松散破碎围岩

松散破碎围岩（共3篇）

松散破碎围岩 篇1

0 引言

随着煤炭开采强度的不断增加, 巷道掘进与维护工程量日益增多。尤其当巷道所处围岩地质条件复杂时, 巷道掘进后围岩多处于松散破碎状态, 高围压状态下围岩积聚了大量变形能, 使得巷道围岩表现出初期变形速率快、整体收敛、四周来压及强烈变形等特点, 传统单一支护方式很难达到围岩稳定性控制的目的。因此, 加强针对松散破碎围岩巷道支护技术的研究, 对于提升矿山生产安全性具有重要意义[1]。

1 松散破碎围岩巷道破坏机理分析

借由对过去煤矿松散破碎围岩巷道破坏资料的分析研究, 可知影响松散破碎围岩巷道稳定性的因素主要有三点, 分别为构造应力、高应力与动压、岩性差异。

1.1 构造应力影响性分析

对于松散破碎围岩巷道, 地下构造应力是影响其稳定的重要因素, 特别是通过断层等特殊地质构造时, 过高的构造应力极易导致围岩裂隙的进一步发育, 从而加剧围岩破碎性, 导致作用于巷道围岩支护体的变形压力及松散压力增大, 从而提升了围岩塑性范围, 使得巷道围岩出现流变或泥化现象, 对支护体的稳定及井下生产安全造成严重影响[2]。

1.2 高应力与动压影响性分析

以埋深200 m的深部巷道为例, 其在上覆岩层重量的作用下产生的主应力根据式 (1) 可知为5 MPa:

式 (1) 中, σ为地应力, MPa;γ为上覆岩层平均质量, kg (地质实测可知通常为25 k N/m3) ;H为煤层埋深, m。

而深部巷道围岩的抗压强度多在25 MPa以上, 稳定系数多为0.5左右, 这时在静压作用下巷道多难以维持稳定状态。而当处于煤层回采期间, 巷道动压系数会远高于巷道稳定时的静压系数, 多介于1.5~2之间。由此可知, 对于绝大多数深部巷道围岩而言, 其在高应力及动压的影响下巷道很难依靠自身围岩强度保持稳定, 所以必须通过一系列加固手段提升巷道围岩整体强度, 使其力学性能获得大幅改变, 从而有效实现巷道围岩的长久稳定, 为安全生产奠定基础。

1.3 围岩岩性差异影响性分析

在导致松散破碎围岩破坏的诸多影响因素中, 围岩岩性差异对巷道稳定影响显著。根据专业调查统计显示, 若巷道修建于灰岩、砂岩等高强度岩层中, 其稳定性往往不易受外界因素 (动压、高应力等) 的干扰, 而当巷道处于页岩、砾岩等强度较低的岩层中时, 其稳定性则往往极易受到动压影响进而出现变形破坏[3]。

2 松散破碎围岩巷道常见支护工艺

对于高应力松散破碎围岩巷道, 为确保其生产的安全、稳定, 依据巷道破坏状况有两种常用的合理支护工艺, 即锚注预加固联合支护、锚喷注联合支护。现对两种方案进行具体叙述。

2.1 锚注预加固联合支护

对于已发生围岩完全破碎的巷道而言, 其必须重新掘进全新的巷道以替代已彻底损毁的巷道。而对于新掘巷道, 在进行初次支护时必须对原有支护参数进行全面修订, 对锚杆材质及长度进行重新设计并将锚杆同钢筋和金属网等进行联合使用, 从而形成完整的联合支护锚网带。同时, 在初次支护完成后还应及时对锚网带进行二次喷浆加固, 从而进一步增强围岩整体性与强度。通过上述2次联合加固后, 新掘巷道基本可有效承载外部动压的作用。最后施工作业人员还可依据实际情况补打一定量的注浆锚杆, 进一步加强巷道稳定性, 从而有效保障井下生产安全。

