运输顺槽掘进断层含水破碎带注浆堵水与加固施工方案

1、运输顺槽掘进断层含水破碎带注浆堵水与加固施工方案羊场湾煤矿y292运输顺槽掘进穿过df15断层含水破碎带注浆堵水与加固施工方案1工程概况羊场湾煤矿y292运输顺槽沿二煤底板掘进，根据地质资料前方将遇 到df15正断层。2#煤层煤厚12.31m，倾角10。；煤层直接顶为粉砂岩、 中粒砂岩互层，厚1.15m；老顶为中粒砂岩，厚18.45m；直接底为细砂岩， 厚10.79m。df15断层倾向305° ,倾角82° ,落差15m,与y292运输顺 槽斜交，夹角约36。o该顺槽在掘至距断层15m时，按7。下坡掘进直至 通过断层带，巷道底板见2#煤底板夹石干，然后沿2#煤底板掘进。该顺

2、槽 在距断层前后15m范围采用锚、网、喷支护，并采用u25钢支架进行加 强支护，该范围巷道断面采用三心拱，巷道宽5900mm,高4000mmo根 据矿地测科在探巷探断层实际情况，该断层可能出现围岩破碎涌水、涌砂 现象。2日的及要求为防止df15断层在巷道掘进通过时发生突水或冒顶事故，现按照煤 矿安全规程、矿井水文地质规程及煤矿防治水工作条例有关规定， 结合井田地质勘探资料、井巷揭露的地质资料有关内容，特编制本设计, 对df15正断层进行化学预注浆加固，防止突水、涌沙及冒顶事故的发生。为确保工作面能够顺利推过df15断层，防止掘进时发生冒顶或涌沙 涌水事故，我们拟采用深孔超前化学预注浆加固及开挖

3、后围岩锚注加固相 结合的方法，实现堵水固沙，保证不发生冒顶或涌沙涌水事故，消除过断 层的种种不安全因素，保证巷道的止常掘进。3化学注浆加固破碎煤岩体的机理1）充填密实作用浆液在注浆泵压力作用下，不但可以将互相联通的岩体裂隙充满，同 时在压力的作用下，还可以将充填不到的封闭裂隙和空隙压缩，从而对岩 体整体起到压实作用。压实作用的结果是使岩体的弹性模量提高，强度也 相应提高。2）网络骨架作用在破碎煤岩的注浆加固过程中，浆液在泵压的作用下挤压或渗透到破 碎煤岩的大大小小的裂隙屮去，浆液固结后，以固体的形式充填在裂隙中 并与岩体固结，这些充填的材料在岩体内形成新的网络骨架结构，注浆后的岩体增加 了由加

4、固材料形成的浆脉。这些浆脉在岩体中呈薄厚不一的片状或条状，但均相 互联系形成网络骨架，网络骨架内侧则是均匀密实的岩体，形成网络骨架的充填 材料具有较好的弹性的粘结强度。3）补强作用岩体的强度通常用莫尔强度理论来描述，注浆加固的补强作用可采用 莫尔强度理论进行分析，为简化计算，强度曲线采用直线形包络线。即?c?tg?式中：t岩体抗剪强度，mpa；o正应力，mpa；c岩体的内应力，mpa；巾内摩擦角，°。由上式可知，岩体强度的大小是由c、巾两个指标确定的。当集中的 切向应力超过岩体的强度极限时，工作面表面的岩体首先破坏，产生裂隙， 岩体原有的内应力及内摩擦角下降，围岩在一定范围内形成围岩

5、破碎带，此破碎 带内的岩体虽具冇一定残余强度，但其抵抗工作面围岩深度变形的能力显著降低, 注浆加固的目的就是通过注浆使这一区域内的破碎岩体的强度及整体性得到 加强，如图lo岩休c、3值的增值大小，视注浆材料的性能及注浆工艺是否合适而 有所不同，一般来讲，注浆材料本身固结强度高、稳定性能好，注浆工艺合理，能保证岩休裂隙充填密实，浆液与裂隙面粘结牢靠，其c、v值的增值较大。 通过注浆可改善岩体弱面的力学性能，即提高裂隙的粘结力和内摩擦 角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。4）转变破坏作用当岩体中存在较大的裂隙时，切裂隙附近的岩石单元处于二向应力状 态，而当裂隙内充满加固材

