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文档简介

高水材料沿空留巷原理

与技术研究1主要内容1沿空留巷的意义2国内外研究现状3沿空留巷巷旁支护机理高水材料巷旁充填沿空留巷技术砌碹/U型钢壁后充填技术破碎围岩注浆加固技术高水材料构筑密闭墙技术高水材料充填实例柏建彪教授1395135908721沿空留巷的意义1)采用沿空留巷技术取消区段煤柱,提高煤炭资源采出率;2)采用沿空留巷技术少掘进1条巷道,解决采掘接替紧张的难题;柏建彪教授1395135908731沿空留巷的意义3)实现Y型通风,增加1个回风通道和抽放采空区及下区段和邻近煤层瓦斯的场所,实现煤与瓦斯共采。实现煤层群连续卸压开采。4)沿空留巷每天用工6~10个。柏建彪教授1395135908742国内外研究现状巷旁支护是沿空留巷维护效果好坏的关键。传统的巷旁支护如矸石带、密集支柱、木垛等普遍存在增阻速度慢、支承能力小、密闭性能差、劳动强度大,力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应等缺点(不适应裂隙带岩层取得平衡之前的强烈沉降),不利于沿空留巷,适用于薄及中厚煤层。膏体材料充填沿空留巷优点是处理了矸石,缺点是充填工艺较复杂、设备投资较大、辅助运输工作量大。柏建彪教授1395135908752国内外研究现状高水材料具有支护阻力大、增阻速度快、适量可缩,巷道维护效果好,充填工艺及充填设备简单的优点,目前在10余个矿区应用。柏建彪教授1395135908763沿空留巷巷旁支护机理3.1巷旁支护体作用机理(顶板运动的阶段性)

(1)巷旁支护体早期强度大、支护直接顶、防止直接顶离层,切断采空区的直接顶。(2)老顶破断过程中充填体应快速达到切顶阻力,切断采空区侧老顶,减小巷旁支护体所承受的载荷。

(3)采空区顶板破断、运动稳定后,充填体维持巷道上方已切断岩层的平衡。同时适应顶板整体下沉引起的“定变形”。柏建彪教授1395135908773沿空留巷巷旁支护机理

3.2沿空留巷力学模型

采空区的老顶沿倾斜方向破断形成“三角块大结构”,构成沿空留巷的上部边界。沿空留巷力学模型——平面图沿空留巷力学模型——剖面图柏建彪教授1395135908783沿空留巷巷旁支护机理

3.3巷旁支护阻力求解

柏建彪教授1395135908793沿空留巷巷旁支护机理

3.4巷旁支护体可缩量分析

柏建彪教授1395135908710依靠巷旁支护完全“顶住”顶板下沉是很困难的,巷旁支护体刚性越强,其承受的载荷越大,往往超过其承载能力,发生严重破坏。即:巷旁支护体提供的可缩量与支护阻力满足切断岩层的平衡。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

高水材料(BX):在体积比水占90%,20~30min内凝结,100%固化,最终强度达到8~12MPa。通过调整水灰比或高水材料配比调整充填体的强度,水灰比1.5:1时,充填体强度可以达到12MPa.柏建彪教授1395135908711中国矿业大学高水材料(BX)性能水平

No水灰比凝结时间/min抗压强度/MPa初凝终凝4h24h7d1

1.50:17224.489.1412.1621.90:18274.286.398.2432.05:110293.755.597.3242.25:112413.024.615.5952.50:117582.424.145.1562.70:119661.943.464.3173.00:120751.532.743.39英国高水速凝材料性能水平82.50:1201.503.505.00柏建彪教授13951359087124高水材料巷旁充填沿空留巷技术

高水材料具有突出的塑性特征,达到峰值强度后承载能力缓慢下降,下降速度远小于一般的混凝土和岩石材料。当应变达到10%时,抗压强度还维持在峰值强度的65%以上,可适应围岩的大变形。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

高水材料巷旁充填工艺充填系统和充填工艺简单。

充填泵及搅拌桶地面培训浆液可以远距离输送,充填设备可以放在上下山,不影响顺槽使用、减少辅助运输工作量柏建彪教授13951359087144高水材料巷旁充填沿空留巷技术

高水材料巷旁充填沿空留巷特点:

浓度小,水体积90%以上,高水材料用量少,辅助运输工作量小;远距离输送,输送距离>2000m;快速凝固、增阻速度快,强度较大,能快速支撑顶板;固化体有一定压缩率,适应沿空留巷大变形;充填工艺简单,用人少,沿空留巷成本低;充填系统费用较低。柏建彪教授13951359087154高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(1)为进一步提高充填体的抗变形能力和承载能力,发明了对拉锚杆、钢筋网、梯子梁与充填袋组成的充填体预应力承载结构。充填体预应力承载结构示意图4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

增加充填体两侧自由面围压提高充填体力学参数抵消横向拉应力,减少充填体破坏柔性结构,可充分发挥高水材料的塑性性能4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

仅有对拉锚杆对拉锚杆+竖向梯子梁对拉锚杆+横向梯子梁采用对拉锚杆、梯子梁、钢筋网组合有效增加充填体的承载能力和充填体横向变形能力现场实施:(2)充填速度3.2~4.8m/8小时。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(3)充填空间顶板维护液压支架拉架后、采用充填支架或单体液压支柱维护充填区域顶板。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

如果顶板易离层、破碎,需要铺设顶网、打设锚杆或锚索维护充填区域顶板。打设时间根据顶板的稳定情况来定是移架前或移架后。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(4)控制充填区域顶板离层、破碎现场实施:(5)构筑充填空间1)打设充填体外侧的单体液压支柱。2)挂充填体两侧钢筋网。3)挂充填袋。4)挂钢筋梯、穿对拉锚杆。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(6)充填构筑好充填空间,留下2人查看,其余人员到充填泵站搅拌浆液,开始充填。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(7)留巷段加强支护工作面后方(100~150m)顶板剧烈活动期间顶底板移近量较大,采用单体液压支柱加π梁加强支护。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(8)沿空留巷巷道支护沿空留巷大变形特征1)覆岩破断、运动剧烈;2)应力调整、转移;3)巷道变形剧烈、尤其底鼓;4)一般工作面后方100~150m需要加强支护。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

现场实施:(8)沿空留巷巷道支护基本支护:采用高预紧力、高强度、大延伸率锚杆与锚索支护;临时加强支护:工作面后方100~150m左右、剧烈变形阶段,通过临时加强支护支撑顶底板、减小顶板回转、下沉和巷道底鼓。4高水材料巷旁充填沿空留巷技术

柏建彪教授13951359087264高水材料巷旁充填沿空留巷技术

高水材料应用:动压巷道底鼓控制巷道两帮下沉引起底鼓。两帮下沉、底角破坏,水平应力挤压,底板浅部鼓起,顶板下沉、离层。

(a)(b)两帮下沉与底鼓关系(a)——东庞矿(中硬岩);(b)——黄塘岭矿(软岩)(1)力学计算Q(y)作用下M点的位移根据弹性力学理论,平面应变条件下的半无限平面体,Q(y)dy载荷作用下M点的垂直位移分量dux力学计算简图中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com

Q(y)作用下,M点的垂直位移ux等于上式在[a,b]区间上的积分。(2)煤柱巷道底板等效载荷分布

煤柱巷道底板等效载荷分布简化的载荷分布中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com(3)底板中心线上的垂直位移(确定加固范围)各区段分布载荷在巷道底板中心线上引起的垂直位移巷道底板中心线上总的垂直位移中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com

加固两帮和底角控制巷道底鼓(1)锚杆加固(柳新煤矿)试验效果对比

中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com方案顶底板移近量/mm两帮移近量/mm12759023742643960578(2)注浆加固

权台矿注浆孔布置注浆孔布置注浆材料、工艺、费用材料:高水速凝材料,水灰比1.81注浆压力:0.1~0.15MPa权台矿注浆前、后对比对比项目岩石质量指标RQD(%)钻孔测定强度(MPa)注浆前9.114.7注浆后96.722.5注与不注浆段对比底鼓量(mm)两帮移近量(mm)不注浆538651注浆144151显德汪矿注浆效果中国矿业大学柏建彪教jianb@163.com采用水力膨胀锚杆或螺纹钢锚杆加固巷道底板5高水材料应用:

砌碹/U型钢壁后充填技术5.1前言U型钢支护或砌碹支护巷道,支护结构或壁后有空间,支护体承受点载荷或偏载荷,支撑能力不能充分发挥;高水材料壁后充填具有成本低、机械化程度高、施工容易。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)5