2.2 锚注预加固联合支护工艺

对于出现裂隙但尚未完全破坏的松散破碎围岩巷道, 可通过锚注预加固联合支护对其进行加固补救。首先, 通过喷浆作业对巷壁表层裂缝进行封堵并通过打入巷壁的注浆管对壁后破碎围岩进行注浆加固。在注浆作业完成后进一步使用树脂锚杆与注浆锚杆对巷道周边围岩进行全方位深部围岩注浆加固。同时, 针对发生破坏变形的巷道局部位置还应进行独立的二次加固, 从而确保锚杆、浆液及破碎围岩的完美结合, 使三者成为有机联合体, 真正有效实现对围岩稳定性的保护, 为进行安全生产提供保障[4]。

3 松散破碎围岩巷道支护实例分析

龙马煤业南轨道巷道开拓过程遇断层, 断层岩层主要为泥岩和细粒砂岩, 受构造应力和环境水影响, 围岩裂隙极度发育、破碎严重。巷道原支护采用架棚支护方式, 这种方式无法对周边围岩进行有效主动加固, 使得煤体受采动影响严重, 从而导致棚后的空帮、空顶现象频发, 围岩无法有效构成完整承载体, 巷道掘进过程中变形现象严重, 对井下生产的高效开展造成了严重威胁。鉴于此, 通过相关围岩支护理论的研究并结合龙马煤业南轨道巷道实际地质条件, 提出巷道喷锚注联合支护方案。

3.1 联合支护方案

a) 预注浆加固。工作面两帮分别布设两注浆孔, 注浆孔距顶 (底) 板和煤壁分别为500 mm与250 mm, 向巷帮内倾斜20°, 注浆孔孔深6 000 mm, 间距1 000mm, 孔径42 mm。钻孔注浆每3 200 mm (4个掘进循环) 为1次注浆循环;

b) 煤帮喷混凝土。向巷道两帮喷涂厚度10 mm左右的混凝土涂层, 对裂隙进行封堵的同时, 确保锚杆预紧力达标;

c) 锚带网锁联合支护。巷道断面为矩形断面, 尺寸4 200 mm×3 500 mm。顶板选用左旋螺纹钢锚杆、3 200 mm W型钢带及金属网实施联合支护。锚杆长度2 500 mm、直径20 mm, 配备直径28 mm的树脂药卷加长型锚固, 锚杆布设间排距为750 mm×800 mm, 共布设5根;锚杆长度2 500 mm、直径20 mm, 配备直径28 mm的树脂药卷加长型锚固, 锚杆布设间排距为800mm×600 mm, 共布设3根;巷道两帮选用右旋螺纹钢锚杆、2 800 mm M型钢带及金属网实施联合支护, 锚杆长度2 500 mm、直径20 mm, 配备直径28 mm的树脂药卷加长型锚固, 锚杆布设间排距为800 mm×600mm, 共布设4根;顶板依照五2- 1- 2的形式布设长锚索进行加强支护, 锚索长度8 300 mm、直径15.24 mm, 布设在钢带之间, 并配合托盘共同使用, 布设时锚索间排距1 600 mm×800 mm;

d) 锚杆注浆加固支护。在巷道顶板上每间隔3排螺纹钢锚杆布设1排注浆锚杆, 对煤体进行注浆加固。注浆锚杆长2 000 mm、直径25 mm, 注浆孔深2 000mm、孔径42 mm。同时在巷道两帮依照800 mm×3 200mm的间排距分布设3个注浆孔。

3.2 支护效果分析

依照方案进行支护作业后对巷道围岩变形进行检测, 图1为巷道围岩变形量示意图。通过图片分析可知, 通过支护作业, 巷道两帮及顶底板变形均获得有效控制, 两帮变形最大25 mm, 顶底板移近量最大60mm, 均处于安全控制范围内, 支护取得了理想效果。

4 结语

松散破碎围岩支护问题作为深部巷道支护中极为常见的安全问题之一, 对井下生产的安全高效开展有着严重威胁。因此, 对于矿山企业而言如何通过科学、合理的支护工艺实现此类巷道的有效支护, 对于保障煤炭生产的持续与安全进行意义显著。作为一名合格的煤炭技术人员理应投身相关工艺的探索中, 从而为中国煤炭产业的长久发展提供保障。

参考文献

[1]王清标, 张聪, 王辉, 等.松散破碎岩体锚固与监测技术应用研究[J].防灾减灾工程学报, 2014 (6) :771-777.

