断层破碎带巷修注浆加固技术

兰永伟,　李凤义

(1.东北大学 资源与土木工程学院, 沈阳 110819;2.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院), 哈尔滨 150027)



断层破碎带巷修注浆加固技术

兰永伟1,2,李凤义2

(1.东北大学 资源与土木工程学院, 沈阳 110819;2.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院), 哈尔滨 150027)

为了完善断层破碎带巷道维修方法,以注浆加固理论为基础,通过注浆材料配比实验,分析不同体积配比条件下,水泥水玻璃与凝固时间、抗压强度的关系,确定水泥水玻璃体积比为1 ∶0.4的注浆加固最佳配比方案。根据现场实际情况,提出了利用注浆加固技术、U型钢梁棚和喷射混凝土相结合的巷道维修方案,成功解决了现场问题。该研究对于类似矿井的断层破碎带巷道维修具有借鉴意义。

断层; 破碎带; 巷道维修; 注浆加固

断层破碎带应力分布比较复杂,易形成高应力集中区,围岩非常破碎且极易垮落,在巷道掘进过程中极易片帮冒顶[1-2],巷道形成以后由于断层破碎带的影响,受力大,变形显著。因此,断层构造带巷道支护及维修技术一直是煤矿行业研究的难点和重点。目前,围岩控制技术的关键是,通过一定的手段改善围岩的状态,充分利用围岩自身的强度保持支护系统的稳定性。注浆作为改善岩土状态的重要技术,能够在原位对岩土体进行加固和改性,使一定范围内的岩体成为支护结构不可分割的一部分,从而充分利用岩体本身的强度,较好地解决一些岩土工程稳定问题，因此，在岩土工程界得到广泛运用[3]。注浆技术能够有效控制围岩变形,显著改善支护效果,20世纪80年代以来,在煤矿软岩巷道维护中的应用也受到关注。

目前,断层破碎带常用的维护方法有“锚、网、W钢带”联合支护、锚网梁索、全长锚固注浆锚索支护[4-6]等。笔者采用注浆加固技术,通过对注浆材料水泥和水玻璃不同配比的实验研究,得出了最佳配比方案,并结合某矿断层破碎带巷道维修现场实际情况,应用该注浆配比提出了合理的支护注浆方案,其结果对类似矿井具有理论意义和实际应用价值。

1　注浆加固原理及水泥水玻璃配比实验

1.1注浆加固破碎煤岩体原理

破碎煤岩的注浆加固过程中,浆液在泵压的作用下挤压或渗透到破碎煤岩的裂隙中去,浆液固结后,以固体形式充填在裂隙中并与岩体固结。这些充填的材料在岩体内形成新的网络骨架结构,注浆后的岩体增加了由加固材料形成的浆脉。浆脉在岩体中呈薄厚不一的片状或条状,但均相互联系形成网络骨架,网络骨架内侧则是均匀密实的岩体,形成网络骨架的充填材料具有较好的弹性黏结强度。注浆可以提高围岩的物理力学性质,使得围岩自身强度提高,承载能力加强[7]。

1.2水泥水玻璃配比实验

注浆材料大体分为无机系和有机系两大类,而在日常使用中,一般又分为水泥浆材和化学浆材两大类。水泥浆材结石体强度高、造价低廉、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单,是使用量较大的浆材。综合考虑煤矿经济效益,选取水泥浆材作为主要充填原料。

水泥-水玻璃浆液是以水泥和水玻璃为主剂,两者按一定的比例以双液方式注入的注浆材料。这种浆液可以克服单液水泥浆的凝结时间长、不易控制、结石率低等缺点,提高水泥注浆的效果,扩大水泥注浆的适用范围。注浆过程中,当希望浆液渗透或扩散半径(或距离)较大时,要求浆液的凝结时间或凝胶时间(t)足够长。当有地下水运动时,为防止浆液过分稀释或被冲走,要求浆液在注入过程中速凝。另外,在加固工程中,为减少瞬时沉降,也希望缩短水泥浆液的凝结时间。水泥、水玻璃体积比(Vc∶Vs)不同所得的单轴抗压强度、凝胶时间不同。现场要求浆液既要满足强度要求又要缩短凝固时间,为了满足以上这些条件,在实验室进行了多次配比实验,令水泥浆中水泥与水的质量比为1 ∶0.6,矿压强度为单轴抗压强度,具体结果见表1。

表1水泥水玻璃浆液配比实验结果

Table 1Experiment result of cement-water-glass material ratio

Vc︰Vst/sσc/MPa3d7d1∶0.1101.7102.651∶0.2201.8362.961∶0.3301.9483.501∶0.4354.39010.601∶0.5353.9608.701∶0.6423.5008.151∶0.8420.8975.20

