大采高综放工作面小煤柱护巷煤体加固技术-

1、收稿日期:2008201225作者简介:史国跃(1970-,男,山西沁源人,助理工程师,从事煤矿生产技术工作。大采高综放工作面小煤柱护巷煤体加固技术史国跃(潞安环能股份公司王庄煤矿,山西长治046031摘要:6203工作面是王庄煤矿首个大采高自动化综放工作面,风巷采用沿空小煤柱方式布置。该面煤层节理裂隙发育,比该矿其它采区煤层埋藏深度增加,巷道断面收敛较大,底鼓严重。为满足大型设备的运送和采动期间巷道的维护以及瓦斯防治,对小煤柱里外侧分期进行了喷浆和注浆加固,从而提高了窄煤柱的完整性和承载能力,为大采高试验成功奠定了基础,取得了预期效果。同时也为今后类似条件的支护提供了很好的借鉴,为大采高开采

2、技术的推广和完善提供了有力的科学依据。关键词:大采高;注浆加固;窄煤柱;马丽散;动压巷道中图分类号:T D265.4文献标识码:B 文章编号:100522798放工作面为王庄煤矿第一个大采高工作面,可采长度风巷为1724m ,其风巷与6205工作面留5m 窄煤柱掘巷,巷道支护为全锚网支护,该巷道要求在6205工作面回采期间采动应力极不稳定状态下快速掘巷,因受采动影响,巷道将出现较大的变形。另外,在6203工作面顶煤煤体中距风巷15m 平行掘有一条排瓦斯巷,该巷的跟进会进一步加剧巷道变形。若不提前对6203风巷与6205工作面间5m 小煤柱进行加固,一方面

3、将很难保证6203风巷的掘进成形和控制6203风巷在掘进期间的巷道变形,无法实现快速掘进;另一方面巷道产生较大的变形后,断面减小,通风能力受到影响,并且大采高支架在6203工作面的试验成功更是无法保证,因此必须提前对该巷煤体进行有效加固。1概况1.1煤层概况6203工作面所采3#煤层赋存于二叠系山西组地层中下部,为陆相湖泊型沉积;煤层厚度稳定,全煤含夹矸5层,累计厚度为0.40m 。煤层总厚7.00m ,煤层埋藏深度300330m ,工作面割煤厚度3.5m ,煤层普氏系数f =23,巷道顶底板岩性特征,见表1。表1巷道顶底板岩性特征围岩名称岩石名称厚度/m 岩石描述老顶细砂岩8.6灰色、细粒,

4、主要成份石英、长石,钙质胶结,含云母片直接顶泥岩 3.65黑色、含植物化石,局部地段为砂质泥岩直接底泥岩 1.95黑色、质均致密,含植物化石老底细砂岩1.5灰色,细粒,成份长石、石英,含云母片,局部含砂质泥岩1.2巷道布置情况及支护形式6203风巷里侧为留设15m 煤柱的瓦排巷,风巷外侧为留设有5m 煤柱的6205已采面。巷道平 面布置,见图1。图1巷道平面布置6203风巷沿煤层底板掘进,为4.0m ×3.2m全锚(网支护,两帮分别为3根D 20mm ×2000mm 高强度螺纹钢锚杆,顶板为5根D 20mm×2400mm 高强螺纹钢锚杆,排距为800mm ,每隔1

5、.6m 在顶板平行打设2根D 15.24mm ×7300mm 小孔径预应力锚索加强支护。2注浆固化改善巷道维护状况的机理注浆加固是一种改善围岩结构及其性质,提高围岩整体性和自承载能力、降低支护成本、提高支护效果的有效方法,是利用浆液把围岩的各种弱面充实、重新胶结起来,改善围岩的物理力学性能,增强围岩自承载能力,从而提高围岩整体稳定性和力学性能。围岩注浆加固与锚杆支护相结合,不仅可改善围岩岩性和应力分布,而且可提高围岩承载能力,大大减小巷道围岩变形,显著改善巷道维护状况。2实用技术总第103期2.1注浆固化提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度根据试验分析,注浆后裂隙面的刚度和抗剪强度都得