[2]亓忠明.高应力松散破碎围岩巷道支护技术研究[J].能源与节能, 2014 (6) :178-180.

[3]刘晓宁.松散破碎半煤岩开拓巷道围岩变形破坏机理及控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学, 2014.

[4]汪占领, 林健.松散破碎煤巷高预应力锚杆支护技术研究及应用[J].煤矿支护, 2014 (1) :18-20.

松散破碎围岩 篇2

1松散破碎围岩地质因素影响分析

中林井田处于萍—乐沉降带中部的西段,在南昌—清江红盆地的北缘,蒙山褶皱束的南侧。华夏系构造是区域主导构造。-240 m南大巷由于开掘时间较长,围岩破碎严重,两帮移近量大,巷道底鼓严重,原有支护方式很难奏效,返修率极高。巷道围岩主要为砂岩和泥岩,性质较软且较脆,抗压和抗拉能力弱,遇水易膨胀,且该巷道位于F2上盘分界线与下盘分界线之间,加之F2逆断层为大落差断层,-240 m南大巷受F2断层引起的复杂构造应力影响严重,故巷道围岩破碎严重,支护极为困难。

2支护对策分析

根据有关研究[1,2,3],处于复杂地质条件下的巷道围岩松散破碎,围岩强度大大降低,承受拉力、压力和切应力的能力大大降低,围岩极不稳定。通过对围岩注浆,使松散破碎的岩石胶结,提高围岩的力学性能,用锚杆配合注浆加固围岩,再辅助以刚性支架给予围岩一定的外力,可提高其承受拉力、压力和切应力的能力,进而提高松散围岩的稳定性。

2.1锚注支护

通过注浆、浆脉充填,压密裂隙空间,使围岩由注浆前的无约束松散状态改变为注浆后的由锚杆、浆脉和围岩共同作用的,具有承受抗压、抗拉、抗剪切、抗扭曲等适应复杂应力、应变状态的支护体,支护体的支护状态成为三拱支护状态[4]。同时,注浆对后续的锚杆、锚索支护非常有利:①为锚杆、锚索提供锚固基础,提高锚固力;②可以保证锚杆、锚索预应力与工作阻力有效扩散到围岩中,提高支护效果[5]。

锚注支护能使围岩破碎区的破碎岩石胶结成整体,整体围岩变形模量E增大。巷道松动圈破碎围岩可以用离层围岩表示,即巷道围岩的破碎可用围岩之间相互离层来简化。①离层后围岩所受最大切应力σ=12Mmax/(bl2);抗弯模量W=bl2 /12。②锚注后的围岩所受最大切应力τ=6Mmax/(bl2);抗弯模量W=bl2 /6。其中,Mmax为围岩所承担最大弯矩;b、l分别为离层围压的宽和高。

由此可见,破碎离层围岩所受的最大切应力为锚注后围岩的2倍,锚注后,围岩抗弯模量为离层后围岩抗弯模量的2倍。

2.2U 型钢可缩性支架支护

根据软岩膨胀性特点设计的U 型钢可缩性支架主要用于膨胀性岩层及断层破碎带的支护。这种支架不仅有可缩性,且有较高的初撑力和支撑能力;作用在支架上的压力与围岩的移近量成反比关系,即在一定条件下使用可缩支架后,支架上的荷载相对减小,且还会有调整,支架的受力状况得到改善。

(1)无支架支护的围岩相当于厚壁筒受外压力P0。

根据岩石力学知识,距离巷道中心为r的任一点处应力:σr=P0(1-a2/r2);σθ=P0(1+a2/r2)。

在巷道周边,即r=a时:σr=0,σθ=2P0。

(2)安放支架后,有内压Pi作用,相当于厚壁筒承受内外力。

根据岩石力学相关知识,在距离中心为r的任一点的应力:σr=P0(1-a2/r2)+Pi(a2/r2);σθ=P0(1+a2/r2)-Pi(a2/r2)。

在巷道周边,即r=a时:σr=Pi,σθ=2P0-Pi。

由此可见,支架支护后,增加了对巷道围岩的支撑力,减缓了巷道的变形,围岩由二向受力状态变为三向受力状态,三向受力状态的围岩强度大大增加。

2.3锚杆支护

通过锚杆的轴向作用力,围岩中一定范围岩体的应力状态由单向(或双向)受压转变为三向受压,从而提高其环向抗压强度,使压缩带既可承受自身所受重力,又可承受一定的外部荷载,使其有效地控制围岩变形。

