破碎煤岩体注浆加固效果综合评价技术及应用_王晓蕾.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Key of Laboratory of Maintenance and Inspection of Coal Mine Mechanical Equipment of Lvliang City, Lvliang 033000, China; 3. Geoscience College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China Abstract Grouting reinforcement of broken coal and rock mass plays an important role in controlling the stability of surrounding rocks, and the grouting effect detection is an important link to ensure the grouting engineering to meet the requirements. The uation index was quantitatively analyzed by slurry filling rate , mechanical parameter , segmented water injection , geological radar , drilling television and core inspection . The comprehensive uation of grouting effect was put forward, and the application re- search was carried out. The results show The rate of filling slurry and coring was more than 90; After grouting, the compressive strength and flexural strength were more 80 and 75 before mining respectively; The porosity was less than 10; The borehole leakage was less than 4 L/min; There was only few big size1mm fracture; The most large deation did not affect the use of normal roadway, this confirmed comprehensive grouting effect checking and uating were effective. Keywords grouting reinforcement; effect testing; comprehensive uation; broken coal and rock mass 煤岩体受采动影响产生大量裂隙，将连续的煤 岩体变成不连续的煤岩体形态[1-2]。注浆是把不连续 的煤岩体重新变成连续煤岩体，受注空间主要是采 动裂隙[3-4]。 注浆加固效果检测是注浆工程的最后环节，也 是重要的环节之一。 可采用单一或综合检测的方法， 对影响注浆效果的各个环节进行检测，综合对比设 计标准，确定注浆工程完成情况[5-8]。注浆效果检测 方法选择直接关系到注浆效果的评价[9-10]。 破碎煤岩体注浆加固效果评价主要是针对采动 裂隙而言，通过不同的手段评价注浆后裂隙充填特 征以及其力学特性[11-13]。目前，对于破碎煤岩体注 浆加固效果评价技术尚没有统一的标准可以借鉴， 导致注浆效果检测无法进行准确评价，影响注浆工 ChaoXing 第 6 期 王晓蕾等 破碎煤岩体注浆加固效果综合评价技术及应用 93 程取得良好效果[14-15]。 因此，本文采用浆液填充率法、力学参数法、 分段注水法、地质雷达法、钻孔电视法、取心检查 法对评价指标进行定量化分析，总结了注浆效果综 合评价表，并进行了应用分析。 1 注浆加固控制原理 1.1 注浆加固改善破碎煤岩体强度及承载结构 对破碎煤岩体进行注浆加固，可以改善破碎煤 岩体弱结构面的力学特性，提高破碎煤岩体裂隙的 黏聚力以及内摩擦角，增大破碎煤岩不连续块体间 内部相对位移阻力，进而提高煤岩体整体稳定性及 完整性。通过注浆破碎煤岩体裂隙中的加固材料对 裂隙面有很高的黏结力，可以大大增强破裂面的静 摩擦以及动摩擦阻力，约束浆液结石体内的微小裂 隙继续扩展，提高破碎煤岩体弱结构面变形性能以 及煤岩体的整体抗变形刚度。 