道锚注技术研究.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 3 年第3 期 总第1 1 4 期 l 概述 双河煤矿深井高应力破碎巷道锚注技术研究 郭守泉 北京天地科技股份有限公司开采设计事业部， 北京 1 0 0 0 1 3 摘要双河煤矿随开采强度增加 ， 主采 区已经进入深部开采 区域 ， 巷道围岩表现 出高 地压、 大变形、 难 支护的矿压特点 ， 围岩松散破碎 ， 反复巷修造成 围岩控 制成本非常 高。该问 题 已成为双河煤矿安全生产的主要 问题 。 本文对锚注支护原理、 关键技术参数与施工工艺进 行研 究， 通过现场工业试验证明 ， 此项技 术对治理高应力巷道 、 松散破碎 围岩巷道 、 极不稳定 巷道具有 良好的效果 ， 是一项具有广泛应用前景的新型支护技术。 关键词 深部开采 ； 高应力； 破碎巷道； 锚注技术 中图分类号 T D 3 5 3 ． 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 3 0 0 6 4 0 3 双河煤矿 目前开采深度 已达到 8 0 0 m左右 ， 已属 深部开采的范畴。目前双河矿主采层为三号煤层 ， 岩 层 以灰质页岩粉砂岩为主 ， 煤岩层理均较发育 ， 煤层 厚度约 3 ～4 m。 该矿大采深条件下回采巷道矿压特点 为 高地压、 大变形、 难支护。 具体表现为三号层右二、 右三面回采巷道个别 区域围岩收敛大变形 ， 两帮由原 4 m收敛至 2 ． 6 m， 变形量达到 1 ． 4 m， 煤壁外移鼓帮形 成网兜 、 煤体松散破碎；巷道顶底板中高由原来 3 m 收敛至 1 ． 4 m， 变形量达 1 ． 6 m， 底板隆起形成鼓包 ， 巷 道断面 由原来 1 2 m ， 收敛至 3 ． 6 m 。回采巷道采用锚 网索带联合支护方式 ， 锚杆 问排距 0 ． 9 m1 ． 0 m， 每排 5根锚杆 ， 锚索与锚杆 间隔布置 ， 每排 3根锚索 ， 间距 l m，采用槽钢做背板。在严重区域采用密集工字钢 棚 木点柱 ； 煤 帮采用长锚索补强支护 ， 原支护 密 集补强支护使该矿支护成本高达 2 4 0 0元 ／ 延米。为 满足生产要求， 该矿巷道曾多次进行刷帮拉底， 但复 修后 围岩变形状态并没有得到有效控制 ， 见图 1 。 _ _ ■ 图 1 双 河矿 井下围岩状态 综上所述 ， 双河煤矿右二 、 右三面 回采巷道收敛 大变形 已成为制约该矿 当前安全生 产的重要 问题 ， 亟待解决 。 2 注浆原理 围岩注浆是加固围岩的一种有效方法 。我 国 5 0 年代起开始应用水泥注浆， 现已发展到采用水泥浆 、 化学浆液等多种材料进行围岩注浆的实用阶段。围 岩注浆 的实质是 向存在大量裂隙的松软破碎岩体 注 6 4 入能胶结硬化的浆液 ，将巷道周边 的破碎岩体重新 胶结成高强度的注浆壳 ，从而大幅度提高巷道 围岩 的稳定性_ l _ 2 J 。 注浆原理 主要表现如下几个方面。 1 加大弱 面上的摩擦力 ， 相 当于提高围岩体 的 粘聚力和内摩擦角 ， 增大岩块 内相对位移 的阻力 ， 从 而提高围岩的整体稳定性。 2 浆液在裂隙 中充填 、 固结 后封闭裂隙 ， 阻止 水浸入岩体对 围岩的弱化作用 ，也 阻止 了围岩的进 一 步风化。 