6、到很大提高,而且裂隙面的法向正应力越大,其刚度和抗剪强度提高越明显,尤其以刚度的改善更为显著。注浆后裂隙面刚度和强度力学性能的改善,提高了岩体的强度,从而提高了围岩自身承载能力。2.2浆液固结体的网络骨架作用浆液经挤压或渗透到煤体内纵横交错的裂隙中固结后,会在围岩中形成网络骨架结构。浆液固结体呈薄厚不一的片状或条状,几乎可相互连通形成网络骨架,虽然形成网络骨架的马丽散材料抗压强度比煤体的小,但马丽散材料固结体具有良好的韧性和粘结性,当外载增加时,固化材料发生变形但不破坏,载荷主要由强度较高的煤体承担,这样巷道围岩的破坏条件由原来的裂隙弱面强度条件向接近煤体强度条件转化。当外载超过煤体强度,发生

7、较大变形时,固结材料的网络以其良好的韧性和粘结强度起到骨架作用,提高煤柱的残余强度,从而改善巷道维护状况。2.3充填压密及转变围岩破坏机制的作用当介质内有裂隙时,承载时在裂隙端部产生强烈的应力集中,介质产生破坏就是在一定的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果。注浆固化时浆液在泵压的作用下,除了将一些较大的裂隙充填满,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。固结材料对裂隙面的粘结作用,使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失,从而使巷道围岩的破坏机制发生转变。例如,由原来裂隙扩展破坏转变为在最大剪应力作用面上的剪切破坏,或是在垂直最小主应力方向上发生拉伸破坏等。另外,当围岩中存在较大的裂

8、隙,裂隙附近的岩体处于二向应力状态,当裂隙内充满固化材料或压密后,将变为三向应力状态,而岩体在三向应力状态时的强度比二向时显著增大,并且脆性减弱、塑性增强。从受力状态来看,注浆固化也起到了转变岩体破坏机制和提高巷道围岩强度的作用。3加固方案选择3.1加固时段安排根据6203风巷及其6205相邻工作面的回采情况,6203风巷煤体加固技术分两个阶段进行,即第一阶段为6203风巷未掘成前的加固,第二阶段为6203风巷掘成后的加固。3.2加固材料的选择由于马丽散具有高度粘合力和很好的机械性能,注入煤体后,能渗透到煤体细小裂缝,发生膨胀和粘结,有效地加固围岩松动圈,使之成为整体,从而提高煤体的整体承载能

9、力,控制巷道的变形,所以采用马丽散对煤体进行注浆加固。同时为保证煤壁的完整性,防止马丽散从锚杆孔和煤体裂隙中流出,在注浆前先对煤壁进行喷浆封闭。4加固参数设计4.16203风巷未掘成前的加固参数设计4.1.1加固范围由于对6203风巷未掘成前小煤柱加固要在6205风巷进行,6205已回采500m,所以加固范围为6205风巷剩余的800m巷道外帮。4.1.2加固参数确定1喷浆参数:根据6205风巷现场条件及要求,确定喷浆水泥河沙比为12,喷层厚度100 150mm。喷浆为6205风巷外帮煤墙。2注浆参数:在62采区地质资料及相似条件下的现场实测,6205风巷外帮破碎圈为0.8m,松动圈为1.2m

10、。3在相似条件下使用马丽散的实测结果为:马丽散在未受动压影响时的渗透半径为1.8m,在受动压影响时的渗透半径为2.5m。根据以上参数确定:在6205风巷外帮煤墙中部每隔3m水平布置一个注浆孔,孔深3m,封孔长度为1.2m。4.26203风巷掘成后的加固4.2.1加固范围6203风巷掘成后,加固主要在6203风巷进行,加固范围为受6205采动影响的500m巷道外帮煤柱。4.2.2加固参数确定喷浆参数:同6203风巷未掘成前的加固参数。注浆参数:由于马丽散在受动压影响时的渗透半径为2.5m,确定注浆孔深2.2m,封孔长度为1m,排距4m,共打两行,三花眼布置,下部眼水平布置,距底板1.5m;上部眼