从表中可以得出,水泥水玻璃体积比不同,凝胶时间和抗压强度也不同,综合考虑凝胶时间及抗压强度,选择水泥水玻璃体积比为1 ∶0.4的配比方法较合理。

2　工程概况及注浆方案

2.1工程概况

某矿二水平九采回风巷遇到F5(67)断层,断层落差较大,巷道在掘进时由于顶板破碎,采用挂网、U型钢、铁道刹顶、喷浆等多种支护方式,勉强达到支护要求。在巷道使用过程中,由于断层影响,巷道变形较大,虽经多次巷道维修,但效果不理想,导致巷道断面由原规程的3.5 m(宽)×2.8 m(高),缩减为目前的2.5 m(宽)×2.2 m(高)。相比之下巷道围岩变形较大,顶板随时都有冒落的可能,同时由于断面减小,矿井回风速度受到严重影响,威胁矿井生产及人员安全。

2.2注浆方案

2.2.1注浆孔布置方案

为了防止巷道继续变形及冒顶事故的发生,结合矿井工程地质资料分析该巷道遇断层冒顶及片帮段情况,采取以预注浆加固技术为主,结合原有巷道U型钢梁棚的支护方式。巷道断面注浆孔布置如图1所示。

具体参数如下:在巷道断面每排平均布置5个孔,孔与孔之间间距不大于1.2 m;排距为1.5～2.0 m;打孔时如果遇到硬岩,孔深最少保证2.5 m,超过2.5 m后遇到硬岩,即可停止;如果在打孔过程中一直未遇到硬岩,孔深为5.5 m即可;两帮靠近底板的孔不得超过底板1.5 m,并且尽量保证孔与底板夹角越小越好或者与底板平行。

图1　巷道注浆孔断面

2.2.2注浆工艺

首先按照注浆孔断面布置要求,打设注浆孔,然后将封孔器与注浆管一同插入钻孔,并固定封孔器,再将注浆接头连接到注浆管上,启动注浆泵,通过观测注浆效果来控制注浆泵的开停,停泵后及时撤下连接头,然后进行下一组注浆。为了提高注浆速度,可以先后给几个注浆孔安装注浆管和封孔,然后统一注浆。工艺如图2所示。

图2　注浆系统

注浆管直径为50 mm,长分别为1、2 m。1 m管四周不打眼,以保证浆液在此段不扩散,用在最外端,便于后期巷道挑顶、扩帮;2 m管四周打眼便于注浆充分扩散,用在注浆孔深部,以满足巷道断面成形的需要。

注浆时严格按照浆液配比,采取先控制巷道两帮,再集中巷道顶板的方式进行,完成帮部注浆后再进行拱部注浆以加固断层冒落区深部岩层,并以此为一个注浆循环。在注浆过程中,要时刻观察注浆孔附近顶板、帮壁情况,如果有浆液从帮壁或顶板渗出,立即将注浆泵风量调小,减小注浆压力,并用棉纱封堵顶板及帮壁的渗液孔,然后继续正常注浆。注浆孔中所注入的浆液量根据现场注浆情况而定,一般至注浆孔注满为止。完成一个循环后重复以上操作进行第二个循环。

2.2.3注浆设备

注浆所用机具以注浆泵为主,按注浆泵的浆液混合方式分单液注浆和双液注浆。单液注浆是指所有注浆材料经充分混合反应后,用单液注浆泵压注到岩体中的注浆过程。双液注浆是指两组分注浆材料分别置于注浆泵的两个料桶中,再压注到岩体的过程中进行混合反应的注浆过程。结合井下实际情况,采用锚注施工注浆泵,根据浆液配比的要求,使用QZB-50/60型气动双液注浆泵和气动水泥浆搅拌罐。供风压力为0.5～6.0 MPa,便于注浆压力调整,以有效控制浆液的扩散半径。

2.2.4辅助施工

注浆液在一定时间后强度才能达到要求,结合实验设定为3 d,3 d以后方可进行原巷道U型钢梁棚拆除工作。为了保证安全,拆除钢梁棚时,必须彻底拆完一架之后,架设好一架,并进行挂网,与此同时,进行开帮、挑顶。巷道断面为3.5 m(宽)×2.8 m(高),保证矿井通风要求。

距离U型钢梁棚架设及挂网完毕位置10 m后,喷射一层柔性混凝土,封闭围岩,防止围岩表面风化。

3　注浆效果分析

注浆施工前二水平九采回风巷围岩变形和破碎严重,如图3a所示。按照注浆支护方案,注浆后巷道围岩得到加固,如图3b所示。破碎巷道在注浆加固后,断面得以有效扩大,巷道内通风速度由7.27 m/s减小为4.71 m/s,满足了现场通风要求,注浆后效果明显。

