文摘

在这项研究中,煤和岩石的变形特征和力学性能质量的S2N5工作面小康煤矿进行了分析解决问题的大变形与高地应力软岩周围的道路。通过新开发的注浆管、双层灌浆技术,包括低压灌浆和高压灌浆,提出小康煤矿。此外,灌浆效果评价由钻孔窥视和变形监测。通路;结果表明,灌浆技术可以有效地提高周围煤岩体的整体力学性能,防止巷道大变形和失败的。这项技术可能是有用的在分析和防止软岩巷道大变形。

1。介绍

控制周围的软岩层巷道进行采矿活动时很重要(1,2]。控制软岩巷道大变形,它已成为必要支持用螺栓/电缆+钢网+喷射混凝土技术(3,4]。然而,螺栓和固定电缆无法发挥全部作用,因为软岩的锚固力不足与注浆加固是一种有效的方法来控制巷道围岩的变形(5,6]。注浆加固技术是不可或缺的一部分,支持设计隧道高地应力和复杂地质条件(7]。注浆加固技术能有效提高破碎围岩的力学性能和完整性。同时,灌浆加固可以防止围岩成为不稳定并防止其损坏和故障期间矿业(8]。有很多研究大变形的机理和控制道路与高地应力软岩。

李。等人分析了大跨度的十字路口的失效机理数值模拟,提出了一种双螺栓控制技术有效地控制围岩的变形在道路9]。李。等人提出了一种耦合支护技术组成的高韧性密封层+中空注浆电缆+全长锚固螺栓在深水井来有效地控制巷道的大变形(10]。Fangtian等人实施了整体部分anchor-grouting加固技术在煤矿基于双层anchor-grouting强化机制来控制巷道周围岩石的变形(11]。王等人提出的概念“高强度、完整性和减压”基于巷道周围的软岩大变形机制,开发了一种约束混凝土(CC)支持系统,由实地测试验证(12]。陈等人提出了一个整体部分双拱协同强化技术的“喷射混凝土+注浆+锚杆+锚索”控制斜井在软围岩的变形13]。张等人提出了灌浆材料与低成本、高密度大规模地面裂缝的加固;新型灌浆材料的最优比例的成分(包括1%发泡剂)40%的水泥、粘土的30%,和30%的粉煤灰(14]。杨等人提出一种新的基于CFD-DEM耦合原理的灌浆方法;沪宁城际铁路中的一个典型的路基部分被用来模拟灌浆过程和扩散机制浆的微程序级(15]。

本研究主要分析大变形发生在道路周围的机理与高地应力软岩和软破碎煤岩体的加固使用无机灌浆材料。改性煤岩体可以有效地增强使用双层灌浆技术在巷道周围岩石(低压灌浆在浅层围岩和高压灌浆技术在深部围岩)提高围岩的强度和抗变形性下采矿活动。双层灌浆技术的现场应用达到使用新开发的注浆导管和取得了良好的效果。

2。领域概述

2.1。工程背景

小康煤矿位于Kangping县城市沈阳,辽宁省,中国,如图1(一)。它是距沈阳40公里的城市。矿区是28.99米²,输出是270 Wt /。没有大型矿山地区河流的水文特征。小康煤矿的结构是影响第二沉降带新华夏式系统和阴山纬向构造带的天山,吸正常故障在哪里发达。我的滑动结构多级滑动表面和小断层油页岩的屋顶上煤层。此外,重力滑动构造的广泛发展的小康煤矿摧毁了煤顶板的完整性,增加了我的压力。

的最大埋深S2N5工作面煤层是585,和煤层倾角通常是3°~ 6°。矿区的长度是1061.5米,宽度是200,如图2。煤层的平均厚度约为7.52 m,如图1 (b)。相邻工作面S2N3 1994年开采小支柱6米远离S2N5区域如图2。S2DF32H断层的影响,在工作面巷道变形明显,巷道的稳定性难以控制。因此,DF12断层附近,灌浆加固提出了控制变形的S2N5通风巷道。

