松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究.pdf

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ZHI Guanghui,LIU Shaowei,HE Deyin,et al. Experimental study on the integration of drilling-sealing-injection of soft and broken coalJ. Journal of China Coal Society,2021,4672268-2280. Experimental study on the integration of drilling-sealing-injection of soft and broken coal ZHI Guanghui1,LIU Shaowei1,2,HE Deyin1,FU Mengxiong1,JIA Lianxin3 ,ZENG Deguo3,YU Tao4 1. School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2. State Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean-Efficiency Utilization,Jiaozuo 454000,China; 3. Shendong Coal Branch Company,Shenhua Energy Company Limited,Shenmu 719315, China; 4. Xinzheng Coal Electricity Zhengzhou Coal Industry Group,Xinzheng 451100,China Abstract The mining roadway in the three-soft thick coal seam of Zhaojiazhai Mine is an anchor-net supported whole coal roadway,and the soft and broken surrounding rock sections are often encountered in the process of roadway exca- vation. Under the surrounding rock conditions,the key problems are common,such as poor anchor hole ation quali- ty,serious hole collapse and low anchoring force. In order to effectively solve the support problems and improve the support effect of severely damaged local sections,a drilling-sealing-injection integrated grouting bolt was developed. U- 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期支光辉等松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究 sing a combination of theoretical analysis,laboratory experiments and field tests,the anchoring mechanism,grouting effect and anchoring perance of the drilling-sealing-injection integrated grouting bolt were analyzed. The research results show that the drilling-sealing-injection integrated grouting bolt has a better effect of grouting and sealing,which can reduce the grouting and strengthening process of soft and broken coal roadway and speed up the construction pro- gress. During the drilling process of soft and broken surrounding