6、料后应力发生变化，这些单元将转变成三向受力 状态。岩石在三向受力状态下的强度极限将比在二相或单向受力时显著增大，并 且脆性减弱，塑性增强，注浆加固起到了转换破坏机理和增加岩体强度的作用。 连续介质（如岩体）内冇裂隙吋，在承载过程中会形成严重的应力集中，而最 大的应力集2中在裂隙端部，如图2所示。应力集中系数k取决于裂隙端部半径p , 裂隙长图1试块在注浆前后强度变化图0 3cw图2岩石裂隙端部 应力集中度c及岩体尺寸w之比。介质发牛破坏就是在一定的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果。经过注浆加固后，裂隙内将充满加固材料，而且由 于加固材料对裂隙面的粘结作用，会使裂隙端部的应力大大削弱或消失, 从

7、而可使岩体的破坏机理发生转变，由原来裂隙扩展破坏转变为在最大剪 应力作用下的剪切破坏，或在垂直于最小主应力方向发生拉伸破坏等等。4锚注加固技术及其机理作为控制软岩巷道矿压显现与巷道维护的有效手段z-,近年来锚注 加固技术特别是全断面锚注加固技术受到了人们越来越多的重视。3 -岩体锚注加固技术是利用特种中空锚杆兼做注浆管，融锚固、封孔、 注浆工艺为一体，对岩体实施外锚内注加固处理的一种加固方式。它是岩 体注浆加固技术同岩体锚杆加固技术的有机结合，充分利用注浆加固与锚 杆加固的各口优点，全力调动整个巷道围岩自身的承载能力。同传统的支护手段相比，锚注加固技术有许多显著的优点。传统的框 架式结构支架，

8、只对围岩表面施加阻力，而围岩作为被支护的对象，本身 不参与支架的支护作用，因此支护结构要被动地承受全部的外界压力。普 通的锚喷或锚喷网加固，在围岩软弱、巷道围岩松动范围很大的情况下, 由于整个锚杆都在巷道i韦i岩极限平衡区或破碎区内，锚杆在i韦i岩内部无法 形成坚实的着力点，因此设想的各种成拱机制较难实现，锚杆只能同外边 的金属网、喷层等一起部分地调动围岩自身的承载能力。锚注加固则不同, 一方血由于浆液的渗透压入作用，充入岩石和岩体裂隙孔隙中，改变了围 岩的内部结构和围岩的物理力学性质，提高了围岩抵抗外力破坏的能力, 另一方面整个巷旁被加固的岩体通过锚杆和浆液凝结体有机地结合为一 整体，巷道周

9、围岩体自身的承载能力得以充分地调动和发挥，通过锚注加 固体系的整体作用解决软岩巷道的维护问题。4.1全断面锚注加固机理在软弱围岩条件下，使用锚注加固技术控制巷道矿压显现的优点，一 方面体现在注浆浆液对岩石岩体和金属锚杆的作用与彫响上；另一方面则 体现在锚杆与浆液凝结体之间的相互联系与相互作用上。通过锚杆、浆液 凝结体和围岩的共同作用，充分体现出锚注加固的整体护巷效应。1）锚杆与浆液凝结体之间的“网络”效应浆液对巷道围岩裂隙的全面灌充以及同锚杆杆体的全面胶结作用。这 些作用不仅对锚杆的防锈有益，而且对锚杆的受力以及对围岩的控制更有 益处，并且是体现锚注加固优越性的主要方面。在一般的全长粘结金属锚

