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深部软岩巷道强力锚注支护技术研究

作者:admin 浏览量:88 来源:本站 时间:2023-04-13 08:11:45

信息摘要:

赵万里1ꎬ2 ꎬ杨战标1ꎬ2(1.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 炼焦煤资源开发及 综合利用国家重点实验室ꎬ河南 平顶山 467099ꎻ 2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 能源化工研究院ꎬ河南 平顶山 467099)摘 要:针对平煤一矿深部软岩巷道存在埋深大、应力高、围岩强度低等

 赵万里杨战标2 

(1.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 炼焦煤资源开发及 综合利用国家重点实验室河南 平顶山  467099ꎻ 2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司 能源化工研究院河南 平顶山  467099) 

摘 要:针对平煤一矿深部软岩巷道存在埋深大应力高围岩强度低等特点传统锚网索支护技术难 以保障巷道长期稳定在采用高强锚注支护材料和优化注浆工艺参数的基础上提出了强力锚注支 护技术以直径 25 mm 全螺纹高强中空注浆锚杆和直径 29 mm 螺旋肋中空注浆锚索为核心的全断面 锚注一体化支护方案采用高强支护高灰水比高压力扩散大范围锚注加固支护工艺现场工程试 验表明:强力锚注支护实现了锚杆/ 锚索全长锚固提高了巷道围岩的整体性和承载性能顶板变形量 降低了 40%以上有效控制了深部复杂困难条件下巷道围岩变形而且施工工艺简单成本较低ꎮ 

关键词:深部矿井软岩巷道强力锚注注浆加固


0     

  随着采深的不断加大复杂条件下巷道支护问 题显得尤为突出[1-2] 传统的高强锚网索支护或 型钢与锚网索联合支护方式难以满足深部巷道的持 续稳定巷道断面收缩量极大造成巷道前掘后修牵制了矿上大部分人力物力和精力支护成本高严 重 制 约 了 矿 井 正 常 生 产 接 续 和 安 全 高 效 发 [3-4] 近年来国内外众多学者对深部巷道围岩 结构特点和支护技术进行了卓有成效的研究文献 [5]通过对锚注结构的承载特性以及巷道流变变形 进行了理论分析得到了锚注结构承载力的计算公 方便了对锚注支护软岩巷道位移场的预测预报文献[6]针对深部软岩巷道提出了集密集高强锚杆承压拱厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一 体的锚喷注强化承压拱支护技术并阐明其成拱及 强化支护的机理文献[7] 提出了采用高预紧力力锚杆支护系统必要时配合注浆加固强调锚杆预 应力及其扩散的决定性作用能有效控制巷道围岩 的强烈变形文献[8]建立了非连续双壳围岩控 制理论形成了“U 型钢(外部应力支护壳体) +柔性 垫板(柔性层) +锚杆锚索注浆( 内部应力加固壳 ) ”的非连续双壳围岩控制关键技术并在高应 高瓦斯工程软岩巷道应用取得了良好的支护效 高强锚注支护作为目前新型的支护技术将锚 / 索支护技术和注浆加固技术的两者优势集成一 在保证巷道的高强支护的同时实现对围岩结构 的加固提升了围岩的整体承载能力成为治理深部 高应力软岩巷道失稳的最有效方式之一因此深入 的研究和推广锚注一体化技术具有重要的现实意义ꎮ 


1  工程概况 

  平煤一矿三水平下延戊一上山采区回风上山是 确保北山风井与三水平贯通的 条重要回风巷道强力锚注支护试验段位置如图 所示巷道埋深超 1 000 mꎬ最大水平主应力达到 36 MPa 以上戊组 煤位于巷道底板位置距巷道底板最近处为 20. 33 mꎮ 围岩强度低以灰色灰绿色砂质泥岩为主次为灰白色灰色及灰绿色细粒砂岩钙质胶结厚层状具斜层理及交错层理巷道所处层位无大 型地质构造只存在个别小型节理巷道附近 40 m 范围内无跨巷情况即无采动影响ꎮ 

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1  强力锚注支护试验段位置 

Fig.1  Site of strength blot-grouting experiment 


  该巷道为典型的深部高应力软岩巷道由于其 地应力高围岩强度低整体性差[9-10] 原支护形式 采用两锚两注方式即一次锚网索喷后采用 ø20 mm×1 000 mm 薄壁钢管浅部注浆二次锚网喷后再 采用 ø20 mm×2 000 mm 薄壁钢管深部注浆注浆材 料以水泥单液浆为主两次注浆压力分别不大于 2、 3 MPaꎮ 由于注浆压力低浆液扩散范围小顶板下 沉严重底鼓现象普遍存在围岩持续变形巷道断 面收缩量大严重影响生产运输巷道返修频率高且支护成本高工艺繁琐[11] 为此采用强力锚注 一体化支护技术即高强中空锚杆/ 高强抗缩性 注浆材料高注浆压力对巷道大范围围岩进行锚注 加固构成三高一大的锚注体系对回风上山进 行支护试验试验区段长度 150 mꎬ以期提高巷道围 岩强度和整体性实现巷道持续稳定降低支护 成本ꎮ 