rock,the vibration response characteristics of the grouting bolt are quite different. Based on this,the coal body conditions can be discriminated,which can be used for the design of grouting parameters and provides a theoretical basis for the differential grouting of roadway surrounding rock. Laboratory ultrasonic non-destructive testing on grouting effect shows that the grouting bolt can effectively achieve the grouting of loose and broken coal bodies,and the slurry diffusion effect is good,indicating that the grouting bolt can achieve a good effect of grouting reinforcement for surrounding rock. The pullout test results of grouting bolt show that under soft and broken surrounding rock conditions,the anchoring force of the grouting bolt is increased by about 36. 40 compared with the resin bolt,indicating that the grouting bolt can play a better anchoring effect on the surround- ing rock. The above research results show that the drilling-sealing-injection integrated grouting bolt can significantly simplify the grouting and reinforcement process of the soft and broken coal roadway. At the same time,it can play a better anchoring effect on the surrounding rock of the soft and broken coal roadway. Key wordssoft and broken surrounding rock;drilling-sealing-injection integrated grouting bolt;grouting reinforce- ment;vibration response characteristics;non-destructive testing of grouting effect 我国地域辽阔,煤炭赋存条件复杂多样,“三软” 煤层广泛分布于我国许多矿区,资源总储量十分丰 富。 由于 “三软”煤体黏聚力低、强度低、承载能力 差,顶底板岩层条件差,巷道围岩松软破碎程度高等 问题,给巷道围岩支护带来了不少难题1-2。 为解决 高应力软岩巷道破坏严重、巷道变形量大和支护困难 等问题,锚网索耦合支护、围岩注浆及底板锚索等方 法被提出,并取得了良好的支护效果3-7。 强帮强角 支护技术的提出和应用,有效提高了松软破碎巷道围 岩帮部和角部稳定性,提高了顶板支护效果8-10。 针 对软弱围岩煤巷支护难题,以注浆为核心的锚注加高 强度锚杆锚索围岩控制方式,有效控制了煤巷围岩的 变形和破坏11-14。 针对动压影响下软岩巷道围岩破 碎、变形严重等问题,通过对围岩变形破坏特征分析, 提出了以围岩注浆改性为基础,并配合锚网联合支 护,有效控制动压影响下围岩的变形破坏15-17。 针 对软岩巷道围岩大变形及巷道支护存在问题,结合相 关现场监测结果提出了分步联合支护措施,充分考虑 了各种支护措施的时空关系,提高了围岩控制效 果18-19。 为有效解决高地压破碎软岩巷道大变形和 支护失效问题,提出了恒阻让压支护技术,该技术的 应用降低了巷道围岩变形量,有效增强了“三软”巷 道围岩稳定性20-22。 针对多类型特定条件下的现场支护难题,相关学 者开展了丰富且有效的研究,为松软、破碎等困难条 件下围岩控制提供了有效的技术或方法,为巷道围岩 控制技术的发展做出了重要贡献。 