锚杆的拉应力T=W1sin β/sin(α+β);锚杆的切应力Q=W1sin α/sin(α+β)。其中,W1为被锚固岩石的质量;α,β为锚杆受力三角形模型的内角。

由此可见,锚杆所受的拉应力和切应力与围岩所受锚杆的锚固拉应力和切应力为作用力与反作用力。从中可知,锚杆可以对围岩产生悬吊拉应力,把不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上,以阻止围岩的移动滑落。同时,锚杆对围岩产生的拉应力和切应力使巷道围岩受三向应力,提高围岩的强度。

2.4锚喷支护

锚杆不仅可以锚固碎块岩石,以支持岩块自身所受重力,而且被锚固的碎块岩体还可作为承载结构来支承外荷载。当薄层喷射混凝土层和碎块岩体组合形成拱结构时,可以提供比喷层本身大很多倍的承载能力。

3支护方案

通过对松散破碎围岩巷道的变形失稳观测,结合数值模拟及理论研究[6],发现围岩失稳具有较强的时间性和空间性。围岩失稳首先会从顶板、拱肩部和顶板中间等应力集中的部位开始,之后沿着巷道的径向和环向,迅速向周边围岩扩展。根据以上变形特征,将以往允许一定变形的支护方法用于松散破碎围岩巷道,围岩产生一定的变形后,破坏会持续扩展,最终造成巷道破坏。为改变松散破碎围岩难支难稳的状态,提出了锚索网注加U型钢联合支护方案来控制松散破碎围岩的变形和破坏。

(1)对巷道的顶板和两帮进行注浆强化加固。松散破碎巷道岩石岩性既软又脆,岩层破碎十分严重,节理裂隙极其发育,通过注浆可充填裂隙,使松散的围岩结构胶结成整体,提高岩石黏结力和内摩擦角,使岩体强度显著提高。

(2)对巷道的顶板中间、拱肩处进行锚索支护。锚索长度要大于松动范围,锚固位置的岩层远离掘进空间表层,受干扰较少,稳定性好。被锁住的岩层能有效承受负载产生的拉力和剪切力,最大限度地改善巷道集中应力作用区的受力状态。

(3)对掘出的巷道进行锚喷网支护。喷射混凝土能及时封闭围岩和隔离水并充填围岩表层的裂隙。悬挂钢丝网主要用来支承锚杆间的松散破碎围岩,阻止碎块松散岩石掉落;同时,被拉杆拉紧的网还能起到联系各锚杆组成支护整体的作用;在巷道围岩表面喷射水泥砂浆可有效地限制围岩变形的自由发展,调整围岩的应力分布,防止岩体松散坠落。

(4)考虑围岩顶板的挠曲与离层能力较强,若再受一定的采动影响,围岩会发生破坏并伴随有整体下沉。采用U型钢辅助支护,形成围岩的被动支护体系。

锚索网注支护形式能与围岩共同作用形成支护体系,提高和保持围岩的完整性,增强围岩的承载能力,改善围岩的力学性能和受力状态,组成巷道围岩的主动支护体系。锚索网注起主要作用,用来形成围岩的自稳结构,U型钢起辅助支护作用,在一定程度上控制围岩变形并保持围岩的自稳结构,起到防止顶板整体塌落的保护作用,达到联合支护的目的。

4结语

(1)采用主动联合支护形式后,巷道围岩破碎情况得到根本改善,两帮移近量大大减小,返修率也大为降低,保证了巷道长久的安全稳定。

(2)为维持巷道围岩的稳定性,必须优化和改善围岩的力学性能和受力状态,综合利用多种支护方式对松散破碎围岩巷道进行加强支护。

(3)应综合分析各种支护方式的技术经济因素,最终选择性价比较高的支护方式。

参考文献

[1]李俊平,连民杰.矿山岩石力学[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[2]蔡美峰,何满朝,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2004.

