课件-巷道围岩注浆加固的技术应用.ppt

内容提要 内容提要 采用水泥浆浆液注浆加固井下巷道破碎围岩 从而提高破碎围岩的整体稳定性 提高围岩自身支护能力 有效的减少了巷道围岩变形 片帮安全事故及底板底鼓现象 为保证矿井安全生产奠定基础 本文分析论述了矿井采区巷道变形破坏的原因及注浆法加固巷道围岩的机理 介绍注浆法加固围岩的施工工艺 并针对注浆加固改善巷道浅部围岩受力状态进行研究分析 现场取得了良好的试验效果 关键词 围岩加固巷道支护 前言 4 1 2 3 概述 围岩体注浆加固机理 围岩注浆加固参数研究与应用 围岩加固施工工艺 6 5 注浆加固效果 结论 一 概述 红阳三矿西翼上组轨道运输大巷注浆段位于西一采区700回采工作面南侧 南临西一采区702采空区 该巷道为二叠系下统下石盒子组 山西组地层及石炭系上统太原组地层 煤 岩层总体构造形态为单斜构造 坚固性系数分别为 煤f 0 3 泥岩f 1 8 2 9 粉砂岩f 2 6 4 5 细砂岩f 3 8 5 7 中砂岩f 4 5 5 8 煤岩层产状为251 272 4 12 由于该巷道受702采空区残留煤柱集中应力影响 主要受700工作面回采采动影响 破坏了围岩体的完整 性 围岩裂隙极为发育 在承受支承压力的叠加作用下 极易破碎 形成松动圈 造成西翼轨道大巷400米出现帮 顶浆皮脱落 两帮收敛较大 严重底鼓 水沟断裂变形等压力显现现象 给行人 运输 前掘施工等工作带来较大的隐患 因此 对该巷道进行加固处理 主要施工技术为围岩注浆加固 它能使原来裂隙发育的破碎围岩松动圈固结成为较完整的围岩体 从而提高巷道围岩整体稳定性 可有效防止巷道冒顶 片帮 底鼓现象发生 以确保安全生产 围岩固化机理就是利用浆液来充填和固结围岩体中被破坏的或原有的松动层 来提高围岩体强度和完整性 破碎围岩注浆固化可以从以下几个方面改善围岩结构 提高围岩的整体性和力学参数 二 围岩体注浆加固机理 二 围岩体注浆加固机理 一 注浆固化提高围岩体松动圈的抗压强度 注浆后松动圈的粘聚力和摩擦因数增大 松动圈的抗压强度随着注浆后松动圈的粘聚力和摩擦因数的增大而提高 通过注浆后松动圈抗压强度提高 围岩体强度增加 从而提高了围岩的完整性和稳定性 防止了巷道片帮 冒顶等动压现象的发生 二 围岩体注浆加固机理 二 充填压密及转变围岩破坏机制的作用 浆液在泵压的作用下 除了将一些较大的裂隙充填固结 还可以将一些充填不到的封闭裂隙和小裂隙压缩 甚至使其闭合 提高围岩的弹性模量和强度 浆液通过较高的压力作用 将围岩内裂隙充填固结或压密原来的小裂隙 使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失 从而使围岩体的破坏机制发生转变 二 围岩体注浆加固机理 三 浆液固结体的网络骨架作用 浆液经挤压或渗透到围岩体的裂隙中固结后 会在围岩中形成网络骨架结构 在岩壁浅部 浆液固结体呈厚薄不一的片状或条状 几乎可将整个松动圈连接成一块钢筋混凝土岩石 形成网络骨架的水泥浆固结体 具有良好的韧性和黏结性 当矿压增加时 由于水泥浆具有良好的抗压强度 载荷主要由浆液固结体承担 这样 围岩的破坏条件由原来的裂隙弱面强度条件向接近混凝土水泥浆强度条件转化 提高了围岩的残余强度 限制围岩裂隙破坏的扩展 从而达到防止巷道围岩变形的目的 二 围岩体注浆加固机理 三 围岩注浆加固参数研究与应用 注浆加固属于隐蔽性工程 注浆加固工程 巷道围岩 的地质条件及应力状况具有复杂多变的特性 这给注浆加固参数的理论计算带来了困难 目前的注浆理论都是在一定假设 简化条件下建立的 与工程实际有一定差距 注浆加固参数的设计一般以理论计算作参考 