2  巷道围岩结构特征 

  巷道围岩体内部含有各种各样的不连续面节理裂隙等这种不连续面的存在显著的改变了岩 体的强度特征和变形特征因此通过钻孔窥视仪获 得围岩结构特征对了解巷道围岩状态制定巷道支 护设计参数非常重要顶板围岩结构窥视结果如图 所示回风上山顶板岩性以泥岩为主遇水泥化非 常严重围岩破碎范围在 4 m 左右顶板以上 1.5 m 内围岩非常破碎存在大量主导裂隙面离层距离较 顶板以上 1.5 ~ 4.0 m 范围内围岩以裂隙带形式 分布且裂隙密度逐步减小顶板 4 m 以上区域围岩 完整性相对较好未见明显裂隙离层但孔壁存在 泥块剥离现象ꎮ 

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2  顶板围岩结构窥视结果 

Fig.2  Observation results of roof rock structure 

帮部钻孔窥视结果如图 所示巷道帮部岩性 以泥岩为主遇水后泥化非常严重围岩破碎范围在 1.2 m 左右较顶板破碎程度和范围明显减小ꎮ 

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3  帮部围岩结构窥视结果 

Fig.3  Observation results of roadway-rib rock structure 

巷道帮部喷浆层壁后 0.3 m 范围内围岩非常破 成块状分布帮部在 0.3 ~ 1.2 m 范围内围岩以裂隙带向节理带转换形式分布裂隙密度逐步减小1.5 m 以上区域围岩完整性相对较好未见明显 裂隙离层但孔壁存在泥块剥离现象ꎮ 


3  巷道支护设计 

  由于回风上山巷道为新掘巷道且地质条件较 区域无重大地质构造可按照传统悬吊理论计算 锚杆支护参数ꎮ 

  1)锚杆长度计算公式为 + L其中:为锚杆长度ꎬmꎻ为锚杆锚入稳定岩 层深度一般长度取 1. 0 mꎻ为锚杆的有效长度mꎮ 为锚杆在巷道中的外露长度一般取 0.1 mꎮ 其中:= [ / 2 +tan 45°ω/ 2 ( ) ] / = 1. 32 mꎬ:为巷道开掘宽度6. 3 mꎻ为巷道开掘高 5.0 mꎻ为顶板岩石普氏系数3ꎻ ω 为两 帮围岩的似内摩擦角ω = tan ( ) 计算可得2.42 mꎮ 根据围岩结构特征观测结果其主导裂隙 发育范围主要集中于 2.0 m 因此根据理论计算 和现场实测结果可选用长度为 3. 0 m 中空注浆 锚杆ꎮ 

  2)锚杆间排距计算公式为 KLγ 其中:为锚杆间排距ꎬmꎻ为锚杆设计锚固力80 kN / 为安全系数2ꎻ为锚杆有效长度2.0 mꎻγ 为岩体容重25 kN / m计算得 = 0.9 mꎮ 通过计算选择锚杆间排距均值不得大于 0.9 mꎬ因此 巷道支护设计确定锚杆间排距取 0.7 mꎮ 

  3)锚杆锚固力计算公式为 Q = K AHγ 其中:为锚杆锚固力为安全系数2ꎻ为锚杆间排距0.7 mꎻ为需要悬吊的岩层厚度2.5 mꎻγ 为承载岩体容重25 kN / m计算可 = 61.25 kNꎬ采用 2850 树脂锚固剂端锚锚 固力不低于 80 kNꎬ满足要求ꎮ 

  4)锚杆截面积计算公式为 KALγ σ其中:为锚杆截面积为安全系数2ꎻ为锚杆间排距0.7 mꎻ为锚杆长度3 mꎻγ 承载岩体容重25 kN / mσ为锚杆抗拉强度里取屈服强度 0.5 GPaꎻ通过计算锚杆截面积大于 147 mm即可满足支护要求直径 25 mm 高强中空 注浆锚杆壁厚为 7 mmꎬ破断强度不低于 500 MPaꎬ 杆体截面积为 396 mm满足要求ꎮ 