同时,可看出上述 研究几乎都以改善围岩条件,加大支护强度为主线, 围岩注浆在上述相关研究中被广泛应用。 对于松软、 破碎等一些困难条件成孔、封孔及注浆等问题有较大 的研究空间。 因此,针对赵家寨矿“三软”煤层巷道围岩局部 松软破碎严重,锚固孔成孔困难及锚固力低下、注浆 封孔效果差等问题,拟研发一种钻封注一体化注浆锚 杆,以简化松软破碎煤巷注浆及锚固流程,实现对松 软破碎围岩改性,增强巷道煤体可锚性,从而有效解 决松软及破碎煤体锚固的瓶颈问题。 1 钻封注一体化锚杆设计及其锚固机理 1. 1 钻封注一体化注浆锚杆设计 针对“三软”煤层巷道围岩局部破碎程度较高、 锚固孔成孔困难、锚固力低下等特点,研发了一种钻 封注一体化注浆锚杆,相较于已有注浆锚杆等相关产 品,该注浆锚杆集锚固孔钻进、封孔、注浆及锚固等工 序为一体,简化了松软及破碎围岩的加固和支护施工 流程,钻封注一体化注浆锚杆主要结构如图 1 所示。 该注浆锚杆主要由四翼注浆钻头、端部缠绕铁 丝、封孔橡胶圈、预紧套管、预紧螺母等结构组成。 具 有下述特点 针对松软破碎煤巷围岩,四翼注浆钻 头可一次性完成煤体的钻进及注浆加固等工序; 杆体尾部设置有一段螺纹结构,杆体下部一定范围内 交替安装封孔橡胶圈和垫片,套上预紧套管后再拧紧 预紧螺母,封孔橡胶圈在挤压的作用下,将发生径向 变形,充满杆体和孔壁之间的空间,实现注浆封堵; 9622 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 图 1 钻封注一体化注浆锚杆结构 Fig. 1 Grouting bolt structure of integration of drilling-sealing- injection 在注浆加固后,将注浆锚杆保留在围岩内,由于浆液 对杆体的黏结作用,充当锚杆发挥对围岩锚固作用; 注浆锚杆可根据煤巷围岩松软破碎范围进行接 长,以适应不同松软破碎范围的注浆加固。 1. 2 钻封注一体化注浆锚杆锚固机理 1. 2. 1 钻封注一体化注浆作用机理 注浆加固作为一种强化巷道围岩强度的有效方 法,通过注浆可有效的提高松软及破碎围岩的整体性 及围岩自身的承载及稳定能力,为后续的锚杆支护施 工提供一个良好的围岩条件。 其作用机理主要包括 注浆液形成的胶结体可封堵松软、破碎煤体裂隙, 增强松软及破碎围岩完整性,从而防止围岩自身强度 的降低; 注浆对煤岩体中的裂隙进行充填密实,避 免了松软破碎煤体内部在承载过程中出现应力集中, 改善了松软煤岩体的破坏机制; 在较大注浆压力 作用下,浆液渗入煤岩体深部裂隙中,形成的胶结结 构作为新的围岩结构,使松软及破碎煤岩体具有较高 的残余强度,防止煤岩内部裂隙的进一步扩展。 1. 2. 2 钻封注一体化注浆锚杆锚固界面力学特征 水泥浆液作为松软、破碎煤体注浆常用注浆液, 浆液凝固之后,水泥注浆液将孔壁围岩与杆体黏结在 一起,钻封注一体化注浆锚杆将对围岩发挥支护作 用。 注浆时浆液向四周放射性扩散,围岩内部将形成 类似于图 2 所示“拳头”状扩散区域,该区域内钻孔 附近煤体将被加固为密实的整体,形成的加固且密实 煤体形状可简化为楔形锚固结构,在浆液黏结作用下 与锚杆共同加固围岩。 根据该区域锚杆锚固界面特 点,可将钻封注一体化注浆锚杆的锚固分为 2 种类 型,分别为正常柱面锚固段和顶端楔形锚固段。 根据 锚固界面形状的变化,注浆锚杆锚固段受力特点可简 化为图 2 所示的受力状态。 图 2 锚固界面受力示意 Fig. 2 Schematic diagram of the stress at the anchoring interface 锚杆的锚固力不仅和水泥浆液与锚杆及孔壁的 黏结力有关,同时还与水泥浆液与围岩体之间的支撑 力有关23,此时钻封注一体化注浆锚杆锚固力 PL为 PL P 1 P 2 1 式中, P1为水泥浆液与孔壁之间的黏结力,kN; P2为 围岩对水泥浆液固结体的支撑力,kN。 参照已有研究24,PL的具体表达式如式2所 示 PL s dq1l1 D q2l2 2cD2- d2 2 其中, D 为正楔形锚固结构直径,mm; d 为正常柱面 锚固段钻孔直径, mm; l1为正常柱面锚固段长 度,mm; l2为楔形锚固段长度,mm;q1,q2为围岩体与 锚固体的极限摩阻力标准值,kN; c 为楔形锚固段水 泥浆液黏聚力标准值; s为锚杆轴向受拉抗力分项 系数。 式2仅为一种钻封注一体化注浆锚杆锚固 力理论计算的参考方法。 2 钻封注一体化注浆锚杆工作效果检测实验 方案及测试仪器 2. 1 实验方案及主要内容 为分析钻封注一体化注浆锚杆在不同的围岩 条件下的工作特征及效果,在实验室分别建立松软 煤体和破碎煤体两种相似模型,以较真实地模拟钻 封注一体化注浆锚杆不同的现场工作条件。 