項(xiàng)目名稱: 動(dòng)壓巷道松軟頂煤預(yù)注漿固化與支護(hù)技術(shù)研究

申報(bào)單位: 山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司

主要完成人：賀貴元  柏建彪  郝躍洲  呂吉峰  侯英翔

安火寧

主要完成單位：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司

中國礦業(yè)大學(xué)

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：礦山工程技術(shù)（440）

井巷工程（30）

礦山支護(hù)工程（20）

所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)： B類型

任務(wù)來源：自選

項(xiàng)目起止時(shí)間：2005年2月-2007 年5月

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：本項(xiàng)目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?yàn)椴傻V工程。系統(tǒng)地研究分析了：（1）采動(dòng)支承應(yīng)力作用下破碎圍巖巷道注漿固化機(jī)理；（2）高水速凝材料注漿固化工藝和注漿參數(shù)；（3）破碎圍巖巷道錨桿支護(hù)原理和支護(hù)參數(shù)；（4）注漿固化、錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)破碎圍巖巷道穩(wěn)定的技術(shù)；（5）提出了采動(dòng)支承應(yīng)力作用下，破碎圍巖巷道穩(wěn)定原理及控制技術(shù)，取得了以下研究成果：

（1）高水速凝材料對(duì)破碎頂煤預(yù)注漿、加固巷道兩幫煤體，提高破碎煤體的殘余強(qiáng)度、錨桿錨固力，提高松散、破碎煤體的自身承載能力和穩(wěn)定性，有效阻止錨桿錨固力隨圍巖變形量增大而減?。蛔{加固與錨桿支護(hù)共同作用，顯著提高破碎煤體的抗變形能力。

（2）破碎圍巖巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是提高圍巖的極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定。

（3）兩幫是巷道的重要承載結(jié)構(gòu)，兩幫失穩(wěn)必然導(dǎo)致巷道難以維護(hù)，兩幫及頂煤的穩(wěn)定性控制同等重要，因而必須加強(qiáng)兩幫支護(hù)，注漿或錨桿支護(hù)可以有效支護(hù)兩幫。

（4）高水速凝材料超前預(yù)注漿、滯后注漿與錨桿支護(hù)或架棚聯(lián)合支護(hù)均有效控制了采動(dòng)支承應(yīng)力作用下的破碎圍巖巷道變形，但高水速凝材料注漿加固與高強(qiáng)錨桿聯(lián)合支護(hù)效果更好，不僅顯著提高了巷道支護(hù)效果，保證了巷道安全使用，而且降低了巷道維護(hù)成本、減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了巨大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本項(xiàng)目研究成果在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司3100孤島工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，該工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是厚度2.4～3.0m的軟煤層，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小、自穩(wěn)能力差，該層軟煤極難控制，巷道維護(hù)困難。綜合應(yīng)用高水速凝材料預(yù)注漿、滯后注漿和高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，有效控制了松軟破碎頂煤的冒落，顯著改善了該巷道維護(hù)狀況，目前該技術(shù)在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司其它煤礦得到了廣泛應(yīng)用。

項(xiàng)目詳細(xì)內(nèi)容：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司所屬煤礦主采3號(hào)煤層，3號(hào)煤層為厚煤層，目前均采用放頂煤方法開采，風(fēng)巷、運(yùn)巷沿煤層底板掘進(jìn)，3號(hào)煤層中上部發(fā)育一層軟煤層，該軟煤層在直接頂以下0.8m至底板以上2.8～3.0m之間，軟煤層厚度2.4～3.0m、節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小、自穩(wěn)能力差，位于沿底掘進(jìn)的巷道頂部，在巷道掘進(jìn)過程中，該層軟煤極難控制，經(jīng)常冒頂至直接頂，造成以下困難：(1)掘進(jìn)速度慢，巷道成型差；(2)冒頂巷道超高架設(shè)木垛接頂，支護(hù)阻力小，巷道維護(hù)困難、變形量大；(3)空頂部分形成瓦斯積聚；(4)巷道超高，回采工作面超前支護(hù)－單體液壓支柱不能接頂，木垛壓縮量大，超前支護(hù)阻力達(dá)不到要求，頂板下沉量大；(5)端頭移架困難，上下出口不通暢，給安全生產(chǎn)埋下隱患。