  5)锚索长度应满足: 其中:为锚索总长度ꎬmꎻ为锚索深入到较稳 定岩层的锚固长度ꎬmꎻ为需要悬吊的不稳定岩层 厚度按照锚杆长度计算取 3.0 mꎻ为托盘及锚具 的厚度0.1 mꎻ为外露张拉长度0.3 mꎻ:Kd/ (4) ꎬ其中:为安全系数2ꎻ锚索直径29 mmꎻ为锚索抗拉强度1 770 MPaꎻ为锚索与锚固剂的粘合强度10 N / mm计算可得 = 2.57 mꎮ : = 5.97 mꎮ 现场采用声 波探头多点位移计进行围岩变形监测围岩变形主 要集中于 6.0 m 范围内根据围岩结构观测结果全部裂隙发育范围在 4.3 m 以内综上采用 8.3 m 索满足要求ꎮ 

  6)注浆参数直接影响到强力锚注支护效果了保证强力锚注支护质量在现场试验期间开展了 相关的研究工作对注浆参数进行优化设计[12-13] 注浆材料采用水泥基注浆材料浆液水灰比为 1 ∶ 2ꎬ并添加 ACZ 系列注浆改良剂使得注浆材料 具有稳定性高流动性好固化体积微膨胀优点显改善水泥浆液的可注性和锚注支护效果[14] 注浆压力需要采用高压力注浆[15] 先注锚杆后注 锚索锚杆注浆压力不低于 7 MPaꎬ锚索注浆压力不 低于 10 MPaꎬ以保证水泥浆液的扩散效果和强化对 微裂隙的渗透和劈裂作用满足较好的锚注一体化 支护效果ꎮ ③高应力软岩巷道开挖后围岩裂隙表现 出先充分发育后又转向闭合的过程其渗透系数呈 现逐渐增加达到最大又进一步降低的变化规律此注浆时机应该在围岩变形的某个阶段选择渗透 系数较大的时间段注浆有利于提高围岩的可注性方便注浆作业根据观察围岩裂隙发育趋势和矿压 监测结果考虑到浆液固化时间问题注浆时机采取 滞后区别注浆技术在巷道掘出后 3 ~ 5 d 或滞后掘 进工作面 10 ~ 20 mꎬ巷道变形破坏不明显围岩裂隙 发育主要集中于围岩浅部 2 m 范围内适宜中空注 浆锚杆进行浅部注浆锚杆注浆完成后 5 ~ 8 d 或滞 后掘进工作面 30 ~ 50 mꎬ围岩浅部注浆帷幕形成并 固化适宜于中空注浆锚索进行高压深部注浆ꎮ 


4  支护方案

  1)锚杆施工参数注浆锚杆长度 3 000 mmꎬ25 mmꎬ全长连续螺纹结构破断力不低于 200 kNꎬ150 mm×150 mm×10 mm 方形托盘间排距 700 mm×700 mmꎬ采用 2850 树脂锚固剂端锚考虑到注浆需要注浆锚杆螺母预紧力不低于 60 kNꎬ高强注浆锚杆和锚索外观与结构如图 4a 所示ꎮ 

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4  高强注浆锚杆和锚索外观与结构

Fig.4  Appearance and struction of high-strength grouting rockbolt and cable 

  2)锚索施工参数中空注浆锚索长度 8 300 mmꎬ直径 29 mmꎬ采用强度等级 1 770 MPa 螺旋肋 预应力钢丝编织而成破断力达 400 kN 以上300 mm×300 mm × 16 mm 方形托盘间排距 1 400 mm×1 400 mmꎬ采用 2850 树脂锚固剂端锚空注浆锚索预紧力不低于 120KNꎬ高强注浆锚杆和 锚索外观与结构如图 4b 所示ꎮ 

  3)布置方式拱部正顶布置 根中空注浆锚 两侧对称呈放射状依次布置保证中空注浆锚索 均垂直岩面布置最上端中空注浆锚杆距巷道中心 线 350 mm 对称布置其余锚杆依次垂直于岩面对 称布置底角锚杆下扎 15°ꎬ且距离巷道底板不得大 200 mmꎮ 强力锚注支护方案断面如图 所示ꎮ 