实验 所采用的注浆锚杆图 3总长为 2 080 mm,总钻进 深度为 1 795 mm。 在 2 种相似模型基础上,应用钻 封注一体化注浆锚杆进行钻进、封孔及注浆等操 作,以分析注浆锚杆的工作特征和注浆效果,具体 实验方案见表 1。 2. 2 主要测试仪器 2. 2. 1 钻进过程杆体振动特征监测仪 为分析钻封注一体注浆锚杆,在松软和破碎煤体 0722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期支光辉等松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究 图 3 实验用钻封注一体化注浆锚杆整体示意 Fig. 3 Schematic diagram of drilling-sealing-injection integrated grouting bolt for experiments 表 1 实验方案 Table 1 Experimental scheme 方案实验条件实验内容实验目的 A破碎煤体 注浆锚杆钻进振 动信息监测; 注浆效果及范围 低频超声探测 分析注浆锚杆破碎煤 体钻进过程振动特征; 分析注浆效果及范围 B松软煤体 注浆锚杆钻进振 动信息监测; 注浆效果及范围 低频超声探测 分析注浆锚杆松软煤 体钻进过程振动特征; 分析注浆效果及范围 钻进过程中的振动特征,采用 TC-6850 型网络测振 仪,对钻进过程中的振动信息进行采集。 该仪器最主 要特点就是可通过无线 WiFi 网络实现振动数据的传 输,避免了使用有线传输数据造成不便的问题,测振 仪如图 4 所示。 2. 2. 2 注浆效果及范围探测仪 为检测钻封注一体化注浆锚杆注浆效果,采用低 频 超 声 波 扫 描 仪 EPCLtd, Hong Kong, China, A1040-MIRA。 该仪器可用于查找混凝土、钢筋混 凝土、天然石材中的异物、空洞、孔洞、分层、填充不密 实和裂缝,自动生成 2 维或 3 维图像,并将内部情况 直观地展示出来。 实验中煤体与浆液凝固体有较大 区别,超声波会于浆液扩散区域出现较强反射,因此, 可用于检测浆液扩散效果,从而判别浆液扩散范围, 低频超声波扫描仪及工作原理如图 5 所示。 3 模型构建及实验过程 3. 1 相似模拟模型制作 在自主设计的试验装置上构建相似模拟模型,模 型按破碎煤体和松软煤体 2 种情况进行铺设。 根据 现场调研回采巷道松软和破碎煤体的赋存情况,通过 图 4 TC-6850N 网络测振仪 Fig. 4 TC-6850N network vibration measuring instrument 图 5 A1040-MIRA 型低频超声波探测仪 Fig. 5 A1040-MIRA low frequency ultrasonic detector 在相似模型箱内填充粒径为 0. 53. 0 mm 的煤屑模 拟松软煤体,填充粒径为 80100 mm 的块煤模拟破 碎煤体,铺设完成并压实后的相似模型如图 6 所示。 3. 2 钻进过程振动信息监测 通过分析钻封注一体化注浆锚杆,在不同煤体钻 进时的振动特征所表现的差异,完成煤体状态识别和 判定,为后期注浆参数的确定提供指导,以实现依据 不同煤体破碎程度,进行差异化注浆,改善围岩注浆 1722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 加固效果的目的。 注浆锚杆钻进采用矿用手持式锚 杆钻机提供动力,钻机转速保持在约 300 r/ min,风压 恒定在 0. 8 MPa,实验过程中对注浆锚杆钻进时的振 动信息进行采集,实验过程如图 7 所示。 3. 3 注浆加固实验过程 根据钻封注一体化注浆锚杆设计特点及研究内 容,为实现对煤体的注浆加固,钻进过程完成后,通过 锚杆尾部注浆口对松软及破碎煤体进行注浆加固。 注浆材料选用标号为 425 号的普通硅酸盐水泥,按照 水灰质量比为 1 2 进行混合搅拌,注浆初期水灰比 略大于该比例,以使浆液较稀,能有更好的扩散效果, 注浆过程如图 8 所示。 3. 4 超声波无损检测注浆效果 根据超声波探测仪工作原理,为了检验注浆效 果,检测过程分 2 次进行,注浆前测试,待注浆结束 24 h 后,对其进行第 2 次探测。 测点布置及煤体测点 划分如图 9 所示。 待测煤体顶部划 分 为 25 个 500 mm500 mm 正方形网格,并对划分的网格进行 标号,由于 CE 行区域为注浆锚杆浆液出口所在位 置,因此该区域为重点探测区域。 图 6 松软和破碎煤体相似模型 Fig. 6 Similar model laying of soft and broken coal 图 7 钻进过程振动信息采集 Fig. 7 Vibration ination collection during drilling 图 8 注浆实验过程 Fig. 8 Process of grouting experiment 4 实验结果 4. 