现场跟踪观察结果表明,断层冒落区已注浆完毕的巷道顶板围岩稳定,岩体在浆液的作用下已被填充并黏结成为一体,整体性较好,而且二水平九采回风巷原有淋水的位置显著减少,说明该浆料在填充裂隙的同时起到了很好的隔水作用,这也在一定程度上提高了顶部岩层强度。

通过注浆封堵了围岩的裂隙,隔绝了空气,防止围岩风化,提高了围岩自身强度。注浆管注浆后相当于全长锚固锚杆,将松散破碎的围岩胶结成整体,从而将多层组合拱联成一个整体,共同承载,提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量,从而提高了岩体强度。注浆后裂隙得到充填,围岩完整性提高,这样保证荷载能均匀地作用在岩体和支架上,避免出现应力集中点而首先破坏。

图3　注浆前后巷道

注浆使得支护结构面尺寸增大,围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩减小,从而降低了支护结构中产生的拉应力和压应力,因此，提高了支护结构的承载能力,扩大了支护结构的适应性。

4　结　论

通过实验研究水泥和水玻璃最佳配比,并结合工矿断层破碎带巷道实际情况,应用围岩注浆加固技术进行巷道修复,得到如下结论:

(1)水泥水玻璃浆液体积比不同,凝胶时间不同。在浆液体积比一定的条件下,凝固后的浆液物的抗压强度随着时间增大而增大。水泥水玻璃体积比为1 ∶0.4的配比方法较合理。

(2)在断层破碎带巷修时,帮顶注浆孔注浆一定要注意先后顺序,先注帮孔,最后注顶板孔,这样有利于注浆稳固带从下到上形成,便于控制浆液扩散半径。

(3)注浆管长度可以根据巷道断面加工成长短不等的几种,短的注浆管壁四周不打浆液扩散小眼,安设时装在钻孔外部,这样有利于挑顶扩帮,保证巷道断面的要求。注浆管直径可以根据巷道破碎情况设定,破碎严重时其直径可以增大,反之减小。

(4)从现场注浆情况来看,注浆孔间距应不大于1.2 m,排距为1.5～2.0 m,这样一方面保证了浆液充分扩散,另一方面也不因孔间排距太小多打孔,而影响经济效益。

[1]金国庆, 柏跃杨. U型钢可缩性支架壁后充填-锚注耦合支护技术研究[J]. 现代矿业, 2006(6): 115-117.

[2]李桂臣. 软弱夹层顶板巷道围岩稳定与安全控制研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2008.

[3]陈金宇, 杜泽生. 煤矿巷道维修中注浆对初次支护的作用分析[J]. 煤炭科学技术, 2011, 39(10): 11-13, 17.

[4]王兰锋. “锚、网、W钢带”联合支护在顺槽过断层施工中的应用[J]. 煤矿现代化, 2009(6): 25-26.

[5]孙传军, 郑思达. 锚网梁索支护在煤巷过断层中的应用[J]. 煤炭技术, 2007, 26(10): 52-53.

[6]郝晓亮, 孙增飞, 陈大广, 等. 全长锚固注浆锚索在巷道过极易破碎大断层支护中的应用[J]. 煤炭工程, 2010(6): 24-26.

[7]邹光华, 张凤岩, 宋彦波. 巷道过含水断层破碎带的注浆加固技术[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(6): 50-53.

(编辑荀海鑫)

Grouting reinforcement technology for mine roadway repair in fault fracture zone

LANYongwei1,2,LIFengyi2

(1.School of Resouce & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at improving mine roadway repair in fault fracture zone, this paper, building on grouting reinforcement theory and the experiments of grouting material ratio, presents an analysis of the relation between the geling time and cement-water-glass in different volume ratio conditions, and an analysis of the relation between the compressive strength and cement-water-glass in different volume ratio conditions. The paper features the best volume ratio of cement-water glass of 1 ∶0.4 for grouting reinforcement, offers the mine roadway repair scheme tailored to the grouting reinforcement by combining U-shaped shed with shotcrete according to the practical conditions, and provides a better solution to on-site problems. The research has reference to repairing similar mine roadway with fault fracture zones.

fault; fracture zone; mine roadway repair; grouting reinforcement

1671-0118(2012)06-0577-04

2012-11-05

兰永伟(1974-),男,山西省原平人,讲师,硕士,研究方向:矿山压力及控制,E-mail:lanboboy@163.com。

TD353

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