針對(duì)破碎圍巖巷道或隧道掘進(jìn)，目前國內(nèi)外普遍采用的支護(hù)方法主要有以下幾種：（1）采用U型鋼或工字鋼架棚，在支架上方架設(shè)木垛接頂；（2）打設(shè)鋼管棚加注漿，隨后架棚或砌碹或澆筑混凝土支護(hù)；（3）化學(xué)漿液預(yù)注漿，采用錨桿支護(hù)或架棚支護(hù)。第一種方法支護(hù)阻力小、控制圍巖變形的能力小，巷道變形量大；第二種方法施工困難，需要的施工技術(shù)水平高；第三種方法費(fèi)用高，目前化學(xué)漿液成本一般3～4萬元/t，一般工程難以應(yīng)用。為該類巷道圍巖控制尋求理論依據(jù)和技術(shù)途徑，開展了本項(xiàng)目的研究。

總體思路：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司所屬煤礦主采3號(hào)煤層，3號(hào)煤層為厚煤層，目前均采用放頂煤方法開采，風(fēng)巷、運(yùn)巷沿煤層底板掘進(jìn)，3號(hào)煤層中上部發(fā)育一層軟煤層，該軟煤層在直接頂以下0.8m至底板以上2.8～3.0m之間，軟煤層厚度2.4～3.0m、節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小、自穩(wěn)能力差，位于沿底掘進(jìn)的巷道頂部，在巷道掘進(jìn)過程中，該層軟煤極難控制，經(jīng)常冒頂至直接頂。

技術(shù)方案與創(chuàng)新成果：1、本項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)鄰近巷道維護(hù)狀況調(diào)查分析，掌握同類生產(chǎn)地質(zhì)條件下巷道圍巖變形規(guī)律，為研究該類巷道圍巖穩(wěn)定原理、開發(fā)支護(hù)技術(shù)提供依據(jù)。

2、破碎煤體預(yù)注漿試驗(yàn)。應(yīng)用高水速凝材料對(duì)破碎煤體進(jìn)行預(yù)注漿試驗(yàn)，為確定注漿參數(shù)和注漿固化數(shù)值模擬試驗(yàn)提供力學(xué)參數(shù)。注漿固化試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）注漿固結(jié)體強(qiáng)度隨破碎煤塊的尺寸增大而增加。注漿試塊強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系見表1。

表1 注漿試塊強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系

試塊 編號(hào)	<5mm(%)	5～20mm(%)	>20mm(%)	平均抗壓強(qiáng)度/MPa
A	31	38	31	2.413
B	44	31	25	1.469
C	56	25	19	1.508

隨著碎塊體積增大，固結(jié)體的強(qiáng)度增大，現(xiàn)場(chǎng)煤體尺寸大，因此，注漿后固結(jié)體的強(qiáng)度更大，對(duì)保持頂板、兩幫穩(wěn)定更有利。

（2）注漿固結(jié)體強(qiáng)度隨注漿量增加而增大，見圖1，這要求現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡可能多注漿。

 

圖1  固結(jié)體強(qiáng)度與注漿量的關(guān)系

（3）注漿固結(jié)體強(qiáng)度隨漿液固結(jié)體強(qiáng)度增大而增大。水灰比為1.5:1時(shí)，固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度為1.22～3.49MPa，平均為2.37MPa；水灰比為1.8:1時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度為0.6～2.06MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為1.33MPa；水灰比為2.0:1時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度為0.56～1.53MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為1.04MPa。

破碎煤塊經(jīng)壓注高水速凝材料漿液后，其單軸抗壓強(qiáng)度都得到了程度不等的提高，單軸抗壓強(qiáng)度從0.56 MPa到3.49MPa，目前錨桿、錨索支護(hù)難以達(dá)到注漿加固的最低強(qiáng)度值即0.56 MPa，這表明高水速凝材料注漿是一種經(jīng)濟(jì)、有效的加固圍巖的方法。

3、預(yù)注漿固化對(duì)破碎頂板巷道穩(wěn)定性的作用。基于高水速凝材料注漿固化機(jī)理和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究分析預(yù)注漿固化對(duì)破碎頂板巷道穩(wěn)定性的作用。

不對(duì)破碎頂煤超前預(yù)注漿，破碎頂煤的自穩(wěn)能力差，巷道掘進(jìn)時(shí)即發(fā)生冒頂現(xiàn)象

實(shí)施效果：1、有效控制了巷道圍巖變形試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)為3100綜放面回風(fēng)巷和運(yùn)巷，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，3100綜放面兩巷在回采期間圍巖變形得到了有效控制，為工作面的快速推進(jìn)創(chuàng)造了有利條件。下圖是采用預(yù)注漿加固后回風(fēng)巷與運(yùn)巷維護(hù)狀況。采用架棚支護(hù)的3102孤島綜放工作面順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，在掘進(jìn)期間即需要維修；回采期間超前采動(dòng)影響范圍大、巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量均超過2000mm，U鋼棚腿和工字鋼頂梁基本全部嚴(yán)重扭曲、撕裂，不能復(fù)用；在兩幫破碎煤體的側(cè)向推力作用下單體液壓支柱折斷現(xiàn)象普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)每架棚子平均損壞2棵；巷道掘進(jìn)后到采動(dòng)劇烈影響期間打的木點(diǎn)柱平均要折斷5棵，回采期間需要返修1次。

