高应力动压巷道注浆加固技术研究_宋伟东.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 井巷施工时， 高应力、 动压影响是巷道变形与破 坏的根本原因。巷道围岩由于高应力或强烈采动影 响， 围岩中稳定结构遭到破坏， 自稳定性变差。 在高应 力环境中围岩互相挤压、 滑移， 煤岩体破碎， 产生塑性 形变， 围岩顶底、 两边移进量大， 巷道变形量变大[1]。 单 一的加固手段对破碎围岩很难起到预期加固效果， 通 过优化巷道支护形式与参数设计配合注浆联合支护， 是保持巷道围岩稳定性与安全性的主要手段。 高压注 浆能够重新组合破碎围岩，破碎围岩承载能力提高， 有利于锚杆锚索加固时力的传递， 顶帮强力锚索加固 后最大限度地发挥支护材料与和注浆后围岩体的相 互作用， 大幅提高巷道加固质量和效果[2]。 本文结合受 回采动压影响后辅运大巷层喷浆层大范围脱落， 局部 区域锚杆、 锚索破断的变形、 破坏特征， 提出采用高压 注浆配合注浆强力锚索支护对巷道进行加固， 确保了 破碎巷道围岩稳定性。 高压注浆配合强力锚索支护联 合加固能够改善巷道围岩性质， 提高围岩强度， 确保 加固后的巷道围岩稳定， 减小巷修工程量， 有效延长 巷道使用时间。 1 工程概况 胡底煤业开拓巷道布置有 5 条岩巷，位于 3 煤 上方 20～40m， 岩性以泥岩、 粉砂质泥岩主， 层理发 育， 埋深约 720m， 净煤柱为 23～25m。 目前 1301 首采 面已经进入末采阶段， 停采线距与最近的辅助进风大 巷之间净煤柱约为 89m， 五条大巷石门受动压影响变 形大， 其中辅运大巷变形最为严重 （图 1 中红色阴影 区域部分 ） 。受高应力影响， 围岩长期处于流变状态， 达不到二次稳定[3]， 辅运大巷道两帮最大水平移近量 超过 1200mm， 顶底板收敛变形超过 2000mm。 五条大 巷均已经进行过一次巷修， 巷修主要采用全锚索加固 技术， 起到一定作用， 但后期效果不明显， 目前辅运大 巷混凝土喷层大范围脱落， 局部区域锚杆、 锚索破断， 亟待采取更为有效的解决措施。 2综合治理方案的确定 高应力动压巷道注浆加固技术研究 宋伟东 （山西晋煤集团泽州天安昌都煤业有限公司生产技术部 ， 山西 晋城 048006 ） 摘要 为确保高应力动压巷道的安全使用， 本文以胡底煤业辅运大巷为背景， 结合受回采动压影响 后辅运大巷变形、 破坏特征及地应力测试结果钻孔窥视结果， 提出高压注浆 强力锚索加固综合治 理方案。通过对比分析， 采用高压注浆配合注浆强力锚索支护后， 巷道围岩变形明显减小， 两帮位移 量、 底鼓量、 顶板下沉量最大值分别下降 81.7、 72、 36.1， 有效控制住围岩变形， 保障了动压巷道 围岩稳定， 为类似巷道围岩条件的治理提供了实例参考。 关键词 高应力 ； 动压巷道 ； 围岩变形 ； 注浆加固 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0020- 04 Research on Grouting Reinforcement Technology in High Stress Dynamic Pressure Roadway SONG Weidong （Shanxi JinchengAnthracite MiningGroup Co., Ltd. Zezhou Tianan Changdu Coal Mine Production TechnologyDepartment . ， Shanxi Jincheng 048006 ） Abstract In order to ensure the safe use of high- stress dynamic pressure roadway, this paper takes the Hudi coal industry auxiliary trans- portation roadwayas the background, combined with the deation and damage characteristics ofthe auxiliaryauxiliaryroadwayand the re- sults of the ground stress test. High- pressure grouting strong anchor cable reinforcement comprehensive treatment plan. Through compara- tive analysis, it is concluded that after high- pressure grouting combined with grouting strong anchor cable support, the surrounding rock de- ation ofthe roadwayis obviously reduced, and the maximum displacement, bottom drum volume and roofsinking amount ofthe two gangs are reduced by 81.7, respectively. 