構(gòu)造破碎帶巷道注漿加固技術(shù)

武鵬飛,田取珍

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 山西太原 030024)

構(gòu)造破碎帶巷道注漿加固技術(shù)

武鵬飛,田取珍

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 山西太原 030024)

處于地質(zhì)構(gòu)造帶的巷道圍巖注漿加固已經(jīng)成為巷道支護(hù)的一項(xiàng)重要技術(shù)。分析了巷道圍巖注漿的可注性條件及其影響因素,并結(jié)合固莊煤礦實(shí)際,研究了漿液的擴(kuò)撒半徑及注漿壓力,對煤礦巷道穿越構(gòu)造破碎帶時(shí)的支護(hù)有一定參考價(jià)值。

構(gòu)造帶;巷道支護(hù);注漿;注漿參數(shù)

1 破碎帶巷道圍巖注漿加固理論

處于構(gòu)造破碎帶的巷道難以支護(hù),采用圍巖壁內(nèi)注漿技術(shù),可達(dá)到改善圍巖力學(xué)性能、增強(qiáng)圍巖整體性、控制圍巖變形的效果,其支護(hù)機(jī)理包括以下幾方面:

(1)注漿后的圍巖能有效的閉合原有的節(jié)理及裂隙,阻止圍巖節(jié)理、裂隙進(jìn)一步發(fā)育,能有效的提高圍巖強(qiáng)度;

(2)通過注漿使普通錨桿具備了全長錨固錨桿的優(yōu)良特性,有利于巷道破碎圍巖的加固;

(3)注漿可提高圍巖的殘余強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角,使破碎的巖體再次獲得較高的支撐能力;

(4)注漿后圍巖的整體強(qiáng)度提高,縮小了圍巖的松動圈半徑,改善了圍巖的應(yīng)力圈狀態(tài)。

2 構(gòu)造破碎帶巷道圍巖的可注性

處于破碎帶中的巷道,其地應(yīng)力場及其變化,決定著巷道圍巖結(jié)構(gòu)面透漿條件的變化,在注漿前應(yīng)詳細(xì)調(diào)查巷道構(gòu)造帶的結(jié)構(gòu)面特性。

巖體的可注性是指在單位漿液壓力下,單位體積被注漿巖體的注漿量。構(gòu)造破碎帶圍巖能夠注漿,是因?yàn)槠鋷r體存在張開的節(jié)理、裂隙。單條裂隙的滲透量與其裂隙長度及寬度成正比關(guān)系,它對圍巖的注漿性能影響很大,所以要對注漿巷道的圍巖裂隙進(jìn)行細(xì)致調(diào)查。

構(gòu)造帶巖體的非均質(zhì)各向異性,導(dǎo)致了漿液在巖體內(nèi)各個(gè)方向滲透的不均勻性。在巖體的滲透性研究中,漿液的滲透系數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。滲透系數(shù)一方面取決于圍巖孔隙率本身,另一方面取決于漿液的性質(zhì)(密度、粘稠度等),還和圍巖所受的應(yīng)力及等效水力梯度有關(guān)。構(gòu)造破碎帶巷道由于圍巖較破碎,其滲透系數(shù)也較大。滲透系數(shù)表達(dá)式如下:

式中:k——滲透張量;

ρ——流體密度;

μ——流體粘滯系數(shù)。

當(dāng)滲流在巖體中表現(xiàn)為各向異性時(shí),通常用滲透張量來表征圍巖的滲透特性。下面是各向異性巖體的滲透張量表達(dá)式:

式中:be(l)——第l組不連續(xù)面的等效水力開度;

λ(l)——第l組不連續(xù)面的間距;

n(l)——第l組不連續(xù)面的法線方向余弦;

δij——Kronecker函數(shù);

g——重力加速度;

μ——流體粘滯系數(shù)。

目前,大多數(shù)的巷道圍巖注漿方案都是根據(jù)圍巖體的透水率的大小設(shè)計(jì)的,但巖體中很多微裂隙是透水而不透漿的,因此不能簡單的根據(jù)圍巖的透水率設(shè)計(jì)注漿方案。圍巖可注性一般由3個(gè)因素決定:一是圍巖裂隙的發(fā)育程度及裂隙寬度,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),我國水泥類漿液一般只能注入張開度大于0.2 mm的裂隙;二是水泥漿液粒徑的大小和粘稠度,當(dāng)水泥粒徑大于裂隙寬度時(shí)會出現(xiàn)不吃漿現(xiàn)象;三是與注漿的壓力有關(guān),在一定的壓力影響范圍內(nèi),隨壓力的增大可注性明顯提高。但各類圍巖都有其自身的臨界壓力,井下巷道圍巖中常存在一些易于漿力劈裂的層面和不連續(xù)面等,當(dāng)注漿壓力超過臨界注漿壓力時(shí),巖體就會發(fā)生劈裂,出現(xiàn)吸漿量增大現(xiàn)象,造成不必要的資源浪費(fèi)。所以,在巷道圍巖注漿前,應(yīng)仔細(xì)地調(diào)查圍巖的臨界注漿壓力。

