4326回风顺槽断层破碎带注浆加固技术探究_李超.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：针对三元煤业4 3 2 6回风顺槽掘进过F2 6断层破碎带施工困难的实际情况，提出了围岩注浆加固的方法。通过数值模拟，分析了注浆加固前后顺槽围岩的垂直应力分布与垂直变形特征，经过现场应用，4 3 2 6回风顺槽顶板移近量与两帮移近量最终维持在1 2 0mm和1 5 0mm，围岩变形得到了有效控制。关键词：巷道掘进；断层破碎带；数值模拟；注浆加固中图分类号：TD2 6 5.4文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 4 0-0 3Study on Grouting Reinforcement Technology of Crossing Fault Fracture Zone at 4326 Return AirwayLi Chao(Shanxi Sanyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046000)Abstract:In view of the construction difficulties of 4326 ventilation entry tunneling through the F2 6fault fracture zone,SanyuanCoal Industry,the paper puts forward the method of surrounding rock grouting reinforcement,and analyzes the vertical stressdistribution and vertical deformation characteristics of entry surrounding rock before and after grouting reinforcement throughnumerical simulation,whose field application shows that the convergences of the roof and the two sides of 4326 ventilation entryare finally maintained at 120 mm and 150 mm,and the surrounding rock deformation is effectively controlled.Key words:roadway excavation;fault fracture zone;numerical simulation;grouting reinforcement4326 回风顺槽断层破碎带注浆加固技术探究李 超（山西三元煤业股份有限公司，山西长治0 4 6 0 0 0）地层的构造运动往往会伴随煤系地层的形成，煤系地层形成后的地壳运动，将对煤层的赋存状况生产很大影响。因此，煤层分布范围内往往会伴随着多条走向、倾向、倾角和落差各异的断层1-2。断层破碎带的分布，严重制约着巷道的安全、快速掘进。为使掘进巷道安全、快速地通过断层破碎带，三元煤业4 3 2 6回风顺槽提出对围岩注浆加固的技术措施3-6。通过数值模拟，分析注浆加固前后顺槽围岩的垂直应力分布与垂直变形特征，并经现场应用，验证顺槽围岩控制的效果。1工程概况三元煤业四采区4 3 2 6工作面开采3#煤层，工作面标高约+5 2 9.5m，工作面东、南、西三方均为实体煤，北部为四采区准备巷道。3#煤层厚度为6.7 3 7.3m，煤层硬度0.6 3，煤层倾角为1 1 0，煤层直接顶为厚度3.8 3m的砂质泥岩，平坦状断口；基本顶为厚度6.1m中粒砂岩，参差状断口，层理、裂隙发育；直接底为厚度3.2 1m的细粒砂岩，泥质充填，裂隙发育，参差状断口；基本底为厚度2.6 5m的粉砂岩，平坦状断口。煤层顶底板钻孔柱状如图1所示。4 3 2 6回风顺槽设计断面形状为矩形，顺槽掘进高度42 0 0mm，宽度52 0 0mm，净高度40 0 0mm，净宽度50 0 0mm，顺槽沿煤层底板掘进。回风顺槽设计支护方案采用锚网（索）+钢筋托梁联合支护方式。根据采区地质勘测报告可知，4 3 2 6回风顺槽掘进期间会遇到D F1与F2 6两条断层。其中D F1断层距顺槽开口7 3 4m，F2 6断层距顺槽开口1 6 6m，F2 6为逆断层，走向N 1 5 W，倾向S 7 5，倾角5 0，落差3m。在4 3 2 6回风顺槽掘进期间，会直接通过F2 6断层。断层影响范围内围岩破碎带范围约为3 5m。因此，在顺槽采用锚网（索）+钢筋托梁联合支护方式的前提下，需要对顺槽围岩进行注浆加固，以保证4 3 2 6回风顺槽安全的经过断层破碎带。图13#煤层顶底钻孔柱状图2数值模拟为探究注浆前后顺槽围岩的应力及变形情况，建立F L A C3 D数值模拟模型，如图2所示。模型4 0江西煤炭科技2023年第1期长、宽、高分别为1 0 0m、6 3m、2 0m，模型共计70 2 0个网格，88 5 6个节点。模型四周采用水平位移约束，底部采用垂直位移约束，顶部施加9.5 5M P a的竖向载荷模，如表1所示。数值模型中顺槽高度40 0 0mm，宽度50 0 0mm。