砌碹/U型钢壁后充填技术5.2工程案例

伯方煤矿二盘区变电所碹厚500mm,受到采动支承压力作用,拱顶开裂。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)5

砌碹/U型钢壁后充填技术5.2工程案例

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)变电所巷道断面图(单位:mm)变电所附近煤层综合柱状图(单位:m)5

砌碹/U型钢壁后充填技术5.2工程案例

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)壁后充填参数充高水材料,充填管间排距为1000mm×4000mm。充填管结构示意图(单位:mm)充填孔布置示意图(单位:mm)5

砌碹/U型钢壁后充填技术5.2工程案例

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)锚杆支护参数锚杆布置图(单位:mm)5

砌碹/U型钢壁后充填技术5.2工程案例

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)支护效果分析变电所围岩变形量与观测时间的关系

加固后两帮最大移近量为33mm,顶底板最大移近量为25mm。6高水材料应用:

破碎围岩注浆加固技术6.1前言注浆加固利用浆液充填裂隙,将破碎的围岩固结起来,改善围岩结构、提高破碎围岩的强度,提高锚杆的锚固力,增加围岩自身承载能力,保持围岩稳定。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6

破碎围岩注浆加固技术6.2注浆加固稳定围岩机理提高围岩裂隙面的变形刚度和抗剪强度浆液固结体的网络骨架作用转变围岩破坏机制减小巷道围岩松动圈封闭水源提高锚杆锚固力柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.3注浆材料的性能注浆材料主要有两大类:以水泥为主的水泥浆液和以各种化学材料为主的化学浆液。水泥浆液主要有:单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆、高水材料等。

化学浆液主要有:丙烯酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸盐等。注浆材料选择遵守两大基本原则:技术可靠和经济合理。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6.3注浆材料的性能化学浆液:

优点:浆液凝结速度快、流动性好、充填饱满、凝结破碎围岩效果好。缺点:价格昂贵。硅酸盐水泥浆液:

优点:价格便宜、在条件适宜时使用效果较好。缺点:浆液凝结速度慢、流动性较差、微裂隙充填不饱满。在泥岩及含泥岩石中不宜使用,因为水泥与泥不粘结;多余的水分引起泥岩破碎膨胀。为了缩短浆液凝结时间,使用水泥-水玻璃双液浆,初期效果明显,2个月以后出注浆体松散破碎,强度急剧降低。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.3注浆材料的性能高水材料:

优点突出:价格相对较低、速凝且可调、早期强度高、流动渗透性好、与泥粘结强度高、具有微膨胀性、适用范围广泛。固结体的变形表现为突出的塑性特征,保证注浆固结岩体在大变形下仍具有承载和传递载荷的作用,适应围岩的较大变形。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.4高水材料注浆参数注浆深度:注浆越深加固厚度越大,稳定巷道性越高,所以注浆深度越深越好。但由于深部围岩的完整性好、裂隙不发育,过深的注浆没有意义。裂隙的深度可以通过深孔多点位移计、地质雷达等测量;注浆压力: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,但要防止过大的注浆压力破坏围岩。围岩严重破碎时可选用1.0MPa,围岩较破碎时取1.0~2.0MPa,最高不超过3.0MPa。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.4高水材料注浆参数注浆量:注入的浆液应尽量保证裂隙被充填满,原则上做到不进浆为止。每个注浆孔的注浆量可用下式估算:式中Q—每个孔的浆液注入量,m3;A—浆液消耗系数(1.2~1.5);L—钻孔长度方向固化区厚度,m;R—浆液有效扩散半径,m;β—围岩的裂隙率(0.5%~10%);λ—浆液的充填系数(0.6~1.0)。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.4高水材料注浆参数浆液扩散半径:由于浆液扩散的复杂性,主要由现场施工监测及实际扩散情况,作相应调整。注浆孔布置:根据巷道围岩受力破坏情况,选择注浆加固部位。通常巷道两帮、底角是受力最大的部位。分析表明,加固两帮及底角可以控制巷道底鼓。注浆孔间排距应小于1.6倍的扩散半径。高水材料水灰比:水灰比增大,强度降低,一般水灰比不宜超过1.8:1,初凝时间控制在20分钟。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.5工程实例一(围岩滞后注浆)工程背景山西晋城沁和能源集团永安煤矿三条下山由于受到邻近煤矿回采以及本矿工作面上下分层采动影响,加上留设煤柱宽度较小,在采动应力叠加的影响下,下山破坏严重。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.5工程实例一(围岩滞后注浆)技术路线(1)采用高水速凝材料料石碹体壁后注浆加固,提高下山破碎围岩的力学性能,改善锚杆、锚索锚固着力基础。(2)顶帮采用左旋螺纹钢锚杆配合塑钢网、钢筋梯子梁支护。锚杆支护系统在限制围岩变形的同时具有一定的让压作用,满足下山围岩强烈变形的需要。(3)顶板采用小孔径预应力锚索加强支护。增加支护强度,减少顶板传递给两帮煤体的载荷,提高下山围岩的整体稳定性。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.5工程实例一(围岩滞后注浆)支护参数柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)材料下山注浆孔布置图(皮带下山和回风下山类似)6破碎围岩注浆加固技术6.5工程实例一(围岩滞后注浆)下山围岩控制效果分析材料下山注浆前钻孔窥视仪观测结果:柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)(a)1.0m深处(b)2.0m深处(c)3.0m深处材料下山注浆后钻孔窥视仪观测结果:(a)1.0m深处(b)2.0m深处(c)3.0m深处6破碎围岩注浆加固技术6.5工程实例一(围岩滞后注浆)下山围岩控制效果分析柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)