  4)钻孔参数中空注浆锚杆安装孔径 32 mmꎬ 孔深 2 900 mmꎻ中空注浆锚索安装孔径 38 mmꎬ深按 8 000 mmꎬ误差均不得大于±50 mmꎮ 

  5)护表方式采用直径 6 mm 钢筋网网格间 80 mm×80 mmꎬ中空注浆锚杆之间采用 钢带 连接ꎮ 

  6)喷层要求混凝土喷浆层厚度 150 mmꎬ强度 

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5  强力锚注支护方案断面 

Fig.5  Sectional view of strength blot-grouting support 

级别 C20ꎮ 巷道掘出后立即初喷 50 mmꎬ待锚杆/ 索支护完成后二次喷浆 100 mmꎬ要求喷层表面密实 平整并每天洒水养护ꎮ 

  7)注浆材料采用标号不低于 P.O42.5R 级硅 酸盐水泥并按 8%的比例添加 ACZ-1 水泥添加剂 作为注浆材料该材料具有良好的流动性硬化塑 形和抗干缩性ꎮ 


5  支护效果分析 

.1  围岩表面位移监测 

  2016 —2017 月采用十字观测法对 两锚两注和强力锚注支护后围岩表面变形情况进行 监测如图 所示对比分析得到采用强力锚注支 护效果优于两锚两注支护方案巷道成巷效果良好喷浆层未出现明显开裂脱落现象[16-17] 特别是在 顶板的稳定性上强力锚注支护方案强化了巷道拱 部整体性增强了对顶板水平应力的承载性能变形 量随时间逐渐增大而增加缓慢并趋于稳定[18-19] 顶板下沉量为 201 mmꎬ较两锚两注支护方案顶板变 形量降低了 40%以上ꎬ 

  两帮变形量随时间逐渐增大并趋于稳定稳定 期在 个月左右变形量均不大两锚两注支护方案 帮部移近量为 130 mmꎬ强力锚注支护帮部移近量为 100 mmꎬ相差不大且帮部喷浆层极少出现开裂落现象但是在支护成本和工艺繁琐程度上强力锚 注支护技术占很大优势经济效益突出[20] ꎮ 

.2  锚杆承载性能监测 

  采用测力锚杆开展持续性观测[21] 来监控锚杆 是否对围岩起到应有的作用评估锚杆支护质量通过锚杆承载性能监测得出强力锚注支护试验段 巷道锚杆承载力随时间逐渐增大并趋于稳定整体

承载力较为均匀顶板至两帮锚杆承载强度依次降 顶板承载力达到 130 kNꎬ肩窝处锚杆承载力 118 kNꎬ帮部锚杆承载力为 98 kNꎬ均完全在锚杆可承载 范围之内由此验证了锚注支护质量是合格的护参数设计是合理的取得了较好巷道支护效果ꎮ 


6      论 

1)采用强力锚注支护技术加固深部高应力软 岩巷道能明显改善巷道应力环境提高巷道稳定 为埋深大应力高支护难度大的深部巷道支护 问题提供新的支护方式ꎮ 

2)针对原两锚两注支护方式在巷道支护过程 中出现的问题和弊端采用强力锚注支护技术予以 改进和完善提出了以直径 25mm 全螺纹高强中空 注浆锚杆和直径 29 mm 螺纹肋中空注浆锚索为核 心的全断面锚注一体化支护方案ꎮ 

3)对注浆参数进行优化设计确定注浆液水灰 比采用 1 ∶ 2ꎬ注浆压力采用高压力注浆锚杆注浆 压力不低于 7 MPaꎬ锚索注浆压力不低于 10 MPaꎬ 中空注浆锚杆最佳注浆时机在巷道掘出后 3 ~ 5 d 或滞后掘进工作面 10 ~ 20 m 位置中空注浆锚索最 佳注浆时机为锚杆注浆完成后 5 ~ 8 d 或滞后掘进 工作面 30 ~ 50 m 位置达到了锚注一体化支护预期 的技术指标取得了较好的支护效果ꎮ 

4)工程实践应用表明锚注支护参数设计合 强力锚注支护显著降低了围岩变形量锚注加固 强化了巷道整体性增强巷道围岩的承载性能有效 地控制了巷道变形巷道稳定性明显提高ꎮ 



参考文献(References) : 

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——转载自“煤炭行业知识服务平台”




   单体便携式螺旋支柱简介


  湘潭乾坤的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备,是矿井适用的金属单体支柱,参数经过多次试验和客户使用数据验证的,不能超高度超承载能力使用(具体要求见附表),超高和超载使用将影响支柱 的稳定性,甚至发生安全事故。
作业过程中,作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况,及时将支柱拧紧,确保作业安全


湘潭乾坤的便携式螺旋支柱由五部分组成。

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规格型号解读:

1.5米便携式螺旋支柱的含义:金属钢管直径有48和63两款,最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米的高度 。
钢管直径越大,支柱承重越大,可支撑高度越高。
支柱高度越高,支柱承重越小。

 


 

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