根据工程类比法及现场注浆实际情况进行调整 注浆加固主要参数有 注浆压力 注浆量 浆液扩散半径 浆液固结体力学性能的确定及注浆孔的布置 下面分别对其参数作分析 三 围岩注浆加固参数研究与应用 一 注浆加固深度的确定 注浆深度是控制巷道变形的主要因素之一 注浆深度越深 浆液凝固时间越长 固结体强度越大 稳定巷道变形的能力也就越高 但由于深部围岩的完整性较好 强度较高 浆液难以大范围渗透 注浆效果难以保证 施工难度增大 因此 主要考虑渗透条件和注浆孔的施工方便 注浆深度略超过围岩裂隙发育的深度 松动圈厚度 为界 裂隙的发育深度可以通过深孔多点钻眼计测量确定 三 围岩注浆加固参数研究与应用 在西翼轨道大巷需要围岩固化的施工区域 从一端以10米为1组 选取3组 分别对顶板 两帮 底板4点采取人工用凿岩机打眼的方式来确定松动圈的厚度 根据实际打眼发现选取的3组中 每组的4个点均打到1 8 2米深处见硬 并且凿岩机继续钻进困难 依据选取3组的实际打眼深度测量 确定了此处松动圈厚度为1 8 2米 为确保松动圈与基础帮顶之间围岩固化达到实际闭合加固效果 注浆眼深度选择延长0 3 0 5米 以此来保证注浆液体进入后得到有效扩散 使松动圈能够与基础帮顶形成闭合加固 依据此方法确定了此处注浆孔深度为2 0 2 5米 将会取得更好的加固效果 在施工过程中也可根据实际情况进行调整 三 围岩注浆加固参数研究与应用 二 浆液扩散半径的确定 浆液扩散半径是确定注浆孔布置及孔深的重要依据 影响扩散半径大小的因素较多 主要取决于注浆压力 围岩力学性质 裂隙密度及开采 浆液的流动力学参数及初凝时间等 由于浆液在围岩中扩散的复杂性 目前的理论研究水平还不能准确描述 理论计算与实际结果出入较大 所以浆液扩散半径主要根据现场围岩的力学性质 裂隙状况 浆液性质及注浆压力等情况 先由经验确定 然后由现场施工监测 再作相应调整 三 围岩注浆加固参数研究与应用 1 注浆孔的间排距主要由浆液的扩散半径确定 两孔的孔距应保证注浆后浆液渗透范围有一定的交叉 所以应小于2倍的扩散半径 可取2倍扩散半径的0 8倍 2 浆液扩散半径是巷道断面注浆孔布置的重要参数 浆液扩散半径受注浆压力 注浆液粘度 围岩裂隙张开度 产状 注浆工艺等因素影响十分复杂 围岩的综合渗透系数只有通过实测来确定 此巷道是以观察施工现场漏浆情况来推测浆液的扩散半径 三 围岩注浆加固参数研究与应用 首先选取2组注浆段 预设排距为4米 每排以眼深度2 5米 眼间距1 5米为标准 在巷道全断面打7个注浆眼进行注浆实验 将选取的2组注浆眼全部注满浆液 等待注浆24小时2组注浆液全部凝固以后 在2排注浆眼的中间区域 分别对顶板 两帮 底根处采取人工用凿岩机打眼的方式进行观察 通过观察发现2排中间区域注浆后的效果较好 注浆液体扩散凝固的较为均匀 眼排距和单孔扩散范围相近 因此确定了此巷道扩散半径为2 0 2 5m 三 围岩注浆加固参数研究与应用 三 注浆孔布置 由于该巷道受700采面采动影响较大 围岩裂隙较为发育 为此在工艺上采取密布眼形式 因两帮底角围岩是巷道受力最大的部位之一 两帮壁是围岩承受巷道顶板载荷的受力基础 巷道两帮边同底角围岩失去横向支撑而向巷内挤入 直接造成巷道断面的减少和底板鼓起 因此注浆加固围岩应首先注意巷道底角围岩的加固效果 由于巷道两帮围岩是支撑顶板主要部位 如果两帮变形破坏严重 就会引起顶板进一步下沉 从而增加顶部下沉造成荷载增加和承力范围的增大 给巷道底角 三 围岩注浆加固参数研究与应用 造成重大的压力 分析表明 两帮岩石随荷载增加的下沉和巷道底鼓大小有线性关系 因此加固两帮壁围岩可以获得双重作用 考虑到岩体浆液渗透距离 