10、杆的受力分析屮，能够进行分析的前提是假 定沿锚杆杆体的轴线方向树脂、砂浆等充满钻孔和杆体间的所用空间，以 保证锚杆受力传递的连续性。实际上，这些假设在许多情况下，特别是当 围岩比较破碎的情况下，常常是很难满足的。在粘结体出现断续的地方, 锚杆受力时将产生应力集中等现象，因此锚杆的实际受力状况要比理论分 析计算的结果恶劣的多。锚注加固系统中的锚杆则不同，由于浆液能够同岩体及锚杆杆体全面 接触，并且通过杆体射浆孔和锚杆头部的扩散面，将锚杆孔内、杆体与钻 孔间以及渗入岩体内的浆液凝结体联系成一个“网络”结构，形成如同自 然界中树木主根与须根的共同固结作用，是锚杆受力传递连续性得以充分 地保证，并通过

11、浆液凝结体“网络”将力传递到巷道围岩z屮，全面调动 了围岩自身的承载能力。2）全断面锚注加固的“固底”效应普通锚喷加固软岩巷道的失稳机理是由于传统的支护方式对巷道底 板的处理不够，使软弱围岩屮的巷道底板成为整个巷道支护体系的薄弱环 节之一，因而在地下水侵蚀、矿山压力等的共同作用下，往往首先造成巷 道底板的破坏隆起，继而引发侧墙内倾、帮顶塌落等一系列矿压显现。松软围岩条件下，u型钢反拱、混凝土浇砌反拱等一般的底板处理方 法，或者由于处理效果不十分理想，或者由于工程量大、工程造价高、施 工工艺复杂（特别当考虑巷道无法满足安全及使用等方面的要求，需要重 新翻修时），这些方法往往在实际应用中受到许多限

12、制。而一般的锚杆或 锚杆加钢带处理底板的方法，由于其未能十分有效地解除水分、空气等对 底板围岩的作用与影响，因此在水的作用下，岩体强度降低、松动范围继 续扩大时，它所能起的控制底鼓的作用也十分有限。所以，用底锚方法控 制底鼓在许多情况下也被弄用，这也是目前国内大多数软岩巷道未对巷道 底板进行加固处理的主要原因之一。巷道全断面锚注加固方式则不同，它是在用锚注方法加固巷道帮、顶的同时，也采用锚注方法处理巷道底板，因此，这种处理方法不仅对控制巷道底鼓有利，而且对控制整个巷道围岩变形也i 分有利o由于巷道围岩的锚注加是以改变岩体自身的物理力学性能为基础的，随着岩体力学性质、水理性质和自身承载能力的改善

13、，改善了巷道 围岩的应力分布状态，同样加固情况下，全断面锚注加固巷道的矿压显现 特征普遍好于非锚注巷道的矿压显现特征。 巷道半断面锚注加固方式，由于未能有效的改进和加固软岩巷道支护体系的薄弱环节一一巷道底板，使支护系统仍留有缺陷，导致巷道围岩的应力分布状况没有实质性的改善，虽能有效的控制巷道围岩水平方向的 位移，使巷道水平位移大大减小，但无法有效地控制和减小巷道垂直方向 的位移。因此，在底鼓是巷5道矿压显现最主要特征的情况下，不宜采用半断面锚注加固方式对巷 道围岩进行加固处理。 和半断面锚注加固方法相反，仅用锚注治底的加固方法，虽能控制 和减小巷道底鼓，但巷道顶板和两帮的位移普遍加人，巷道周围

14、的极限平 衡范围仍然较大。 全断面锚注加固方法由于消除了支护体系的薄弱环节，使整个巷道 加固体系受力均匀，不仅巷道的影响范围及极限平衡范围最小，而且巷道 周围的应力分布呈现出圆形巷道的应力分布特征。因此，它是最有利于巷道维护与矿压控制的巷道加方式。3）全断面锚注加固的“涵拱”效应巷道实施全断面锚注加固后，在锚杆和浆液的共同作用下，巷道锚注 加固圈内的i韦i岩被凝结加固成一个类似于圆形涵管状的极限平衡或弹性 环状承载体，相当于巷道自由空间周围浇铸了一个混凝土圆涵，能够有效地 保护整个巷道自由空间。全断面锚注加固“涵拱”效应见图3所示。5化学注浆方案的选择根据注浆实践经验可知，被注岩层强度的增长是