2、發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)：

核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：（1）提出了動(dòng)壓條件下，松散、破碎圍巖巷道的穩(wěn)定原理，為提高該類型圍巖承載能力，控制巷道變形提供了理論依據(jù)。（2）系統(tǒng)研究了注漿與錨桿支護(hù)共同作用的機(jī)理，首次開發(fā)高水速凝材料超前深孔預(yù)注漿、滯后注漿與高強(qiáng)度錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，顯著改善了破碎頂煤、動(dòng)壓破碎圍巖巷道的維護(hù)狀況，為控制松軟破碎圍巖巷道變形提供了有效技術(shù)途徑。

其他重要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：（1）高水速凝材料預(yù)注漿、滯后注漿的合理工藝及參數(shù)。（2）松軟破碎圍巖動(dòng)壓巷道錨桿支護(hù)技術(shù)。

應(yīng)用情況：本項(xiàng)目研究成果在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司3100孤島工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，該工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是厚度2.4～3.0m的軟煤層，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小、自穩(wěn)能力差，該層軟煤極難控制，巷道維護(hù)困難。綜合應(yīng)用高水速凝材料預(yù)注漿、滯后注漿和高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，有效控制了松軟破碎頂煤的冒落，顯著改善了該巷道維護(hù)狀況。目前該技術(shù)在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司其它煤礦也得到了廣泛應(yīng)用，伯方煤礦采用該技術(shù)支護(hù)巷道3325米，唐安煤礦采用該技術(shù)支護(hù)巷道1391米。該技術(shù)為松散破碎頂煤安全開采創(chuàng)造了條件，而且，可以推廣應(yīng)用到深部煤礦巷道支護(hù)、隧道、基坑等巖土工程支護(hù)，因此，該技術(shù)推廣應(yīng)用前景巨大。

經(jīng)濟(jì)效益：

項(xiàng)目總投資額	82萬元		回收期（年）	1
年份	新增利潤(rùn)	新增稅收	創(chuàng)收外匯（美元）	節(jié)支總額
2005
2006				923.4
2007				2230.6
累計(jì)				3154

各欄目的計(jì)算依據(jù)：我公司大陽煤礦、伯方煤礦、唐安煤礦開采的三號(hào)煤層，存在一層松軟、破碎的煤層，松軟、破碎的煤層位于三號(hào)煤層的中上部，正是沿底掘進(jìn)巷道的頂板，由于自穩(wěn)能力差、普遍冒頂，巷道難以維護(hù)。采用高水速凝材料預(yù)注漿固化技術(shù)，有效控制了松軟破碎頂煤冒頂現(xiàn)象，顯著改善了巷道維護(hù)狀況，節(jié)省了大量的巷道維護(hù)費(fèi)用及返修費(fèi)用。節(jié)支總額為每米巷道節(jié)支費(fèi)用乘以巷道長(zhǎng)度。2006年采用架棚與注漿聯(lián)合支護(hù)巷道260m，采用錨桿與注漿聯(lián)合支護(hù)巷道1877米，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用923.4萬元； 2007年采用錨桿與注漿聯(lián)合支護(hù)巷道5129米，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用2230.6萬元；

社會(huì)效益：動(dòng)壓巷道松軟頂煤預(yù)注漿固化與支護(hù)技術(shù)帶來顯著的社會(huì)效益，具體有以下幾個(gè)方面：

（1）注漿加固、錨桿聯(lián)合支護(hù)，可以充分發(fā)揮兩種支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，提高圍巖承載能力，改善破碎、高應(yīng)力圍巖巷道維護(hù)狀況。

（2）巷道在服務(wù)期間基本上不需要維修，顯著改善了勞動(dòng)條件和作業(yè)環(huán)境，杜絕了巷道冒頂，消除了由于巷道冒頂產(chǎn)生的高冒區(qū)瓦斯積聚，保證了礦井安全生產(chǎn)。

（3）錨注聯(lián)合支護(hù)能提高圍巖的整體性和自身承載能力，同時(shí)提高破碎圍巖中的錨桿錨固力。錨桿支護(hù)強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度，能夠適應(yīng)圍巖的較大變形。與架棚支護(hù)形式相比可以減小區(qū)段煤柱寬度，提高采區(qū)采出率。

本項(xiàng)目曾獲科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：2008年榮獲山西省科技廳“科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng) ”三等獎(jiǎng)；

2008年榮獲國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局第四屆安全生產(chǎn)科技成果二等獎(jiǎng)。

 

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