由于浆液的胶结作用，使得破碎煤岩体重新成 为一个整体，形成骨架承载结构。充分发挥煤岩体 的自稳能力，与原支护系统共同作用，降低支架载 荷，煤岩体破坏由原来的裂隙软弱面强度条件向整 体煤岩体强度转化，当采动形成的应力高于其强度 发生变形时，由于浆液的固结作用和韧性作用起到 骨架承载作用，提高残余强度。 1.2 注浆加固减少煤岩体塑性区 根据松动圈理论，塑性区越大，对于支护的难 度也越大。塑性区变大，煤岩体收敛变形量越大， 所需支护载荷越大，支护难度越大。塑性区随着应 力变化而变化，是一个随时空动态变化过程。塑性 区是地应力与煤岩体强度共同作用的结果，地应力 不变的情况下，煤岩体强度增加，塑性区减少。所 以，注浆加固能够提高煤岩体强度，减少塑性区范 围，减少煤岩体变形量。 2 注浆加固效果检测技术 2.1 注浆加固效果检测方法与指标 破碎煤岩体注浆加固效果检测的目标是使注浆 工程达到设计和工程需要的要求。因此，注浆加固效 果检测方法的选择应以是否能够达到设计要求和工程 需要为出发点， 同时应兼顾现场实际情况， 选择简便、 可操作性强的方法。基于破碎煤岩体注浆加固控制原 理，通过注浆前后煤岩体参数、钻探、其他补充方法 3 个方面进行分析，建立破碎煤岩体注浆加固效果检 测方法与标准；以不影响巷道正常使用作为注浆合格 指标两帮移近量小于 60 mm对其评价指标进行研究。 ① 分析检测法 a. 浆液填充率法 浆液填充率法是通过注浆量反算地层的充填 率，通过充填率评价注浆效果。 采用注浆机对破碎程度相同的煤岩体进行注浆 作业，利用注浆流量仪监测注浆量，根据浆液填充 率计算公式选取 4 种形式75、80、85、90 作为对比，通过位移变形量来观察不同浆液填充率 的注浆效果。根据监测结果得出不同浆液填充率的 位移量如图 1 所示。 图 1 不同浆液填充率下两帮移近量曲线 Fig.1 Two side displacement curves of roadway under different filling rate of slurry 由图 1 可知，浆液填充率为 75、80、85、 90时， 两帮移近量分别为 221 mm、 172 mm、 121 mm、 56 mm。当两帮移近量约 60 mm 时注浆效果好，因 此，对于浆液填充率法评价注浆效果，其注浆率要 保证 90以上，才能保证注浆效果。 b. 力学参数法 注浆加固后的力学参数主要包括抗压、抗拉强 度等， 坚固性检测主要对注浆前后煤岩体抗压强度、 泊松比等进行分析检测。采用对比法研究，当实现 注浆加固目的时，注浆加固后的力学参数和物理参 数所占原岩力学参数和物理参数的比例大小。 对破碎煤岩体注浆，并监测注浆后的位移量。 当位移量为 52 mm，对该区域取心；同时，对未受 采动影响区域进行取心，并对以上两种岩心进行力 学实验，取得相关参数表 1。 由表 1 可知，注浆后地层抗压强度为 9.92 MPa， 为未受影响地层 12.8 MPa 的 77.5；注浆后地层抗折 强度为 1.89 MPa， 为未受影响地层 2.63 MPa 的 71.8； 注浆后地层孔隙率为 10.2， 为未受影响地层 3.23的 3.13 倍。通过实验可知，注浆后其抗压强度应达到未 受影响地层抗压强度的80以上、 抗折强度应达到75 以上、孔隙率应低于 10时，可以实现注浆加固目的。 ② 钻孔检测法 a. 取心检测法 通过现场岩心的取心率，判断注浆效果。 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 1 两帮位移量在 52 mm 时地层力学和物理参数 Table 1 Mechanical and physical parameters of strata at displacement of 52 mm at two sides 状态 抗压强度/ MPa 抗折强度/ MPa 孔隙率/ 黏聚力/ MPa 注浆后 9.92 1.89 10.2 11.2 未受影响 12.8 2.63 3.25 16.7 采用注浆机对破碎煤岩体进行注浆加固，同时 采用十字交叉法对注浆后的两帮位移量进行监测， 并对不同两帮位移量的取心率进行测量，得出取心 率与两帮移近量曲线，如图 2 所示。 图 2 注浆后钻孔取心率与两帮移近量数据图 Fig.2 Coring rate and convergence of two sides after grouting 由图 2 可知，注浆后岩心取心率越高，两帮移 近量越小，说明取心率越高，注浆效果越好。当取 心率达到 90以上时，地层裂隙几乎完全被浆液填 充，破碎煤岩体大部分形成一个整体，地层得到改 善，两帮移近量降低到 60 mm 以下。因此，采用取 心检查法评价注浆效果时，应保证取心率达到 90 以上。 