72, 36.1, effectively control the deation of surrounding rock, ensure the stability of surrounding rock in dynamic pressure roadway, and provide examples for the treatment ofsimilar surroundingrock conditions. Key words high stress ； dynamic pressure roadway； surroundingrock deation ； groutingreinforcement 20 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 根据现场生产、地质条件调查和围岩结构详查， 开拓大巷埋深、 地质条件、 及采动影响， 是导致巷道刚 掘进不久便产生变形破坏的直接原因。 辅运大巷围岩 压力大、 结构破碎松软， 单一的加固方法不能有效控 制其长期蠕变及进一步破坏， 应先采取注浆手段确保 破碎围岩连续稳定， 再加大支护强度[4]。 2.1地应力测试分析 地质力学参数测试结果最大水平主应力 σH19.28MPa， 最小水平主应力 σh10.4MPa， 垂直应 力 σV14.67MPa。水平主应力主要影响巷道顶底板 及两帮， 但对顶底的影响更大， 垂直应力主要影响巷 道的两帮。 在支护设计和施工的过程中应重视支护强 度和刚度， 特别是巷道两帮支护[5]。 2.2辅运大巷窥视分析 辅运大巷共掘进 600m， 在变形严重区域 4 横川 附近布置了 6 个钻孔进行窥视（顶孔 4 个，帮孔 2 个 ） ， 孔深均为 10000mm。顶孔距辅运大巷 4 横川距 离分别 5m、 10m、 15m、 20m； 帮孔距 4 横川两侧均为 5m。窥视结果如图 1 所示。 图 14 横川 10m 处附近顶板顶板窥视图 由窥视结果可知，辅运大巷浅部围岩中煤线较 多， 裂隙发育， 岩体破碎， 完整性较差。受动压影响 后变电所深部围岩整体仍较完整， 局部区域浅部存 在裂隙发育， 其余区域主要为微裂隙发育。4 横川 10m 处附近顶板 3.6m 范围围岩软弱，裂隙发育， 围 岩完整性较差， 顶板 3.6- 5m 范围内裂隙微发育， 顶 板 5m 范围内完整性较好。顶板钻孔窥视结果基本 一致， 裂隙发育基本出现在浅部围岩区域， 裂隙微 发育出现在 3～5.5m 范围内， 5.5m 以外的深部围岩 完整性较好。 参考辅运大巷原有支护强度，结合大量的工程 实践， 在确保动压巷道围岩稳定， 尽量减小工程量 的前提下， 确定采用高压注浆配合注浆强力锚索支 护案。 3 辅运大巷围岩变形控制综合治理方案 3.1注浆材料、 支护材料选取 为确保严格控制围岩的变形， 要求注浆结石体应 具有较高强度和抗变形能力强。根据注浆材料特点， 结合现场围岩条件， 确定采用水泥基无机注浆材料。 无机注浆材料使用联邦加固Ⅰ号注浆材料， 有单 液、 双液注浆材料两种。 双液浆两种浆液在混合前， 6h 时内不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝结时间为 3～10min， 1～8h 的强度能达到 8～15MPa 以上， 适用于 采掘工作面破碎煤体加固， 浅层煤体表面注浆加固效 果最佳。 注浆配比选取 一般情况注浆水灰比 0.81， 若漏 浆时可将水灰比控制在 0.71。 表 1联邦加固双液注浆材料不同水灰比条件下净浆 抗压强度 破碎围岩恢复连续性后， 应对其施加强力的边界 条件， 使注浆后的围岩具有较强的承载能力， 特意选 取强力锚索来阻止围岩的再次变形[6]。 根据窥视结果， 顶帮锚索有效锚固范围至少覆盖 5.5m 以上范围， 锚 索直径为 φ22mm， 采用 119 股高强度低松弛预应 力钢绞线。 极限拉断力 550kN， 延伸率 7。 强力锚索 使用拱形高强度锚索托板 30030016mm （带调心 球垫 ） 及配套锁具， 承载能力不低于 50t。 3.2顶帮扩刷支护、 起底 由于辅运大巷围岩变形严重，拱顶喷层开裂严 重， 部分巷道断面不够， 为保证施工期间安全， 先采用 风镐挑掉顶板的活矸， 然后采用挂钢筋网， 补打锚杆、 锚索， 进行支护和维护， 防止顶板喷层掉落砸伤施工 人员和损坏施工设备，保证巷道断面满足使用要求。 现场每次刷帮和挑顶的循环进度不超过 2m，扩帮和 挑顶完毕后， 立即进行锚网支护。 3.3底板预应力注浆锚索支护 为减小底鼓变形量， 对底板进行预应力注浆锚索 支护， 起到注浆及支护双重效果效果。所用底板注浆 锚索型号为 SKP22/1- 1720- 6300，沿底板每排 3 根， 锚索排距为 2000mm， 间距为 2050mm。 底板注浆锚索 布置如图 2。注浆后底板破碎围岩裂隙被填充， 承载 水灰比2h/MPa8h/MPa24h/MPa3d/MPa28d/MPa 0.6116.321.722.322.823.2 0.8112.814.614.815.717.5 119.611.411.912.514.7 1.217.59.610.511.612.7 21 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 能力得到提高， 围岩完整性变强。 图 2辅运大巷底板注浆锚索钻孔布置图 采用分次全长锚固 端部采用水泥灌浆锚固。灌 浆锚固长度 2000～3000mm， 预留第二次注浆张拉预 紧段。