便于注浆孔施工和进行注浆工作 本巷道采取全断面钻孔注浆 形成封闭的加固承载圈 从而达到良好的加固效果 依据测量的巷道断面结果及浆液的扩散半径分析出以巷道正顶为中心 分别向两侧进行排眼的方式进行打眼注浆可以确保注浆液体在松动圈内得到有效扩 三 围岩注浆加固参数研究与应用 散 从而有效形成闭合 因此确定设计的注浆孔布置为顶板一个注浆孔 顶帮交接处各一个 两帮各一个注浆孔 两底角各一个注浆孔 共计7个 注浆孔排距4m 间距1 5m 注浆孔深度均为2 2m 巷道钻孔布置示意图 三 围岩注浆加固参数研究与应用 四 注浆压力的确定 注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力 它直接影响注浆加固效果 注浆压力大小主要受松动圈围岩性质 浆液性能 注浆方式等因素的影响和制约 注浆压力过小 浆液难以向围岩中扩散 达不到预期的效果 若注浆压力过大 很可能在注浆过程中由于注浆压力而导致巷道围岩表面冒顶或片帮等塌落破坏 三 围岩注浆加固参数研究与应用 注浆压力差异较大 主要取决于围岩的渗透条件 有无压力水 浆液的流动力学性质及注浆渗透范围等 注浆压力高 浆液渗透范围大 但要防止较大的注浆压力破坏围岩 尤其在强度较低的围岩内注浆时 在煤巷中注浆 围岩严重破碎时可选用0 5MPa的注浆压力 较破碎时取1 0MPa左右 裂隙较小时取1 0 2 0MPa 最高不超过3 0MPa 如果围岩强度较低 注浆压力不超过其抗压强度的1 3 对渗透性较差及较好的围岩可以采用加密注浆孔的方法 达到低注浆压力的目的 根据本巷道注浆观测经验 注浆压力以不超过4MPa为宜 综合分析 注浆压力暂按2 4MPa考虑 在施工过程中通过观测进一步确定合理的调整注浆压力 三 围岩注浆加固参数研究与应用 五 注浆量的确定 由于围岩裂隙发育程度及围岩松动程度和岩体结构的差异 单位体积的围岩注浆量差别较大 保证足够的注浆量是浆液充分充填围岩裂隙的必要条件 因浆液的注入量受注浆压力 注浆时间 围岩裂隙的发育程度及破碎状况 渗透性等影响 因此 为保证本巷道围岩裂隙被充填满 施工中注浆量以达到注浆终压或不进浆为止 并通过加打注浆孔监控来保证注浆量 三 围岩注浆加固参数研究与应用 每个注浆孔的注浆量可用下式估算 Q a V n式中 Q为注浆量 m3 V为需要充填的体积 m3 n为充填体空隙率 沙层n 25 40 空洞n 1 a为浆液损失系数 取a 1 1 1 3 四 围岩加固施工工艺 一 注浆材料的选择与浆液配制 注浆泵是注浆工作的关键设备 是决定注浆系统的主要因素 我矿采用2TGZ 120 105型双液调速高压注浆泵 矿自制搅拌容器 适合本巷道围岩的注浆加固 在井下巷道加固围岩注浆主要的注浆材料为普通硅酸盐水泥 选用水泥标号425 水玻璃为辅剂 水玻璃42 45波美度 注浆管用 1寸 2 5m无缝钢管 四 围岩加固施工工艺 浆液配制采用以下两种 单液水泥浆 水泥 水玻璃双液浆 四 围岩加固施工工艺 单液水泥浆 以水泥为原材料 用水配制成浆液 采用单液系统注入 常用普通硅酸盐水泥425 添加速凝剂浆液 浆液重量配比为水 水泥 水灰比为0 6 0 8 1 单液注浆系统的优点是使用设备管路少 注浆系统简单 缺点是浆液运送时间要求严格 自混合料进入料桶开始搅拌到筒内浆液全部注入孔内整个过程 延续时间不能超过材料的初凝时间 否则就会发生凝浆堵管和堵塞注浆泵等恶性事故而严重影响作业正常进行 处理事故很困难 四 围岩加固施工工艺 水泥 水玻璃双液浆 以水泥和水玻璃为主剂 水泥浆 水玻璃1 0 5 1 在围岩加固工程中 为了减少跑漏浆而使用 优点是不会发生堵管 堵泵等事故 安全可靠 