[3]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[4]李国富,贾安立,单智勇,等.极软岩巷道锚注支护技术的研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(增2):2574-2578.

[5]康红普,林健,杨景贺,等.松软破碎硐室群围岩应力分布及综合加固技术[J].岩土工程学报,2011,33(5):808-814.

松散破碎围岩 篇3

朱仙庄煤矿年产原煤200万t以上, 井下使用强力皮带运输机连接各采区煤仓出煤。随着生产采区的推进, 报废采区煤仓仅作为中转煤仓使用, 这些煤仓深度一般在20 m以上。由于巷道围岩属于典型的高地压松软类型, 这些煤仓在高地压和采动应力的共同作用下, 混凝土仓体出现大面积开裂、脱落, 裸露的围岩在高地压和裂隙水的共同作用下极易片帮, 混凝土块和剥落的岩石容易造成卡眼、堵眼, 处理卡眼、堵眼时存在一定的安全隐患。煤仓经常需要反复维修, 不仅浪费大量人力、物力, 同时也存在着较大的安全隐患。因此, 需要找到一种合理的修复方案, 彻底解决困扰矿井多年的难题。根据煤仓损毁的严重程度和维修的紧迫性, 确定五采区煤仓作为试验工程。

2 煤仓概况

2.1 煤仓原设计施工情况

该煤仓位于矿井南翼, 五采区下部, 为垂直圆形煤仓, 其上、下口标高分别为-397.41 m、-417.65 m, 深度为20.24 m, 上口位于五采区运输上山与第四部强力胶带输送机机头交汇处, 下口位于第三部强力胶带输送机机尾处, 原设计仓体净直径4.0 m, 净断面12.56 m2, 荒断面为18.09 m2, 上下收口处直径分别为2.0 m、1.0 m, 混凝土浇灌, 厚度为400 mm。煤仓围岩主要为砂质泥岩、泥岩、铝土、中粗砂岩等。五采区报废后, 仅作为中转煤仓使用, 年通过煤炭100万t以上。

2.2 煤仓失修情况

煤仓上、下口均处于巷道交岔点处, 巷道跨度大, 处于应力集中区, 原29#U型钢可缩性支架受压破坏变形严重;仓体出现大面积混凝土开裂、脱落, 局部围岩松散剥落, 其中上段10 m损毁尤其严重;受裂隙水的浸泡, 围岩泥化, 加快了仓体的损毁速度。煤仓下部锁口梁变形严重, 给煤机不能正常给煤。

3 修复方案

针对煤仓上下口巷道及仓体受破坏机理, 结合近年来矿井围岩综合治理的成功实践和煤仓生产实际情况, 确定支护形式和施工方案。

3.1 支护原理

由于巷道及煤仓围岩均已松散破碎, 决定先采用注浆胶结围岩, 使浆液充填裂隙, 在巷道的外围形成环状的注浆帷幕, 胶结破碎的围岩, 有效地提高围岩的承载能力, 阻止围岩的变形破坏, 再以环状的胶结围岩作为锚杆支护的着力点, 进行锚网喷支护, 从而确保煤仓的长期安全使用。

3.2 施工顺序

煤仓上、下口巷道修复→煤仓内壁自上向下找去浮矸活岩→喷浆封闭围岩→上段10 m预注浆加固→仓体二次注浆→打锚杆、挂钢筋网、喷浆→养护。

3.3 支护参数

锚注支护参数:

注浆锚杆用外径22 mm黑皮钢管加工, 长2 200 mm, 前端压扁, 以增加注浆出口压力, 杆体上每间隔300 mm钻一φ6 mm泄浆孔, 后端200 mm套丝, 便于与注浆管连接;为防止注浆时注浆锚杆被拔出或跑浆, 杆体与孔壁间用水泥砂浆封堵300 mm, 埋设时杆尾外露100~200 mm;间排距1 500 mm×1 500 mm;注浆机为镇江江城2ZBQ-11.5/3气动注浆泵, 注浆材料以单液水泥浆为主, 水泥采用Po.32.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比= (0.75~1) ∶1;对围岩涌水量较大段采用水玻璃和水泥双液浆注浆, 水玻璃浓度为42~45°Be′, 掺入量为水泥重量的3%~5%。采用低压注浆, 注浆压力控制在1~1.5 MPa之间, 以确保注浆量。