第一次灌注， 锚固锚索底端， 注浆压力 0。张拉 前第二次注浆， 注浆压力 2～3 MPa。 3.4顶帮预应力注浆锚索支护 图 3辅运大巷浅部注浆钻孔布置图 为减小辅运大巷顶帮围岩变形， 对顶帮进行预应 力注浆锚索支护， 起到注浆及支护双重效果效果。所 用顶帮注浆锚索型号 SKP22/1- 1720- 6300， 锚索沿拱 型断面均匀布置 5 个，排距 3000mm，钻孔间距 3000mm。 顶帮注浆锚索布置如图 3。 围岩裂隙发育程 度能够影响注浆压力对注浆效果， 注浆压力 3～5MPa 较为适宜， 当漏浆严重时， 应适当降低注浆压力。 注浆 后顶帮破碎围岩裂隙被填充，顶帮形成一个整体， 承 载能力得到提高。 3.5顶帮预应力注浆锚索支护 在高压注浆工程完成一周后， 对辅运大巷顶帮围 岩进行预应力注浆锚索补强支护施工。 所选用强力注 浆锚索型号为 SKP22/1- 1720- 7300。 顶帮锚索采用树 脂端部锚固， 三支锚固剂， 一支规格为 MSK2335， 另 两支规格为 MSZ2360，树脂锚固长度为 1970mm， 其 余部分采用水泥浆锚固[7]。预应力注浆锚索沿巷道断 面， 布置在原有的两排锚索之间， 排距 2000mm， 间距 2000mm。注浆封孔水灰比为 0.71。巷道顶帮锚索布 置如图 4。 图 4辅运大巷注浆锚索钻孔布置图 4矿压观测规律 4.1巷道围岩垂直应力分布 从图 5 可以看出， 采取注浆措施后， 浅部围岩承 载能力明显在增加，围岩应力显著提高，能够承载 20MPa 应力。 注浆后再进行锚注有效传递了锚杆 （索 ） 施加于围岩表面的预应力， 使深部围岩应力向浅部转 移，浅部应力升高了 5～10MPa，深部应力降低了 2～4MPa，有效阻断了 20m范围内深部围岩体的破碎 变形， 显著改善锚杆 （索 ） 对破碎围岩的支护作用。 图 5应力分布示意图 4.2巷道表面位移观测 采用十字布点法安设巷道表面位移监测断面。 在 顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻30mm、 深 400mm 的孔，将 φ32mm、长 400mm 的木桩打入孔 中。顶底板、 上下帮木桩端部安设测钉[8]。对辅运大 巷不同区域进行表现位移观测， 其变形量如图 6 所 22 ChaoXing （上接第 19 页 ） 3 ）效果考察表明， 通过该治理方式， 遗留空巷得 到有效填充加固， 工作面片帮、 冒顶得到显著控制， 实 现了工作面顺利回采。 参考文献 [1] 胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].煤炭科 学技术， 2012， 40 （11） 1- 5. [2] 孙万明， 刘鹏亮， 崔锋， 等.高水材料条带充填开采地表沉 陷主控因素分析[J].煤炭科学技术， 2013， 41 （12） 11- 14. 作者简介 张炎朝 （1990-） ， 男， 山西霍州人，2015 年毕业于安徽理 工大学， 工学学士， 目前在霍州煤电霍宝干河煤矿掘进五队 工作， 从事采掘和安全管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 1- 17） 示。 （a ） 两帮位移量 （b） 底鼓量 （c ）顶板下沉量 图 6支护方式与围岩变形的关系 可以看出， 图中单纯锚索支护， 巷道最大两帮位 移量 693mm， 底鼓量 286mm， 顶板下沉量 249mm； 在 使用注浆的基础上再进行锚索补强的支护方式以后， 巷道两帮位移量最大为 174mm、底鼓量最大为 80mm、 顶板下沉量最大为 184mm， 与单纯锚索支护 相比， 两帮位移量、 底鼓量、 顶板下沉量最大值分别下 降 81.7、 72、 36.1， 变形量明显减小， 巷道支护质 量明显提升。 5结论 针对高应力动压影响巷道，浅部围岩破碎严重， 首先应采用高压注浆加固技术， 提高浅部围岩承载能 力，深部应力向浅部转移，浅部围岩应力能够达到 20MPa 应力以上， 深部应力降低 2～4MPa， 破碎围岩形 成完整结构体。 在此基础上采取强力锚索支护能够充 分发挥锚索与注浆后围岩的相互作业， 大大改善巷道 围岩性质， 提高围岩强度， 确保加固后的巷道围岩稳 定， 巷道围岩变形量能够减少 60以上， 巷道加固质 量和效果大幅提高， 有效延长了巷道使用时间。 参考文献 [1] 康红普， 王金华， 林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析 [J].岩石力学与工程学报， 2010 （4） 649－664. [2] 侯运炳,高振亮,于辉,赵云轩,陈林林. 屯兰矿软岩巷道锚 网索联合支护技术研究[J]. 中国矿业. 201411 [3] 余伟健， 吴根水， 等.薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特 征与稳定控制[J].煤炭学报， 2018 （11） . [4] 赵帅.大埋深高地应力矿压治理的技术实践[J].江西煤炭 学报， 2018 （11） . [5] 杜金顿. 强动压影响回采巷道锚网索平衡支护技术研究 [J].山东科技大学学报， 2017 （5） . 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