图2数值模拟模型表1数值模拟计算岩层物理参数名称密度/kgm-3体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/抗拉强度/MPa上覆岩层27 2 03.1 52.9 32.4 83 81.3 6基本顶25 5 02.2 31.5 51.8 33 51.1 0直接顶22 1 01.3 70.9 61.3 22 80.7 513 6 00.7 60.3 50.9 32 30.8 718 6 01.2 60.9 31.3 52 90.9 8直接底23 5 02.9 82.4 31.9 63 61.2 5基本底25 0 02.8 32.1 52.3 63 51.3 9下伏岩层27 2 03.1 52.9 32.4 83 81.3 6煤层加固前加固后注浆前后顺槽围岩的垂直应力分布如图3所示。由图可知，顺槽围岩注浆前，煤壁内部受到的最大垂直应力为1 8.2M P a，应力集中系数为1.7 7；顺槽围岩注浆后，煤壁内部受到的最大垂直应力为1 2.5M P a，应力集中系数为1.2 1。由此可知，顺槽围岩注浆后，受到的最大垂直应力明显减小，有利于顺槽的维护。（a）注浆加固前（b）注浆加固后图3注浆前后顺槽围岩垂直应力分布注浆前后顺槽围岩的垂直变形分布如图4所示。由图可知，顺槽围岩注浆前，顺槽顶板的最大垂直变形为5 7.4 6mm；顺槽围岩注浆后，顶板的最大垂直变形为3 8.4 4mm，顺槽顶板的最大垂直变形减小3 3.1%，顺槽围岩的垂直变形得到有效控制。（a）注浆加固前（b）注浆加固后图4注浆前后顺槽围岩垂直变形综上所述，通过对顺槽围岩注浆加固的方法，使得断层破碎带范围内的顺槽围岩环境得到有效改善，围岩受到的垂直应力和变形明显减小，有效控制了围岩的应力集中与变形量。3注浆加固现场应用3.1钻孔布置图5注浆孔平面布置及注浆工艺注浆孔孔径为3 2mm，距离底板20 0 0mm布置2个钻孔，分别布置在距离左、右帮各10 0 0mm位置。注浆孔深度50 0 0 60 0 0mm，注浆孔平行于两帮打设，与水平夹角4 5 布置，封孔器布置在距离孔口20 0 0mm位置（具体根据现场注浆扩散情况，孔间距取最佳值），如图5所示。4 1江西煤炭科技2023年第1期3.2注浆工艺使用马丽散作为注浆加固材料，马丽散是一种低黏度，双组分合成高分子聚亚胺胶脂材料。注浆加固实施主要包括以下步骤：（1）注浆压力。采用Z B Q S-8.4/1 2.5气动注浆泵，保证围岩的最大注浆压力稳定在1 7 2 0M P a。（2）浆液扩散半径及有效扩散距离。受裂隙展布影响，浆液在被注浆体中在各个方向的扩散距离并非均匀的，确保高分子化学浆液在普通裂隙开度和孔隙率下的扩散半径为1 1.5m。（3）注浆历时。根据注浆材料特性，从开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中的时间一般为1 0 2 0m i n。（4）注浆顺序。根据地质条件、现场环境及注浆目的来确定。对于裂隙沟通比较好的煤岩体可采用间隔跳孔注浆方式，以减少串浆，提高注浆效果；对于大面积、大范围的岩体应采用先外围，后内部的注浆顺序；对于破碎煤柱整体加固可采用深浅孔配合注浆方式；对于裂隙比较发育，跑冒浆液比较严重的注浆载体，可采用先浅部注浆，浆液扩散后在浅部快速形成类似“止浆墙”的具有止浆效果的整体煤体，再深部注浆，保证深部浆液扩散范围和注浆压力。（5）注浆过程。气动注浆泵由气动马达带动下方三个活塞，工作时吸料管分别插到两种液体料桶中，活塞泵通过吸排料管抽运双组份材料的两种液体介质。注射马丽散时两种液体压送比例为1 1，并且利用三个不同活塞截面积来实现不同的注射比例。两种液体分别通过高压软管压送到双液注射混合枪里混合，混合物通过注射管送到目的位置。3.3巷道变形监测在4 3 2 6回风顺槽掘进过断层破碎带期间，对顶底板移近量及两帮移近量进行观测，测站位置、观测结果如图6、图7所示。随着观测天数的增加，4 3 2 6回风顺槽的顶底板移近量与两帮移近量均呈现先增加后趋于稳定的趋势。顺槽围岩变形在5 6d后基本保持稳定，顶底板移近量稳定在1 2 0mm，两帮移近量稳定在1 5 0mm。通过对围岩进行注浆加固然后再配合合理的支护方案，巷道围岩变形满足矿井生产要求。4结语以三元煤业4 3 2 6回风顺槽为研究对象，采用数值模拟的方法，探究围岩注浆后掘进期间通过F2 6逆断层围岩的垂直应力分布与垂直变形特征；实施巷道围岩注浆加固后，断层破碎带范围内的顺槽围岩环境得到有效改善，垂直应力和变形明显减小。使用马丽散作为注浆加固材料，现场应用表明，注浆加固后4 3 2 6回风顺槽顶底板移近量与两帮移近量最终维持在1 2 0mm和1 5 0mm，维护效果良好。参考文献：1 胡平，黄辉，张森，等.梅花井矿2 3 2 2 0 4工作面运输巷过断层的围岩控制技术研究J.河南科技，2 0 2 1（1）：6 9-7 1.2 武辉.树儿里矿2 2 0 4巷掘进过断层围岩控制研究J.山东煤炭科技，2 0 2 0（9）：2 1-2 3，2 6.3 张昭.破碎围岩层次注浆加固在掘进巷过断层的应用J.山西焦煤科技，2 0 2 1，4 5（8）：2 0-2 2.4 高辉.钢棚+注浆支护在煤巷过断层破碎带中应用J.江西煤炭科技，2 0 1 8（1）：2 6-2 7，3 3.5 郭李刚.锚网索、注浆、U型棚复合支护在掘进巷道过断层影响区的应用J.长治：煤，2 0 1 8，2 7（1）：3 0-3 1，3 4.6 李小龙.煤巷掘进锚杆注浆超前支护过断层破碎带实践J.江西煤炭科技，2 0 1 7（4）：6 9-7 1.作者简介：李 超（1 9 8 6），男，山西长治人，2 0 1 4年毕业于山西大同大学采矿工程专业，助理工程师，现从事采掘技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 7编辑：彭呈喜图6测站位置图74326回风顺槽变形实测结果4 2