四 围岩加固施工工艺 二 注浆施工工艺流程 巷道围岩注浆加固质量的好坏 在很大程度上取决于注浆施工工艺 由于该巷道采用的是深孔注浆 进行过翻修处理 补锚索 金属网 喷浆等 因此 采用工艺较为简单 便于操作的单浆液注浆 注浆工艺主要包括为 封闭表面裂隙 钻孔 封孔 注浆 清洗管路及设备等 注浆工艺流程图 Textinhere 水泥 围岩松动圈裂隙 搅拌容器 水 泥浆搅拌 注浆泵 输浆管 注浆管 四 围岩加固施工工艺 1 封闭表面裂隙为保证注浆效果 使浆液有效地渗入围岩裂隙 首先在巷道内支护体及围岩暴露面喷射一层强度较高的混凝土 使喷层与原支护形成一个结合层 作为注浆时的止浆垫 防止浆液从孔边流失 喷层的质量对注浆影响很大 实践中常发现由于喷层不完整 破裂面不规则而导致的漏浆 并很难堵漏 随漏浆量的增加浆液向裂隙内的渗透逐渐停止 不能保证有效的注浆量和渗透范围 四 围岩加固施工工艺 2 钻孔并安装注浆管采用7655型气腿式凿岩机 42mm一字型钎头打钻孔 钻眼完成后 安装注浆管并封孔 为确保浆液渗透范围的合理分布及加固围岩帮角的效果 按设计的深度及间排距进行施工 保证钻孔质量以利加固效果 3 封孔由于该巷道是深孔注浆 注浆压力较大 因此 在封孔过程中一定要保证封孔质量 以便主将施工的正常进行 注浆管缠线麻打入注浆孔内 用道钉 铁楔 线麻加固管口 四 围岩加固施工工艺 4 注浆注浆孔封好后 必须检查注浆管路是否畅通 严格控制材料配比 将浆液搅拌均匀后方可注浆 注浆顺序为先帮后顶 自下而上 逐排逐孔进行 注完浆后 注浆泵 管路及阀门等要彻底冲洗干净 四 围岩加固施工工艺 三 注浆监控及质量检查 注浆加固围岩是一种隐蔽性很强的工程技术 除按设计要求进行施工外 还必须加强注浆过程中的监测监控和注浆以后的质量检查 通过现场专人记录注浆压力 注浆量 渗透范围等参数的变化情况和打探眼实质观测 掌握其渗透效果以调整并确定注浆参数 四 围岩加固施工工艺 1 注浆量拌料筒内壁有刻度标志 可以较准确地记录单孔的注浆量 通过初期不同孔位注浆量的多次记录 能够基本掌握其变动范围 指导以后的注浆工作 2 注浆压力注浆泵调压阀输出压力端设有压力表 可以准确记录浆液输出压力及浆液渗透过程中阻力增加而引起的浆液压力变化情况 经过实践可以确定各种巷道条件下适宜的注浆终压 四 围岩加固施工工艺 3 浆液扩散单孔注浆时 作业人员仔细观察孔周围岩体变化及渗透情况 结合周围打钻孔检查渗透范围 了解注浆孔周边的渗透规律 巷道围岩注完浆液后的质量检查 采用钻孔检查围岩的固结范围 程度及巷道变形观测 最后 在已注完的两孔之间采取复注方式来提高围岩注浆的效果 四 围岩加固施工工艺 四 巷道围岩表面变形观测 为了检查注浆效果和围岩变形的时间过程提供依据 需要进行巷道围岩表面变形观测 当巷道围岩注浆工程完成后 立即布设巷道表面收敛测站 并记录测站位置 断面特征 用本矿测量技术人员计测量 精度1mm 在巷道内每隔50m布设一个测站 此巷道共设七个 测点用水泥钉固定在巷道左右 上下四处并涂油做标记 用绑线连接成十字形 量出上高 下高 左宽 右宽 按设计的测线进行测量 要求每个测线量测两次 记录后取平均值 并要求填写记录并作图 以2号测站为例见图 巷道变形观测图 五 注浆加固效果 一 巷道围岩强度提高 西一700工作面回采剩余60米及采面进行拆除时 在此期间工作面出现多次动压现象 但西翼轨道大巷注浆液地段 帮 顶未出现动压显现 说明此巷道通过注浆加固 其强度大幅度提高 围岩变得坚硬完整 对巷道维护效果显著 五 注浆加固效果 二 巷道变形量减小 在同一巷道 选择未经注浆加固的一段巷道与注浆加固部分的巷道进行对比