锚网喷支护参数:

锚杆为φ20 mm长2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆, 钢筋网长×宽=1 500 mm×1 000 mm, 6 mm钢筋焊制, 网孔为100 mm×100 mm, 钢筋网横向铺设, 搭接长度100 mm, 每隔200 mm用双股10#铁丝联牢;使用7655型风锤打眼, 每根锚杆使用两卷Z2940树脂锚固剂, 锚固长度1.3 m, 锚杆螺母扭矩≮300 N·m;喷浆料配比为水泥∶黄沙∶瓜子片 (碎石子) =1∶2∶2, 喷浆标号不小于C15, 初喷厚度50~100 mm, 复喷厚度100 mm, 对片帮较多处, 采用多次挂网打锚杆复喷的方式, 直到仓体表面成形较为规整为止。

4 施工组织及安全

4.1 施工组织

煤仓处于生产状态, 修复工作不能连续进行, 为提高修复速度, 保证施工安全, 巷修和煤仓内壁喷浆、上段10 m注浆等工作均利用每天3 h的检修时间进行;剩余工作安排在矿井停产大修的6 d时间集中进行。时间非常紧迫, 这就要求合理组织队伍, 每天检修前、矿井停产大修前, 必须提前完成各项准备工作。

4.2 施工

4.2.1 上段10 m预注浆施工

煤仓上段10 m围岩极为破碎, 给施工安全带来一定的威胁, 为保证施工安全, 必须首先对上段10 m加固。方法是:

在煤仓内预留一定量的存煤, 根据施工需要逐渐将煤放至合适的高度, 在煤上铺设一层长度2 m以上的厚木板, 木板间必须联结牢固, 施工人员站在木板上, 自上向下找去危岩活矸、清扫冲洗煤仓内壁、喷浆, 该喷浆层也为壁后注浆创造了有利条件。待喷层终凝后, 自煤仓上口巷道底板向下打垂直注浆孔, 向仓壁外围注浆。为保证注浆孔成孔质量, 分两个步骤进行注浆, 即先预注浆, 使围岩初步胶结, 然后再进行二次注浆。方法是: (1) 在巷道底板距煤仓内壁1.5 m处, 用地质钻机加套75 mm花管施工钻孔, 钻孔间距1.5 m, 孔深2.2 m, 在钻孔内埋入注浆锚杆, 在距注浆锚杆尾部400 mm处焊制75 mm圆形挡板, 用快速水封堵后注浆。 (2) 在浆液与围岩胶结凝固后, 在距原钻孔200 mm左右处, 再用地质钻机施工75 mm注浆孔, 在钻孔内埋入长度10.2 m的接长注浆锚杆, 进行深孔注浆。为加快浆液凝固速度, 在浆液中掺入3%~5%速凝剂。

4.2.2 仓体的修复

对下段剩余部分进行喷浆。自下向上, 从煤仓内壁打注浆锚杆、注浆, 待注浆胶结凝固后, 采用锚网支护, 然后再复喷、养护, 完成仓体的修复工作。

4.3 施工安全

施工前必须编制详细的安全技术措施。人员进入煤仓内作业之前, 必须切断胶带输送机电源, 安排专人看管, 严禁任何人送电;仓口周围5 m范围内浮矸、杂物等必须清理干净;在煤仓上口设立围栏和警戒人员;人员上下必须有可靠的软梯并系保险绳, 上口工作人员也必须佩带保险绳;所有设备、材料、工具等必须按照计划数量提前放入煤仓内, 人员升井前将工具设备等装入事先准备好的吊桶内, 待人员全部升井后, 才准提升物料工具等;各种管线必须连接牢固, 且有可靠的防脱节措施;仓内施工时必须携带便携式瓦斯报警仪, 并采用压风向仓内供氧;整个施工过程必须有管理人员现场监督指导, 防止事故发生。

5 效果