以固莊煤礦15703工作面順槽破碎帶為例,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,并結(jié)合圍巖樣本的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出其圍巖裂隙較發(fā)育,平均裂隙張開度達(dá)到0.26mm;注漿壓力達(dá)4.5MPa時(shí)還未發(fā)生漿力劈裂,可見該破碎帶圍巖滿足注漿條件。

3 基于破碎帶松動圈的注漿深度

由于地應(yīng)力與圍巖的相互作用,圍巖會產(chǎn)生大小不同的松動圈。巷道支護(hù)的主要對象是其擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的碎脹力以及其所造成的有害變形,松動圈半徑越大,巷道收斂變形也越大,支護(hù)越困難。而處于構(gòu)造破碎帶的巷道松動圈較大,是因?yàn)樵擃愊锏绹鷰r碎脹性較大,會產(chǎn)生較大的碎脹力,且向深度擴(kuò)展,碎脹區(qū)已經(jīng)超過普通錨桿長度,會使錨桿整體離層掉落。根據(jù)圖1,當(dāng)應(yīng)力超過塑性區(qū)時(shí)顯著上升,塑性區(qū)圍巖處于將要破壞但未發(fā)生破壞階段,結(jié)合工程類比經(jīng)驗(yàn),注漿深度應(yīng)通過破碎區(qū)進(jìn)入塑性區(qū)內(nèi)。因此,可根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合巷道實(shí)測的松動圈半徑來確定注漿深度。

圖1 松動圈及圍巖應(yīng)力示意

固莊煤礦15703工作面順槽破碎帶圍巖松動圈半徑達(dá)2.16m,因此其注漿深度應(yīng)大于2.16m進(jìn)入塑性區(qū)內(nèi)。

4 注漿擴(kuò)散半徑

我國煤礦巷道圍巖注漿時(shí)的漿液擴(kuò)散半徑R值通常在1～2.5m之間,隨地質(zhì)情況及灌漿壓力的不同,擴(kuò)撒半徑也不同。以固莊礦為例,該礦15703工作面順槽穿過向斜構(gòu)造帶,該巷道部分現(xiàn)處于變形失穩(wěn)狀態(tài)?，F(xiàn)在井下注漿擴(kuò)散半徑一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:γh——巖石體積質(zhì)量×巷道埋深,MPa;

Rc——巖石強(qiáng)度,MPa;

a——巷道半徑,m。

將γh=10.91MPa,Rc=75.3MPa(頂板上方50 m內(nèi)均值),a=2.22m,代入式中,即可得出漿液擴(kuò)散半徑R=2.42m。

5 注漿壓力

在灌漿設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本原則:一是不允許發(fā)生漿力劈裂;二是在不發(fā)生漿力劈裂和超過擴(kuò)散半徑的前提下盡可能采用提高灌漿壓力。

巷道圍巖注漿過程中,在不同水灰比下,隨著注漿壓力的增大,漿液擴(kuò)散半徑的增長幅度不同,以固莊煤礦7采區(qū)15703工作面順槽向斜構(gòu)造帶為例,當(dāng)注漿壓力在1～3MPa之間時(shí),隨著注漿壓力的增大,漿液擴(kuò)散半徑的增長幅度相對較大;當(dāng)注漿壓力在3～5MPa之間時(shí),隨著注漿壓力的增大,漿液擴(kuò)散半徑的增長幅度相對較小。

注漿壓力是重要注漿參數(shù)之一,一般是參照國內(nèi)外數(shù)據(jù)選取。在我國的煤礦巷道注漿工程中,一般注漿壓力為1～3MPa,固莊煤礦采用的注漿壓力為2MPa。

6 結(jié) 論

處于構(gòu)造破碎帶的巷道圍巖較松散破碎,構(gòu)造應(yīng)力較高,在此類巷道注漿加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)首先調(diào)查圍巖的可注性。從提高巷道圍巖強(qiáng)度、充分利用圍巖自承能力的角度出發(fā),通過注漿加固松散破碎的圍巖,提高其整體強(qiáng)度,從而控制構(gòu)造破碎帶巷道的強(qiáng)烈變形。本文結(jié)合固莊煤礦15703順槽注漿實(shí)踐,對裂隙發(fā)育巖體的可注性、注漿后圍巖性能變化及其注漿參數(shù)等進(jìn)行了研究。對處于構(gòu)造破碎帶的巷道圍巖注漿加固有一定的參考價(jià)值。

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2009-09-11)

武鵬飛(1984-),男,山西太谷人,在讀碩士研究生,主要從事采礦工程的研究,Email:wpf0301@163.com。