1 钻进过程中注浆锚杆振动特征分析 根据振动机理,在杆体较长条件下,注浆锚杆纵 向振动更为明显,因此着重分析不同粒径煤体条件下 纵向振动特征,为后期根据注浆锚杆振动特征判别煤 体完整程度,进行差异化注浆提供理论依据,实验测 得的纵向振动加速度曲线如图 10 所示。 2722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期支光辉等松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究 图 9 超声波测试测点划分 Fig. 9 Division of ultrasonic test points 图 10 A,B 组钻进过程中纵向振动加速度曲线 Fig. 10 Curves of longitudinal vibration acceleration during drilling of group A and B 如图 10a所示,锚杆在破碎煤体内钻进时,A 组 1 号及 2 号钻孔钻进时长相差不大,约 50 s,注浆 锚杆的纵向振动加速度值一般较小且较接近,在- 11 m/ s2波动。 图 10b中,B 组 1 号及 2 号钻孔 钻进时长也相差不大,均在 10 s 左右,时间远小于 A 组注浆钻孔。 同时 B 组 1 号及 2 号钻孔注浆锚杆 的纵向振动加速度值均较大,说明 B 组 2 孔的纵向 振动加速度曲线波动变化更加明显。 为进一步明 确 2 种煤体中注浆锚杆的振动特征,将 A,B 组注浆 锚杆纵向振动加速均值、标准差以及峰值点密度汇 总于表 2。 由表 2 可知,A 组实验 1 号及 2 号注浆锚杆纵向 振动加速度最大值均为 5. 39 m/ s2, 均值分别为 0. 212 m/ s2和 0. 184 m/ s2, 标准差分别 0. 393 和 0. 404,峰值点密度分别为 0. 96 和 0. 91 个/ s;B 组实 验 1 号及 2 号注浆锚杆纵向振动加速度最大值分别 为 186. 20 m/ s2和 107. 80 m/ s2, 均 值 分 别 为 42. 716 m/ s2和 23. 962 m/ s2,标准差分别 35. 777 和 21. 388,峰值点密度分别为 1. 50 和 1. 30 个/ s,其中 标准差越大,说明加速度值相对于加速度均值的偏离 程度越明显,振动情况越剧烈,峰值点密度表示加速 度曲线在单位时间内产生波峰及波谷的数量,峰值 3722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 表 2 注浆锚杆纵向振动加速均值、标准差以及峰值点密度 Table 2 Mean acceleration,standard deviation,and peak point density of longitudinal vibration of grouting bolt 方案 最大值/ ms -2 均值/ ms -2 标准 差 峰值点密度/ 个s -1 A 组 1 号5. 390. 2120. 3930. 96 2 号5. 390. 1840. 4040. 91 B 组 1 号186. 2042. 71635. 7771. 50 2 号107. 8023. 96221. 3881. 30 点密度越大,则表明波峰与波谷数量越多,振动程度 越剧烈。 对比发现,B 组注浆锚杆纵向振动加速度标 准差及峰值点密度远大于 A 组,表明 B 组注浆钻 孔钻进过程中注浆锚杆的振动剧烈程度远高于 A 组 注浆锚杆。 综合以上分析,注浆锚杆在松软煤体和破碎煤体 注浆钻孔钻进过程中,振动特征具有较大差别,在松 软煤体中钻进时纵向振动加速度值及振动剧烈程度 远大于破碎煤体。 实验结果表明,注浆锚杆在不同煤 体内钻进时振动特征存在较大差异。 因此,可通过注 浆锚杆钻进时振动特征判别煤巷围岩结构状态,进行 针对性注浆参数设计,实现差异化注浆。 4. 2 超声波无损检测注浆实验结果分析 4. 2. 1 破碎煤体注浆效果低频超声探测实验 破碎煤体A 组注浆前后获取的超声波探测图 像如图 11 所示。 图 11 D 行测点注浆前后超声波反射情况 Fig. 11 Ultrasonic reflection before and after grouting at line D 如图 11 所示,对比注浆前后 D 行 5 测点所测得 的超声波反射对比云图发现,注浆前煤体内部各测点 超声波反射均不明显,无明显强反射区域,说明铺设 后的模型煤体内部结构较为均匀。 