3 对破碎松散岩体 ， 由于浆液在裂隙 中的胶结 作用 ， 使破碎岩块重新胶结成整体 ， 形成一个可以承 受外载 的注浆壳 ， 使之与巷道支架共同承载 ， 充分发 挥围岩的 自稳能力 。 4 对于松散破碎圈层较大 的围岩 ， 锚杆支护作 用无法有效发挥 ， 通过注浆加 固破碎围岩体 ， 形成稳 定的承载体 ， 为锚杆支护提供着力点 ， 见图 2 。 1 一普通金属锚杆； 2 一注浆锚杆 ； 3一喷层与金属网； 4一注浆扩散 范围； 5 一锚 杆作用形成的岩石拱 ； 6 一喷层作用形成 的组合拱 图 2 注 浆加 固支 护结构支护机理 3 注 浆工程实践 3 ． 1 注浆工程背景 双河矿新区 3 层右 二面属于立井 水平新 区 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第3 期 总第1 1 4 期 3 ， 上至 3 层右零巷 、 下至 3 层 右一巷 副巷 、 左 至切面 、右至采止线。平均走 向长 3 8 0 ． 2 m，倾斜长 1 8 9 ． 3 m， 面积为 7 0 8 9 9 ． 0 5 m ， 垂深为 6 8 8 ． 5 m。3 层是 复杂结构煤层 ， 为 4 下 和 3 上 临近的复合煤层 、 层 间为 0 ． 4 m左右 的炭质页岩或砂岩夹煤线 ， 煤层倾 角 6～9 。 ， 平均煤厚 3 ． 8 7 m， 煤层节理发育 ， 硬度在 2～ 3 。直接顶为 4 ． 2 m砂质页岩 ； 底板 为 8 ． 8 1 m细砂岩 。 3 煤层距 上覆 的 4 上煤层间距 2 0 m左右 ，距下覆 的 3 下间距 9 m左右。工作面开采区域内有三条较 大断层通过 ， 给开采造成一定 的影响 ； 本 区域还发育 一 些落差较小的断层。 新 区 3 层右 二采面 ， 由于地质构造 复杂 ， 回采 过程 中遇断层 ， 机组无 法通过 ， 为剃 出断层 ， 需施工 新区 3 层右二外切面及中巷 ， 锚注示范工程具体位 置为新区三号层右二外切面软帮。开帮位置在右二 运输巷 1 3号点 ， 巷道坡度 1 2 。 ， 半煤岩 回采巷道。 切 面长度为 1 6 6 m， 宽度为 7 m， 净断面 2 1 ． 4 m2 。煤层厚 度 3 ． 9 3 m， 中间有 0 ． 4 5 m夹矸 。 3 ． 2 注浆材料、 设备及参数 3 ． 2 ． 1 注浆锚杆 也称外锚内注锚杆， 既是注浆管， 又是锚杆。杆 体 2 0～2 5 ra m钢管制作 ， 内端可加锚 固剂锚 固， 钢 管钻孔 ；外端螺纹与止浆 阀连接 ，并套有橡胶止浆 塞 ， 待注浆完毕 ， 套上托盘拧紧螺母 即可 。根据现场 实际情况选用注浆锚杆 如果煤岩体松散破碎成孔 难度大， 可选用钻锚注一体化锚杆； 如果要求锚杆做 为基本支护使用又具有注浆功能，可选用螺旋注浆 锚杆 ；如果 围岩条件相对好 ，需要滞后注浆补强加 固，为节省成本 ，现场可用 4分或 6分管 ，管体钻 8 m m溢浆孑 L ， 管头车螺纹扣 即可做为注浆管使用。 根据双河矿实际情况 ，煤体注浆可采用螺旋注浆锚 杆使用 ， 注浆方式采用巷道滞后注浆。 3 ． 2 ． 2 注浆材料 、 注浆设备 注浆材料有单液浆 、 双液浆和化学浆几种 ， 而水 泥浆 由于来源广 ， 成本低在煤矿得到广泛使用 。 根据 双河煤矿 围岩裂隙发育程度可采用两种方式 ，一种 为单液水泥浆外加剂 ；另外一种为水泥浆 水玻璃 双液浆 。