15、一种受多种因素制约的复杂的物理化学所过程，除注浆材料外，浆液与界石的结合形图3全断面锚注加固“涵拱”效应a巷道当量半径；b注浆圈半径；d加固圈厚度；r极限平衡区 半径 式，浆液注入的饱和度以及浆液注入的时间效应都有着重耍影响， 特别是提高浆液对孔隙或裂隙的充填程度及对界血的结合能力，是使岩层 强度增长的重要因素。浆液的扩散半径取决于许多因素，如被注砂（岩）层的渗透系数、注 浆压力、溶液的粘滞度及压入时间等。所以正确掌握溶液的流动半径，对 降低溶液消耗、注浆孔布置及保证工程质量具有重要意义。一般当注浆材料的颗粒尺寸d小于砂（岩）层的有效孔隙或裂隙尺寸 dp,即式1的“净空比” r大于1时，浆材才

16、是可注的。r?dpd式2注浆工程中应要求浆液具有较好的流动性，因为流动性越好，浆液运 动时压力损失越小，因而能自注浆点扩散距离越大。水泥注浆是处理各种复杂水文地质条件的主要手段之一，但水泥浆液 在注浆压力作用下，一般只能灌注大于0.3mm的裂隙，单位吸水率可降至 0.01l/cm,弹性模量可以提高12倍，但是在很多情况下选用化学注浆是 较水泥注浆可靠的，比如：1）水泥注浆后防水构筑物仍有渗漏，表明水泥不能注入微细裂隙，有 时虽然渗漏量很小，但它却具有良好传导水压力的性能，一般可用化学浆 液去截断微细裂隙的渗流通道；2）当岩层裂隙地下水流速超过一定数值（水泥注浆规范定为600m/d ）时，一般水

17、泥注浆难以达到预期效果，此时可考虑采用化学注浆;3）对断层或软弱夹层，可以用高强度的化学材料加固。应用中，证明化学注浆材料比水泥具有较好的可注性，并能按工程需 要调节浆液凝胶时间，所以也适于对流动水封堵，有的化学材料具有很高 的粘结强度，可用于松碎岩层的加固。6注浆总体方案由于该断层落差大，断层附近有导水裂隙，存在断层破碎带出现涌水、 涌砂可能，因此必须在距离预测断层位置50m时，采取边探边掘的方法对 该断层进行打钻探查。探明断层的准确具休位置及断层破碎带间的水文地质特性, 探明断层涌水量及水压。根据上述情况确定采用如下注浆加固方案：1）施工泄压导水孔：当工作面掘至距df15断层约15m、10

18、m> 5m处 时，在顶板分别施工2个泄压导水孔，泄压导水孔应穿过断层带。泄压导 水孔原则上能够将断层水导出，以利于巷道掘进工作。2）工作面预注浆：当工作面掘至距df15断层约5m处时，在巷道顶板 及两帮布置注浆孔，采用博特威化学浆进行预注浆，固结断层破碎带松散 岩层，防止掘进过程中发生冒顶事故。采用边注浆边掘进，每个循环掘进 3m,大约需要13个循环通过断层破碎带。3）巷道全断面锚注加固：巷道通过断层破碎带后，为防止回采工作面 采动影响使得巷道变形严重影响生产，因此应对断层破碎带处巷道采用注 浆锚杆进行全断面化学浆锚注加固。4）回才工作面df15断层破碎带化学注浆加固：为使得回才工作面安

19、全、顺利通过df15断层，则必须采用化学浆对断层带处回采工作面顶板进行 超前预注浆加固。7注浆材料选择注浆材料采用博特威化学浆。该浆液具有较高的粘合力和较好的机械 性能，与岩层有较好的亲和力，固结体的柔韧性能承受一定的地层变形, 材料注入煤岩层后，低粘度混合物保持几秒钟，渗透进入细小的裂缝膨胀。博特威浆液由a、b两种组份组成，双组分的化学浆液在泵压的作用 下，以1： 1的比例注入破碎岩(砂)层中，以孔口管为中心，向四周渗透和 扩散，充填破碎、松散的煤岩体孔裂隙，并且在材料自身二次发泡、膨胀 的推动下，渗透到围岩的深部微细裂隙内，浆材胶凝后将松散、破碎的煤 岩体胶结在一起，起到挤压充填、粘接补强