注浆 24 h 后 D 行 5 测点均出现超声波反射增强区域,该区域深度较 大,最大达到了 600 mm如 D4,D5 测点,表明测试 煤体内部出现了结构密实的物体,同时也表明浆液扩 散半径至少达到了 600 mm。 4722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期支光辉等松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究 另外,通过对各测点反射超声波振幅进行提取统 计,获得了注浆前后 CE 行测点超声波反射平均振 幅,如图 12 所示。 如图 12 所示,注浆前 CE 各测点超声波振幅相 差不大,振幅曲线波动范围较小,基本均在 55 70 dB, 反 射 超 声 波 平 均 值 分 别 为 64. 7, 63. 4, 61. 1 dB。 注浆后 CE 行测点反射超声波平均值分 别为 65. 1,77. 5,68. 0 dB,较注浆前有了较大程度提 高,振幅增加区域均表明该位置处于浆液扩散区域, 同时受浆液扩散影响各曲线波动程度较大,振幅最大 值均出现在第 5 列处,实验结果表明注浆锚杆能够较 有效的将浆液注入破碎煤体内。 图 12 注浆前后 CE 行测点平均振幅 Fig. 12 Average amplitude of measuring points in C to E lines 4. 2. 2 松软煤体注浆效果低频超声探测实验 为了检验松软煤体相似模型注浆效果,采用同样 方法,对松软煤体相似模型在注浆前后进行超声波探 测,考虑到篇幅,超声波反射云图分布规律与破碎煤 体相似,这里不再赘述。 通过对各测点反射超声波振 幅进行提取统计,获得了松软煤体注浆前后 CE 行 测点超声波反射平均振幅,如图 13 所示。 如图 13 所示,与破碎煤体探测结果相似,注浆前 CE 各测点超声波振幅平均值相差不大,振幅曲线 波动程度也较小,基本均在 5070 dB,反射超声波平 均值分别为 61. 9,64. 8,62. 5 dB。 注浆后 CE 各测 点超声波振幅均较注浆前有所增加,反射超声波平均 值分别为 69. 70,67. 20,75. 22 dB。 此外,第 1,2,5 列 处测点平均反射振幅最大,表明该位置处于浆液扩散 区域,也说明注浆锚杆能够较有效的将浆液注入松软 煤体内。 上述对 2 种煤体注浆后超声波探测结果显示,注 浆后 2 种煤体超声波振幅均较注浆前均有所增加,说 明钻封注一体化注浆锚杆可将浆液有效注入煤体,且 在注浆过程封孔效果较好,未见浆液从孔口流出,该 注浆锚杆整体注浆效果达到预期。 因此,应用该注浆 锚杆可加快煤层巷道围岩注浆加固工作效率,有效改 善煤巷围岩条件。 5 钻封注一体化注浆锚杆现场试验 5. 1 试验巷道概况 基于理论分析及实验室研究结果,在赵家寨矿 12213 进风巷进行了钻封注一体化注浆锚杆现场工 程试验。 12213 进风巷所在的 12 采区位于滹沱背斜 轴部附近,地质条件较为复杂,受背斜影响煤层底板 起伏较大,顶、底板裂隙发育,在 12213 进风巷掘进过 程中,巷道围岩时常出现松软及破碎段,严重影响巷 道支护质量、制约巷道掘进速度。 12213 进风巷布置 于二1煤层中,临近 12211 工作面采空区,其与临近 巷道位置关系剖面示意如图 14 所示,二1煤层为当 前主采煤层,厚度最大达到 9. 1 m,平均厚度 6 m。 12213 进风巷断面形状为梯形,巷高为 3 400 mm,顶 部尺寸为 4 000 mm,底部尺寸为 5 400 mm,支护形式 为锚网索液压抬棚,锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢锚 杆,型号为 20 mm2 400 mm,间排距为 800 mm 5722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 图 13 注浆前后 CE 行测点平均振幅 Fig. 13 Average amplitude of measuring points in lines C to E before and after grouting 图 14 临近巷道位置关系剖面图 Fig. 14 Sectional relationship profile of adjacent roadway 800 mm, 锚索型号为 17. 8 mm 6 200 mm 或 17. 8 mm 8 200 mm, 间 排 距 为 1 100 mm 1 600 mm。 5. 2 试验方案及测点布置 根据 研 究 目 的, 在 12213 进 风 巷 610 m 和 735 m 附近布置试验测点,这 2 处围岩煤体条件分 别呈现破碎和松软状态,将其分别记为 A 组和 B 组。 在 2 试验测点进行