采用注浆加固及锚杆支护后,材料下山围岩逐渐趋于稳定,矿压观测60天后,材料下山顶底板及两帮相对移近量均稳定在200mm以内。材料下山顶底板围岩变形曲线材料下山两帮围岩变形曲线6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)工程背景大阳煤矿采用跳采,3100工作面为孤岛工作面,巷道埋深约350m。3100工作面回风巷受瓦斯巷掘进及一侧采动应力影响,巷道在掘进期间就发生了大变形,维护困难。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)工程背景

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)3#煤顶底板岩性6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)技术路线(1)通过超前预注浆,提高了破碎围岩裂隙面的力学性能,防止掘进时松软顶煤的冒落,为锚杆支护创造了有利条件。(2)滞后注浆有效控制了破碎围岩巷道在掘进期间、回采期间围岩变形,尤其控制回采期间围岩变形效果显著。(3)选用水灰比为1.5∶1的高水速凝材料注浆,预注浆压力为5.0~6.0MPa,滞后注浆压力为1.0~1.5MPa,最大不超过2.0MPa。(4)巷道顶板和两帮均采用高强度螺纹钢锚杆,树脂药卷加长锚固,铺设金属网和钢筋梯子梁。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术破碎煤体高水材料固结试验6.6工程实例二(超前预注浆)柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)注浆孔排距为6.0m,即每6m打一排注浆孔,注浆深度应达到破碎顶煤的边缘,考虑到钻孔及机具条件及施工方便,确定孔深为10m,注浆孔间距1m,每排4个孔,注浆孔仰角20o,中间两个孔沿着巷道轴向,两侧两个孔向帮倾斜10o6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二支护参数

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)滞后注浆孔布置6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)支护参数

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)锚杆支护断面图6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)围岩控制效果分析

通过高水材料注浆加固,提高了锚固效果和围岩自身承载能力,顶底板相对移近量小于450mm、两帮相对移近量小于800mm、超前采动影响距离显著减小。该技术有效控制了大阳煤矿采动作用的破碎煤层巷道围岩变形,巷道维护效果良好。

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术6.6工程实例二(超前预注浆)围岩控制效果分析

柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)6破碎围岩注浆加固技术7

高水材料应用:高水材料构筑密闭墙技术7.1前言密闭墙多采用砖或料石砌筑2道墙、中间充填黄土,该方法存在劳动量大、顶部密闭效果差等缺点。罗克休构筑密闭墙存在强度小的缺点。高水材料充填构筑密闭,具有工艺简单、速度快(1~2个小班即可完成)、承载能力大、用工少、成本低等优点。柏建彪(TelEmail:bjianb@163.com)7.2工程背景肖家洼煤矿工程应用(1)全断面充填联络巷,联络巷宽、高为:5.4m、3.5m、充填密闭墙厚度2~3m。(2)充填墙体里侧采用木点柱加、外侧用单体液压支柱,两侧均加钢筋网。(3)前几个加对拉钢筋,对拉钢筋间为22mm的螺纹钢、间排距为950mm800mm。柏建彪(TelEm

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