b. 分段注水法 利用钻孔分段注水试验测试煤岩体不同深度注 浆前后漏失量，通过注水段长度、压力等数据综合 分析。 采用双端堵漏试验对注浆前后漏失量进行测 量，注浆压力取 1 MPa，测试段长度取 1 m，每段 测试 15 min，每 5 分钟读取一个数值，取 3 次平均 值。选取需要加固地层的 6 个区域，每个区域布置 2 个钻孔，注浆前与注浆后分别对地层注水漏失量 进行测试；并进行巷道位移量监测，获得的最终数 据如表 2 所示。 由表 2 可知，注浆前地层钻孔注水漏失量基本 稳定在 400 L 左右，说明注浆前钻孔裂隙发育程度 较高。注浆后地层钻孔注水漏失量明显降低，说明 注浆加固后，地层裂隙被浆液填充，裂隙发育程度 降低。同时，注浆后不同钻孔漏失量及其煤岩体两 帮移近量存在差异。当注浆后钻孔漏失量为 21 L、 19 L 时，两帮移近量分别为 47 mm、43 mm。因此， 确定注浆后地层钻孔漏失量应低于 4 L/min， 才能保 证注浆效果。 表 2 地层钻孔注水漏失量数据 Table 2 Water leakage of ation in water-injecting boreholes 钻孔 编号 注浆前钻孔漏失 量平均值/L 注浆后钻孔漏失 量平均值/L 两帮移近 量/mm 1 387 79 142 2 414 21 47 3 372 126 154 4 396 19 43 5 402 115 138 6 381 102 114 ③ 其他补充方法 a. 地质雷达探测法 地质雷达探测法是利用无线电波对煤岩体深度 不可见的标体进行全方位扫描。通过无线电在不同 介质的传播速度不同确定煤岩体内部形态结构，地 质雷达可探测注浆前后煤岩体孔隙率变化特征。 由图 3 可知，注浆前地质雷达探测图上存在不 连续的阴影，越靠近煤岩体表面，不连续的阴影越 多，越明显，说明越靠近煤岩体表面，煤岩体越破 碎，裂隙发育度越高。注浆后，地层煤岩体裂隙被 浆液填充，不连续的阴影明显消失，地层破碎煤岩 体形成一个完整的整体，裂隙发育度大幅度降低。 对于地质雷达评价注浆效果，应保证注浆后地质雷 达探测图上不存在不连续的阴影。 图 3 注浆前、后煤岩体地质雷达探测数据图 Fig.3 Geological radar data of coal and rock mass before and after grouting b. 钻孔电视法 通过钻孔电视观测注浆后的裂隙充填情况以及 胶结特性，分析裂隙不同开度、产状裂隙充填、胶 结特征等。 采用钻孔电视对注浆后的钻孔情况进行探测，探 测得出的数据展开图两帮移近量57 mm如图4所示。 ChaoXing 第 6 期 王晓蕾等 破碎煤岩体注浆加固效果综合评价技术及应用 95 图 4 钻孔电视探测数据展开图 Fig.4 Expanded view of borehole TV survey data 通过钻孔电视数字化分析软件对注浆后的钻孔 数据图进行分析可知，钻孔壁存在少量小宽度的裂 隙宽度小于 1 mm以及少量大于 1 mm 的裂隙。因 此，在使用钻孔电视评价注浆效果时，要保证注浆 后地层煤岩体中仅存在少量大于 1 mm 的裂隙。 2.2 综合评定指标 注浆效果检查评定是对破碎煤岩体注浆加固施 工好坏的有效评价，以不影响巷道正常使用为依据 两帮移近量小于 60 mm，采用浆液填充率法、力 学参数法、取心检测法、分段注水法、地质雷达法、 钻孔电视法对注浆指标行了研究，分析了不影响巷 道正常使用的各方法的标准。在实际注浆过程中一 般一种检测方法难以很好地进行评定，综合多种方 法能够较准确地进行评价。依据各方法的特点得出 综合注浆效果检查评价表，如表 3 所示。在实际注 浆中应以分析检测和钻孔检测作为主要评价手段， 各选其一种，补充检测类型中选用一种作为辅助手 段。 表 3 综合注浆效果检查评价表 Table 3 Comprehensive grouting effect checking and uating 检查类型 方法名称 评价标准 浆液填充率法 浆液填充率要达到90以上 分析检测 力学参数法 注浆后其抗压强度应达到10.0 MPa 或为未受影响地层抗压强度的80以上，抗折强度应达到 2.0 MPa 或为未受影响地层抗折强度的75以上，孔隙率应低于10 取心检测法 取心率要保证在90以上 钻孔检测 分段注水法 注浆后地层钻孔漏失量低于4 L/min 钻孔电视法 地层煤岩体中仅存在少量大于1 mm 的裂隙 补充检测 地质雷达法 不存在不连续的阴影 3 应用研究 3.1 工程概况 山西 SH 矿井中 XV1102 永久巷道，受上覆 9 号和 3 号煤层的残余应力产生的应力集中作用影 响，巷道产生较大破坏；同时受 4309 工作面采动影 响，使该巷道受本煤层支承应力影响严重。