20、且具有一定塑性变形能力的作 用。目前，博特威化学注浆堵水加固技术已成功地应用于邢台、峰峰、邯 郸、焦作、淮南、新集、兖州、潞安、神华等矿区数十个堵水加固工程, 并已在全国各地多个地下工程、隧道工程、大坝工程的注浆堵水加固工程 中广泛应用，创造了非常显著的社会效益和技术经济效益。-8 -博特威材料性能指标如下：a.初凝时间 3040sb.终凝时间60120sc.抗压强度3050mpad.粘结强度310mpae.双液混合比1:1f.浆液粘度 210230mpa?s(25°c)博特威材料堵水加固反应机理如下：注浆堵水加固的过程也就是浆液粘度的变化过程。博特威浆液在刚与 水接触到浆液开始发生

21、膨胀反应的时间范围内，粘度基本保持不变，但反 应体系一旦开始发生膨胀反应，体系的粘度便急剧增大，并很快失去流动 性，形成不透水的胶凝体，其变化过程大体如图4所示。材料在注浆过程 中的反应分为三个阶段：遇水混合阶段、诱导反应阶段和膨胀反应阶段。粘度(mpa s)反应 时间图4粘度随时间的变化过程8化学注浆设备、动力系统及其性能参数8.1化学注浆加固设备及其性能参数封孔、注浆均采用zbq-5/11型气动高压双液化学注浆泵，如图5。与 注浆设备配套的进风管路为019mm高压风管若干米，出浆管规格为 10mm,长度10m> 5m> 2m各若干根。zbq-5/11型气动高压双液化学注 浆泵主

22、要性能参数见表lo9图5 zbq-5/11型气动高压双液化学注浆泵结构图1压缩空气进口 2进气阀3进气调节阀门4马达换向阀5气动马达 6油雾器7出浆管8出浆压力表9吸浆口 a 10.吸浆口 b 柱塞泵表1注浆泵技术参数一览表8.2化学注浆动力系统及其性能参数通过高压管路供风，直到注浆加固地点，接头规格为19mm高压管。 从水管上接出10mm供水管，并接好阀门。根据煤体的承受能力和最小抵抗面及工作面煤体围岩条件，供风风量 不低于3m3/min,供风压力不低于05mpa。8.3注浆管形式预注浆所用注浆管采用4分钢管制作，长2m,可连接加长。锚注加固所用注浆锚杆采用特制25mm中空螺旋锚杆，长300

23、0mm。 顶、帮采用单根锚杆，底板由于成孔困难，可采用接长注浆锚杆，每节l.omo 注浆锚杆顶部可连接钻头，实现自钻。注浆结束后，锚杆尾部上托盘并用 螺母锁紧。8.4封孔方式化学预注浆封孔采用布袋封孔方法封孔(如图6),锚注加固用注浆锚 杆封孔方式见图7o109注浆参数9.1注浆压力图6袋式封孔方法示意图根据断层带煤体的承受能力和最小抵抗面及工作面围岩条件，当工作 面供风风量不低于3m3/min,供风压力不低于0.5mpa时，设计注浆终压 不小于lompao 7653219.2扩散半径注浆扩散半径按下式计算：r二(y g h a / 2s + a) p式 3式中：r注浆扩散半径，mm； 丫为水

24、的容重，取lt/m； g为重力加速度, 取9.8m/s2,s为浆液剪切强度，取o.oimpa； h为注浆压力，取10 mpa；a为岩层的间隙等值半径，ix 0.3mm； b为时间系数，取1.3。依据上式计算扩散半径为1910mm,结合以往类似工程施工经验，在实 际施工时通过调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压，控制实际有效扩 散半径不小于1.5mo3图7 注浆锚杆及封孔方法示意图1 螺纹丝扣；2压紧螺母；3- 托盘；4环形密封锚固卷；5杆体；6挡环；7钻孔9.3单孔注浆量q单孔注浆量q按下式计算：q=a ji r2lnb式 3式中：q为注浆量m3； a为损耗系数，取1.01； r为有效扩散半径