根据注浆地点实际情况 ， 为防止裂 隙发育容 易跑浆采用双液浆 ， 即采用水泥浆 和水玻璃双液浆 ， 水灰比为 0 ．6 0 ， 水泥浆和水玻璃的比例为 1 0 ． 3 5 ， 采 用镇江安达 Q Z B 一 5 0 ／ 6型双液气动注浆泵注浆。 3 ． 2 _ 3 注浆参数 1 注浆压力 一般控制在 2 ． 0 MP a以内， 正常不 超过 3 ． 0 MP a ， 由低到高缓慢升压 ， 以使浆液渗透到围 岩裂隙中去 ， 当压力升至 2 MP a时 ， 应暂停注浆 ， 如压 力低于 1 M P a ，且仍能进浆说明裂隙仍未充填密实， 应继续至 2 MP a为止 。 2 注浆量 由于围岩裂隙差异， 每孔注浆量一般 在 5 0～1 0 0 k g水泥 ， 先注孔可达 3 0 0 k g以上 ， 如果注 浆量过大 ，说明裂隙太大或沿某一通道浆液流失 ， 起 不到封水或加固围岩的作用 ， 应停止注浆检查原因。 3 扩散 范围 浆液 的扩散范 围与裂 隙大小 、 浆 液浓度 、注浆压力有关 ，合适的扩散半径在 1 ．0 ～ 2 ． 0 m左右 ， 扩散范围过大造成浪费。 4 注浆时间 在满足压力、 注浆量、 扩散范围的前 提下灵活掌握。 如裂隙发育 、 浆液量较大 、 压力较高、 扩 散效果合适 ， 时间可短 ； 反之适当延长注浆时间。 3 _ 3 注浆工艺 3 _ 3 ． 1 注浆锚杆施工工艺 1 钻孔 采用凿岩机或其它钻眼设施钻孔 ； 2 安装锚杆 将注浆锚杆送至孔底 ； 3 封孔止浆 采用止浆塞封孔 ， 用橡 胶塞或黄 麻等止浆 ； 4 注浆 将注浆管路和注浆锚杆连接好 ， 进行 注浆作业， 每孔注浆时间为 3 5 m i n ， 可多孔同时注 浆 ， 每断面要从 下而上对称注浆 ， 最后注顶孔 ， 纵 向 可间排隔孔注浆 ； 5 安设锚杆托盘 拆下孔 口阀， 安设托盘 ， 上紧 螺母 。 3 ． 3 ． 2注浆施 工工 艺 1 运料与拌浆 即将水泥与水按规定水灰 比拌 制水泥浆，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。 3 ． 4 工程试验结果分析 锚注现场工程试验施工三个月后 ，在锚注段和 非锚 注段对 比段 内的巷道两帮各取岩芯进行分 析 。 表 1 所示为钻孔取芯率及岩体完整性对 比，说明破 碎围岩注浆后 R Q D值明显提高，改善围岩破碎程 度 ， 提高 围岩的稳定性。 表 1 钻子 L 取芯率及岩体 R Q D值 4 结束语 现场工程实践表明，锚注加固能够解决深井高 6 5 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第3 期 总第1 1 4 期 气动远控卸压钻机推进与阻尼系统的设计 栾兴亮 ， 姜二虎 兖州煤业股份有限公司 济宁二号煤矿， 山东 济宁 2 7 2 0 7 2 摘要针对冲击地压治理 中钻屑法施工安全性差的现状 ，研 究了一种气动远控卸压 钻机。该钻机通过气控和监视 系统 ， 可以使 工人原理钻孔位置进行操作 ， 避免 了突发情况带 来的人身伤害。介绍了该钻机的推进和阻尼系统的结构和原理， 并对其气 _ _ 液联动的阻尼 系统的工作原理进行 了阐述。 