巷道底 鼓 1 000 mm，两帮移近量达到 350 mm。该巷道每 年进行返修 12 次，效果极差。经探测发现，煤岩 体破坏严重，属于极破碎类型。随着工作面继续回 采，巷道变形急剧恶化，影响巷道的正常使用。 巷帮采用三花眼的注浆布置方式，钻孔排距为 6 000 mm，上下排距 1 800 mm；最上排钻孔距顶板 800 mm，最下排钻孔距底板 800 mm；注浆加固 3 d 后进行锚索锚固补强。 3.2 注浆效果检测 注浆后采用浆液填充率法、分段注水法、钻孔 电视探测法，对巷道围岩注浆效果进行检验。 a. 浆液填充率法 工作面注浆过程中对浆液量进行监测，采用浆 液填充率法对钻孔浆液填充率进行分析，按照注浆 孔与检测孔 10︰1 的比例进行选孔。整个工作面布 置钻孔 164 个，检测钻孔应布置 16 个，结果如图 5 所示。工作面注浆孔浆液填充率大部分保持在 90 以上；但存在部分注浆钻孔浆液填充率在 90以下， 分别为 5、6、10、15 号检测孔，其浆液填充率分别 是 85、81、86、83。对这些区域进行补孔加 强， 对加强后的区域进行浆液填充率计算， 测得其浆 液填充率为 91、93、92、91，达到预期目标。 图 5 钻孔浆液填充率检测数据图 Fig.5 Detection data of borehole slurry filling rate b. 分段注水法 按照整个工作面注浆孔个数与检测钻孔 5︰1 的比例进行选孔，整个工作面布置钻孔 164 个，检 ChaoXing 96 煤田地质与勘探 第 47 卷 测钻孔应布置 33 个。 采用分段注水法对检测孔注水 漏失量进行测试，结果如图 6 所示。 由图 6 可知，工作面注浆后，钻孔注水漏失量 大部分在 20 L 以下， 但存在部分钻孔漏失量在 20 L 以上，分别是 12、13、19 号检测孔，其钻孔漏失量 分别是 26 L、31 L、28 L。对这些区域进行补孔加 强，同时，对加强后的区域进行分段注水试验，测 得其钻孔漏失量为 12 L、14 L、11 L，降低到 20 L 以下。 图 6 钻孔注浆检测分段注水试验数据图 Fig.6 Detection data of segmented water injection test for boreholes grouting c. 钻孔电视探测 采用钻孔电视对注浆后的巷道进行探测。按照 注浆孔与检测孔 10︰1 的比例进行选孔，整个工作 面布置钻孔 164 个，检测钻孔应布置 16 个，探测结 果如图 7 所示。 由图 7 可知，钻孔内巷道围岩裂隙充满了白色 的浆液，仅存在少量大于 1 mm 的裂隙，大部分裂 隙被浆液填充，巷道围岩得到加固。 图 7 注浆后钻孔电视探测数据图 Fig.7 Data of borehole TV detection after grouting 3.3 巷道监测 为验证注浆加固效果， 对注浆段巷道变形进行 监测。选取巷道内两个变形监测点进行分析间隔 距离 20 m， 得出注浆段巷道表面位移数据曲线如图 8 所示。 由图 8 可知，注浆后底鼓量和两帮移近量均得 到控制，最大底鼓量为 43 mm，两帮最大移近量为 56 mm。说明巷道原破碎煤岩体在浆液的作用下固 结成完整体，使锚索杆发挥良好作用，很好地控 制了巷道煤岩体变形破坏； 其变化量最终趋于稳定， 虽仍有一定变化，但不影响巷道的正常使用，说明 注浆加固后巷道稳定性提高。 图 8 注浆段巷道位移曲线特征图 Fig.8 Characteristic diagram of roadway displacement curve in grouting section 4 结 论 a. 从参数、钻探及其他方式 3 方面，提出浆液 填充率法、力学参数法、分段注水法、地质雷达法、 钻孔电视法、取心检查法作为注浆加固效果的评价 指标。 b. 对评价指标进行了定量化分析， 提出注浆效 果综合评价表， 浆液填充率、 取心率需达 90以上； 注浆后其抗压强度、抗折强度至少分别达到未受影 响参数值的 80、75；孔隙率应低于 10；地层 钻孔漏失量低于 4 L/min； 地层煤岩体中仅存在少量 大于 1 mm 的裂隙；巷道最大变形量不影响巷道正 常使用，通过实例分析证实了注浆效果综合评价表 的有效性。 参考文献 [1] 王晓蕾，秦启荣，熊祖强，等. 层次注浆工艺在松软巷道破碎 围岩加固中的应用[J]. 地下空间与工程学报，2017，131 206–212. 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Chinese Journal of Geotech- nical Engineering，2015，37122245–2253. 责任编辑 周建军 ChaoXing