砌碹巷道变形破坏机理及修复技术研究

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  【摘 要】基于巷道围岩软弱破碎、壁后充填不实、砌碹被动支护等不利条件,分析了伯方煤矿二盘区变电所变形破坏机理及原因,提出“壁后充填+深部注浆+锚杆、锚索加固”的联合修复技术,成功解决了变电所的修复难题,取得了良好的支护效果。工程应用表明,该技术能够有效控制巷道的变形,保证了巷道继续服务,是解决软弱破碎围岩砌碹巷道支护的有效途径。
  【关键词】砌碹巷道;注浆加固;壁后充填;锚网索支护
  1、引言
  伯方煤矿3#煤层厚度5.82m,煤层倾角2-6°,内生裂隙,呈条带状结构,煤层节理中等发育,硬度f<1.5。二盘区变电所布置在3#煤层中,沿煤层顶板掘进,断面为扇形拱,直墙高2.0m,扇形拱高1.5m,采用料石砌碹支护,砌碹厚度500mm。受3202工作面采动影响及3204工作面联络巷掘进影响,导致变电所围岩破碎,变形严重,拱角及拱顶碹体被挤压破碎、掉渣,靠近大巷侧底鼓现象突出,造成诸多安全隐患。
  2、砌碹巷道变形破坏机理研究
  导致砌碹巷道变形破坏的力学机制较为复杂,影响因素较多,不仅与岩石本身的物理力学性质、构造的分布等有关,而且与巷道的力学环境与支护方式有关。根据变电所变形破坏情况,经过岩层窥视仪探测和理论分析认为,导致变电所变形破坏的主要因素以下几个方面[1-2]。
  (1)变电所本身支护方式的影响。变电所采用的砌碹支护属于被动支护,除支撑周围松散岩层的重量,对松动圈以外的岩层无法提供有效的主动支护作用。
  (2)变电所掘进方式和施工工艺的影响。二盘区变电所采用炮掘,掘进期间超挖现象严重,根据施工要求超挖的部分需要回填密实,但实际操作过程中没有进行有效回填。采用砌碹支护时,由于碹体壁后未充填严实,碹体提供的初撑力很小,变电所围岩得不到及时支护,松散破碎的煤岩持续发生松动、垮落。随着时间的推移,垮落岩石越来越多,碹体支撑的岩石量也越来越多。当岩石量达到一定程度时,碹体不能承受上部松散岩石及自身重量而屈服破坏,变电所顶板随之下沉,甚至垮落。同时,由于变电所顶部围岩松动范围加大,作用在变电所顶部围岩的一部分应力转移到变电所两侧围岩,提高了围岩蠕变的水平应力,两侧岩体不稳定蠕变率增大,造成变电所两侧碹体的破坏。另外,炮掘对变电所围岩的震动破坏大,造成围岩裂隙发展和松动范围加大,降低了圍岩的强度和自承能力,加速了碹体的破坏。
  (3)变电所的围岩组成与性质的影响。变电所沿煤层顶板掘进,煤层较软,内生条带裂隙,煤层节理中等发育。顶板为灰黑色泥岩,强度较低。受掘进扰动和回采影响后,围岩裂隙进一步发育。变电所采用料石砌碹支护,碹体与变电所围岩之间存在刚度和变形的不耦合。当某些部位出现不耦合时,碹体不能抵御巷道围岩变形与破坏时,碹体和围岩将在其不耦合的部位发生变形和破坏,进而导致整条巷道失稳。
  (4)变电所碹体后的空隙作用。变电所碹体背后出现空隙的概率极高,而且位置分布不规律,导致碹体背后容易形成空隙。松动圈内破碎围岩冒落后在自重的作用下会向两边流动,使得碹体背后产生空隙,实际检测过程中也发现,变电所拱顶附近区域的空隙最为常见,而且拱顶附近区域的砌碹厚度也常常达不到设计要求。而碹体后空隙会使砌碹结构的受力状态发生变化,在局部产生应力集中,会使砌碹结构受到偏心力,从而在局部会产生内力增长,间接降低了砌碹结构的承载能力,造成砌碹结构的破坏。并且由于空隙的存在,砌碹与变电所围岩丧失了面接触,围岩内部也会发生应力的重新分布,部分围岩也可能由于超过自身的承载能力而发生破坏,跌落到砌碹结构上,从而导致结构的破坏。