关键词气动 ； 钻机 ； 推进 系统 ；阻尼 系统； 设计 中图分类号 T D 4 0 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 3 0 0 6 6 0 2 冲击地压是煤矿开采 中典 型的动力灾害之一 ， 通常是在煤 、 岩 力学系统 达到极限强度时 ， 以突然 、 急剧 、 猛烈 的形式释放弹性能 ， 导致煤岩层瞬时破坏 并伴随煤粉和岩石的冲击 ，造成井巷的破坏及人身 伤亡事故【l 】。 钻屑法通常是在煤层中打直径 4 2 ～ 5 0 m m 的钻孔 ，根据排 出的煤粉量及其变化规律和有关动 力效应 ， 鉴别冲击危险的一种方法 ] 。在我国冲击地 压监测预报领域 ， 钻屑法是经常使用 的方法之一 ， 该 方法实用 、 可靠 。然而其钻孔机具多为手持式设备 ， 人员需要在钻孔附近操作 。钻孔实施过程 中操作人 员的危险性是成为钻屑法的突出缺点 。改进钻机的 推进方式， 使得操作人员能够远离钻孑 L 位置 ， 能够提 高施 工 安全 性 。 1 气动远控卸压钻机简介 气动远 控卸压 钻机 采用全 风动 驱动 由钻进 系 统 、 推进系统 、 阻尼 系统 、 钻杆 自动装卸系统 、 辅助支 撑系统 、 气控 系统 、 监视系统等组成。整机分为主机 和操作 台两部分 ， 如图 l 所示 。 主机和操作 台之间通过胶管 和隔爆 电缆连接 。 通过手动换 向阀控制气控换 向阀动作 ，进而控制执 行元件的动作 ， 实现远程控制 。引入矿用监视系统 ， 该 系统 由隔爆摄像头 、 控制器 、 显示器组成。隔爆摄 像头安装于主机处 ，将主机处的情况传输并显示到 显示器， 为工人的操作提供支持。 钻孑 L 工作时， 在监视系统的辅助下， 工人在操作 台处操作手动换 向阀实现各执行部件 的运动。主机 钻杆储存箱 中存有多根钻杆。一根推进完成后 ， 工人 在操作 台处即可实现新钻杆的接人 ， 继续钻进工作。 通过监视系统发现有煤粉突 出等状况发生时 ，可以 远程采取必要的应对措施 。 如此 ， 可以实现整个钻孔 工作面的无人化 ，避免钻孔处 由于煤粉突 出导致 的 安全事故发生 。 1 一主机 ； 2 一操作 台 图 1 气动远控卸压钻机 2 推进 系统结构 推进系统是整机 的核心系统 ，其作用是带动钻 进 马达做直线运动 ，实现钻孔过程 中钻杆沿钻孔方 向的推进。推进系统 由气缸 、 钢丝绳组件 、 夹 紧机构 等部件组成。 推进气缸缸筒采用玻璃钢材质 ，活塞采用尼龙 材质 ， 具有强度高质量轻的特点。以钢丝绳代替活塞 杆 ， 内部 与活塞固定 ， 外部 与钻进 马达安装板 固定 ， 应力破碎巷道的加固问题， 合理锚注技术参数， 不仅 能达到解决煤矿巷道支护的问题 ，也能最大限度地 取得经济利益和社会效益。双河煤矿工程实践表明 ， 锚注加固能够增加岩体的整体性、 改善围岩结构、 为 锚杆提供着力点、使整个巷道成为一个承压拱等优 点，此项技术对治理高应力巷道、松散破碎围岩巷 道、 极不稳定巷道具有良好的效果， 是一项具有广泛 6 6 应用前景 的新型支护技术。 参考文献 【 1 ] 刘长武． 水泥注浆加 固对工程岩体 的作 用与影响[ M 】 ． 徐 I I,i 中国矿业大学， 2 0 0 0 ． 【 2 ]鹿守敏． 巷道锚喷支护机理与应用[ J 】 ． 煤炭学报， 1 9 9 4 ． 收稿 日期 2 0 1 3 4 1 5