25、， 取1.5m； l为注浆段长，取2m； n为开口孔隙率，取2%； b为浆液充填 系数，取80%。经计算单孔注浆量为0.22 m3,浆液平均密度为1150kg/ m3, 则单孔最大注浆量为250kg。实际注浆施工中，可根据具体情况进行调整。10注浆孔布置及参数1）预注浆孔布置及参数：预注浆孔每循环全断血布置20个孔，其中 顶孔7个，底孔5个，帮孔各4个，孔间距约lm,深浅孔交错布置。顶 孔仰角15-20° ,底孔俯角15-20° ,帮孔外摆15。o由于断层与巷道 斜交，因此巷道左帮先揭露断层，之后随着巷道掘进，巷道揭露断层范围 逐渐向右帮扩人，最终由左帮至右帮逐渐穿过断层。

26、因此实际施工中可由 技术人员根据现场巷道揭露断层范围及巷道围岩破碎程度实际情况适当 调整注浆孔数量及参数，原则上巷道未揭露断层或己穿过断层范围且巷道 围岩较完整，则该范围不布置注浆孔。预注浆孔布置示意图见图8、图9、 图10o预注浆孔参数：孔径2832mm,孔深30m5.0mo2）断层带全断面锚注加卧 锚注孔采用排式布置，排距2.0m,间距 1.5mo断层带20m加固范围共计布置11排锚注孔。每排布置13个，其中 顶、帮布置9个；底板布置4个。11排共计布置143个。锚注孔布置剖面 图见图ho锚注孔参数：孔径2842mm,孔深3.0m。3）df15断层探巷加固范围100m,排距2.0m,间距1

27、.5m。顶帮锚注 加固注浆孔布置见图12,每排布置7个，51排共计布置357个。锚注孔 参数同上。4）回才工作面过df15断层顶板预注浆加固：每个注浆点布置2个注浆 孔，注浆孔仰角分别为20。、45° ；孔深分别为2.5m. 3.5mo相邻注浆 点间距2.5m。注浆孔数量根据回采面揭露断层带长度进行布置。每次注浆 后工作面可推进约2.4mo注浆孔布置剖面图见图13。11注浆加固施工11.1前期准备工作121）首先按设计要求将施工所用的锚杆钻机、凿岩机、注浆泵等施工设 备运到施工现场。2）将压风（压力不低于0.5 mpa,风量不低于10m3/min）清水（压 力不低于0.4mpa,有效

28、流量不低于10m3/h）接至施工作业现场。11.2泄压导水孔施工泄压导水孔施工采用坑道地质钻机，终孔直径75mm。当工作面掘 至距df15断层约15、10、5m处时，分别在顶板施工2个泄压导水孔，导 水孔布置示意图见图14 o11.3注浆孔施工1）预注浆孔施工 施工机具：根据现场实际情况可采用顶锚杆机、帮锚杆机或煤电钻 配相应接长钻杆进行打眼；全断面锚注加固孔采用7655风钻配b22钻杆 及42mm 一字钻头打眼。 施工质量要求：施工时倾角、间排距、孔深等参数应尽量符合设计 要求，一般角度误差不超过5。，间距误差不超过200mrm遇冇特殊情况 可由现场技术人员指导作适当调整。2）锚注孔施工 施工机具：顶、帮锚注孔施工采用顶锚杆机施工；底板锚注孔采 用手持式帮锚杆机或7655风钻施工。 施工质量要求：施工时倾角、间排距、孔深等参数应尽量符合设计 耍求，一般角度误差不超过5。，间距误差不超过200mm。遇有特殊情况 可由现场技术人员指导作适当调整。 锚注施工顺序：以巷道掘进方向自外向里间隔排进行，每排间隔孔 进行。11.4注浆加固施工工艺施工工艺：标孔一钻孔一检查钻孔质量安装注浆管封孔一准备 浆液一开泵注浆一凝固一检查注浆质量一验收。1311.5施工组织及工期采用“三八”工作制，安排三班进行打眼注浆施工，每班7人，其中 矿方打眼运料倒料工5人，奥博公司司泵观察2人。共需井下注浆