  空隙的位置不同对围岩应力分布和砌碹结构破坏程度的影响是不一样的。依据现场观测,我们发现空隙的分布大体可以归纳为以下5种情况:拱顶处空隙、两肩部对称空隙、一侧肩部偏载空隙、顶部空隙和肩部对称空隙、顶部空隙和一侧肩部偏载空隙。其分布形态如下图1所示。
  (5)采动应力作用。邻近的3202工作面停采线离变电所较近,受3202工作面超前采动支承应力作用,以及顶部泥岩和煤层的软弱破碎,变电所顶部更容易出现不同的空隙。同时,受3204工作面联络巷掘进扰动影响,变电所围岩破坏程度进一步加剧。
  3、砌碹巷道修复技术与机理研究
  二盘区变电所在地应力、邻近工作面回采扰动以及附近联络巷掘进扰动影响下,围岩裂隙发育,变电所壁后空洞持续衬衫扩大,变电所产生较大的破坏变形。针对以上情况,根据近年来我国各地煤矿砌碹巷道修复经验[6-8],结合现场实际以及岩层窥视情况,提出壁后充填、深部注浆和锚网所支护联合修复方案,即第一步是对变电所壁后空隙进行充填密实,第二步是对深部围岩进行注浆,第三步是补打锚杆锚索进行加强支护。其主要作用机理包括以下几个方面。
  (1)壁后充填消除了壁后的偏载荷和点载荷作用,提高了围岩以及碹体的整体作用,从而提高了围岩的稳定性。同时,壁后充填的渗透加固作用也显著提高了围岩的自承能力。
  (2)围岩深部注浆的主要作用有:注浆可以改变破碎煤岩体力学性能,提高破碎煤岩体的粘聚力和内摩擦角,大大提高煤岩体的强度;充填压密裂隙,降低煤岩体的孔隙率,裂隙内充满加固材料或压密后,将变为三向应力状态,可大幅度提高煤岩体的强度;注浆封闭水源、隔绝空气,可以有效地封堵水流通道,隔离孔隙水及防止或者降低水对围岩的软化程度,避免围岩强度因水软化的影响而大幅度降低。
  (3)锚杆、锚索加强支护进一步提高锚固区内围岩的内聚力和内摩擦角,抑制塑性区的发展,提高围岩的峰值强度和残余强度,锚索支护控制深部围岩的变形。
  4、砌碹巷道修复技术应用
  4.1壁后充填和深部注浆材料的选择
  根据壁后充填和注浆的材料需求,选择高水充填材料,高水充填材料是由甲料、乙料两种材料组成。高水充填材料的优点是速凝且可调、水灰比高、流动渗透性好、在高水灰比条件下100%结石且不淅水、固结体塑性好、能适应围岩变形、具有微膨胀性、充填程度高和成本较低。   4.2充填和注浆系统
  充填和注浆采用2ZBSB8~1.1/6-22型煤矿用双液注浆泵,同时配备JB-1000搅拌桶四台。甲料、乙料分别在一台搅拌桶搅拌混合后通过直径19mm的高压胶管泵送至充填注浆点,经混合器混合后通过异型接头与直径充填注浆管连接。
  4.3壁后充填参数
  根据材料特性、变电所上覆岩层结构特点及井下施工条件,选用袋装材料,水灰比确定为1.8:1进行充填。沿变电所砌碹体顶部布设充填管,根据变电所尺寸,为保证充填效果,研究确定充填管间排距为1000mm×4000mm。采用?42mm钻头打充填孔,成孔孔径不得超过?45mm,并保持圆度,充填孔的深度为1500mm,充填孔与垂直方向呈15°夹角。具体布置见图2。充填管采用?20mm钢管制作,管长1m,内径15mm。
  4.4深部注浆参数
  根据材料的强度特性,确定水灰比为1.5:1进行注浆。沿变电所的整个断面(除底板)打注浆孔,预埋注浆管。充填完成后布置注浆孔,顶部每排布置3个注浆孔,两帮各1个,孔径为43mm,排距2m,注浆管的长度为2.5m。注浆管采用?20mm钢管制作,注浆管长2.5m,内径15mm,距注浆管口1.35m、1.6m、1.85m、2.1m、2.35m位置处分别打直径6mm的圆孔。注浆孔的布置如图3所示。
  针对变电所的变形以及注浆系统的布设状况,确定变电所的注浆压力为2~3MPa。现场注浆时,要通过注浆压力与实际的注浆渗透性进行调整每孔的注浆量,当出现邻近注浆孔漏浆或者注浆压力超过3MPa时即可,停止该孔注浆。
  4.5锚网索加固支护