11、距顶板0.8m,倾角30°。6203风巷注浆孔平、剖面图,见图2 。图26203风巷注浆孔平、剖面5注浆加固效果分析6203工作面风巷窄煤柱(下转第28页122008年5月史国跃:大采高综放工作面小煤柱护巷煤体加固技术第17卷第5期长锚固。锚杆角度:帮上下部锚杆分别上、下斜10°,其余垂直两帮。锚杆布置方式:每帮每排布置4根,间距800mm,排距为1m。金属网规格: 2700mm×1050mm(长×宽。托板:采用拱形高强度铁托板,配合使用球形垫、尼龙垫。钢筋托梁规格:采用D14圆钢焊接而成,宽度70mm,长度2700mm。3施工3.1主要施工工序1掘进出

12、煤后利用风动钻机、风动煤钻钻好眼后清孔,清除煤粉和泥浆。2利用锚杆杆体将树脂锚固剂(一支K2335、一支Z2360轻推送入眼底,锚杆杆体套上托板、球形垫、尼龙垫以及螺母。3利用风动钻机或风动煤钻连续搅拌锚固剂3050s,中途不得间断。4最后利用风动扳手拧紧螺母,预紧力不小于300Nm。3.2施工质量要求及安全技术措施该巷施工中锚杆的施工工艺、机具与一般锚网巷道基本相同,只是由于锚杆预紧力较高而利用风动扳手拧紧螺母。1施工质量要求。锚杆预紧力不小于300Nm,锚固力不小于70k N。中线误差不得超过±50mm,按设计尺寸掘进,严禁超挖欠挖,保证巷道成型。锚杆间排距误差不得超过设计值&#

13、177;50mm。2安全技术措施。严格按照作业规程要求施工。严格按照有关设备操作规程使用施工机具。施工质量要有专人负责监督。锚索紧跟窝头打设并及时张拉,以确保支护效果。4结语随着矿井开采条件的恶化和开采资源的不断减少,在特殊条件下,需要在护巷煤柱中布置巷道,可有效减少护巷煤柱,增加回收率,而采用锚网支护,可简化施工条件,降低支护材料费用,同时保证巷道的安全使用和支护的可靠性,具有良好的社会经济效益。责任编辑:魏晋英(上接第4页强度相匹配;此外,锚杆长度应满足井下施工的要求。屯留矿区深部及复杂条件下巷道围岩破坏范围比较大,围岩压力大,在设计较大预应力的条件下,应选则较长的锚杆。5对于围岩比较破碎

14、、结构面发育、压力大的巷道,应采用加长锚固或全长锚固锚杆,使其能及时抑制围岩的离层与滑动,提高支护系统的刚度和围岩的完整性。6锚杆支护密度涉及排距和间距两个参数。锚杆密度过小,围岩变形得不到有效控制;当锚杆密度增加到一定值,再加密锚杆,支护效果改善不明显。支护密度有一合理的取值,在选取支护密度时,应尽量提高单根锚杆的预应力、强度与刚度。在保证支护效果与安全的条件下,降低支护密度,同时,支护密度应与锚杆预应力、强度、长度相匹配,与组合构件相匹配。7托板和金属网等护表构件在强力锚杆、锚索支护系统中起着关键作用。一方面,这些构件应有一定的护表面积、强度和刚度,起到扩散锚杆预应力、扩大锚杆作用范围的作用;另一方面,其几何参数、力学参数应与锚杆参数相匹配,确保锚杆、锚索支护性能的充分发挥。8锚索参数包括锚索长度、直径,预紧力与破断力,锚固长度,锚索间、排距等。锚索参数的设计应保证锚索能将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连,发挥深部围岩的承载能力,提高次生承载结构的稳定性。责任编辑:王玉洁(上接第21页通过注浆加固后,和未注浆前相比,在超前采动影响范围内,风巷顶底板相对移近速度最大为17.5mm/d,平均6.6mm/d,相对移近量为93mm,降低率为9.2%;两帮相对移近速度最大为40.