  待变电所注浆完成并清理表面之后,对原有变电所进行锚网索加固支护。变电所的锚网索支护具体参数为:
  (1)锚杆参数。顶锚杆间排距为900×900mm;帮锚杆间排距850mm×900mm,两帮各打3根。拱角锚杆与水平方向成20°,其余锚杆均垂直于拱壁。顶帮锚杆均为直径20mm、长3.0m的高强度螺纹钢锚杆。铺设金属网和直径14mm圆钢焊接的钢筋梯子梁。金属网采用12#铁丝编制而成,网孔为50×50mm。
  (2)锚索参数。每2排锚杆即1.8m打一排5根锚索。拱顶中央一根锚索,拱顶两侧锚索距拱顶1400mm,垂直于拱壁,与竖直方向成35°角;两帮锚索距巷道底板1000mm。顶板锚索采用直径15.24mm的钢绞线,长度为7.3m;帮锚索采用直径15.24mm的钢绞线,长度为5.2m。
  锚网索加固支护的断面图如图4所示。
  4.6施工工艺
  (1)检修、准备。开始施工前,检查当班用材料与机器。包括充填注浆用的高水材料,封孔材料(麻丝与锚固剂),注浆泵与搅拌桶、混合器、钻机、钻杆、快速接头(含异型接头)等。
  (2)打孔与封孔。首先按照设计方案打设充填孔或注浆孔,埋设充填管或注浆管,后用锚固剂和麻丝进行封孔。钻打充填孔或注浆孔采用42mm钻头,孔径不大于45mm,符合规定深度(充填孔1500mm,注浆孔3000mm)。封孔时,首先采用麻丝缠绕在充填管或注浆管,混合超快锚固剂和中速锚固剂,快速搅拌均匀后塞入充填管或注浆管与孔间隙,封孔长度不小于200mm。后将出浆管与充填管或注浆管联接好。
  (3)制浆。待封孔结束后,施工人员开始向搅拌桶加水,然后开动搅拌桶电机,再在其中一搅拌桶加入甲料,另一搅拌桶加入乙料。待桶内高水速凝材料搅拌10min后,将两吸浆管放入搅拌桶内的吸浆槽,开动注浆泵开始注浆。
  (4)充填、注浆。开动注浆泵开始充填、注浆,充填点保证有2人时刻观测注意充填、注浆情况。当注浆压力达到3Mpa停止注浆泵,关闭截止阀,待混合浆液流速变缓后,卸下出浆管与充填管或注浆管之间的异型接头。然后準备开始下一个充填孔或注浆孔的充填注浆工作。
  (5)清洗。每班充填、注浆结束后,抽清水清洗管路和充填泵。
  5、变电所修复效果监测
  从图5和图6可以看出,变电所加固期间矿压显现有如下规律:
  (1)根据现场,变电所未充填注浆加固前,顶底板和两帮变形剧烈,注浆加固之后,巷道变形速率明显收敛。
  (2)巷道稳定过程
  巷道的稳定过程是动态平衡过程。在充填、注浆、打设锚杆锚索过程中,围岩变形速度呈现波动特性,变形总量一直增加直至稳定。
  (3)充填注浆影响期
  巷道顶底与两帮在充填后14d之内的位移量达到了总位移量的40%左右,期间打眼充填,是围岩活动剧烈期;待充填体凝固且达到最终强度后进行注浆,24d~28d之内位移量为总位移量的40%左右。
  (4)施工锚杆影响期
  注浆结束7d后施工锚杆锚索,受此影响围岩有少量收敛,且顶底移近量受锚杆锚索影响小于两帮,此后围岩趋于稳定,表明围岩控制达到了预期效果。
  (5)变形量
  充填注浆、施工锚杆锚索至稳定期间,两帮最大移近量为33mm,顶底板最大移近量为25mm,围岩变形比较小,支护效果比较好。
  6、结论
  (1)顶板破碎、两帮充填不实、木支架临时支护等复杂条件的料石砌碹支护巷道,结构松散,变形量大,严重影响安全生产。运用壁后充填、深部注浆和锚网所支护联合技术,保证了变电所结构的稳定,变电所维护状况显著改善。
  (2)通过壁后充填、深部注浆和锚网所支护联合修复,改变了围岩的内聚力和内摩擦角,提高了变电所围岩的强度,充分发挥了围岩自身的承载能力,变电所表面变形量较小,取得了良好的修复加固效果,为类似巷道提供了参考。
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