2.2。最初支持S2N5隧道的设计

实现一个适当的支持系统的问题一直是限制发展的小康煤矿(16]。一系列的改革一直在进行一个适当的选择巷道支架部分,拱架的支持材料,锚索如表所示1。

从表可以看出1的支持方法选择小康煤矿已经变得越来越复杂,支持力量变得越来越大了。目前,小康煤矿的巷道采用了复合衬里结构。最初的支持包括螺栓(2.4米)和锚电缆(7.3米)。行间距螺栓 和群锚 毫米。在S2N5工作面采矿巷道的直径是4.6米。采用有底柱崩落法综合机械化开采高度为3.8米,和崩落采矿的高度是3.72米。二次衬砌是由钢拱(U36)和喷射混凝土(28毫米),如图3。然而,采矿巷道的长期服务,一个复杂的工程地质环境,仍然需要改善,实现矿井的正常生产。

3所示。失败的围岩特征和机制

3.1。围岩的故障特征

观察周围的岩石巷道的变形在S2N5工作面显示的影响范围推进工作面200。影响区域的分区统计工作面临的如下。(1)支承压力影响损伤区(0-20米)。巷道是严重影响工作面矿山压力的。矿山压力下,巷道断面收缩总的来说,和底部隆起现象尤为明显。巷道的拱架需要拆除,修复达到正常生产如图的两倍4(一)(2)支承压力影响损伤区二世(20 - 75)。巷道显示软岩的流变特性,和支持结构整体收缩。塑性区是远远超出了控制深度的支持结构,如图4 (b)。(3)支承压力影响损伤区三世(75 - 120)。巷道周围的压力导致整体支撑结构收缩压力。因为支持结构没有一定的压力释放特征,U36拱框架提出了不同形状的州,如折叠,弯曲,脱落(4)支承压力影响第四区(120 - 200)。围岩的强度不是加上身体的力量支持,巷道的失败从某一点开始,主要表现在下降的喷射混凝土块的形式,钢拱弯曲变形,在浅层围岩锚的失败

3.2。在S2N5围岩的破坏机理

3.2.1之上。低强度的围岩

屋顶的巷道S2N5工作面主要由煤和页岩和地板是由砂质泥岩。在实验室里,屋顶的长处,地板,煤进行了测试使用岩石强度测试系统如图5。强度参数如表所示2。煤的优势、页岩和砂质泥岩是14.20 MPa, 19.70 MPa,分别和17.71 MPa。围岩属于典型的三软煤层,其抗压强度低,稳定性差,可怜的承载能力17- - - - - -20.]。在煤炭开采过程中,围岩的应力区域扩张和崩溃容易发生由于围岩的应力集中。巷道周围的岩体强度低的主要原因是大变形巷道。

3.2.2。粘土矿物和微观结构

岩石矿物内容和粘土矿物相对含量使用x射线衍射仪进行了测试,结果如表所示3和4:

从表可以看出3底部砂质泥岩的粘土含量是45.7%,和illite-smectite层嵌粘土矿物主要成分含量的58%,其次是高岭石(19%)和伊利石(15%)。屋顶的页岩粘土成分是39.5%,和粘土的主要成分是illite-smectite层嵌内容(58%),其次是高岭石(30%)和伊利石(12%)。imonite混合层和高岭石显示强烈的亲水性和容易软化和分解接触水。工作面开挖后,围岩遇到水,风,导致软岩显著扩张,导致软岩的破坏。这是另一个底鼓和屋顶失败的原因。

SEM(扫描电镜)表明,页岩表面平滑放大后36次垂直于层理方向。放大27740倍后,发现页岩表面弯片状伊利石和imonite混合层、粘土矿物、细碎屑颗粒和微孔,如图6(一)。平行层理方向显示薄层的伊利石的方向分布和imonite混合层,还有一些biofossil碎片和页岩微孔隙,这也是原因之一的高含油量页岩,如图6 (b)。极其发达的水平和垂直裂缝渗透煤体如图6 (c),这是煤炭的低强度的主要原因。该泥岩薄层絮状结构,如图6 (d)。由于其粘土含量高,泥岩相对松散的结构。

3.2.3。地应力的测量

我们进行了现场测量地应力的工作面。结果表明,S2矿区主要是水平构造应力,最大值为22.76 MPa,自重应力的1.22倍。最大水平主应力的方向是东西方(EW)。道路的方向之间的角度和最大应力大于70°,这也是原因之一的大变形巷道。

上述分析表明,围岩的强度值都低于20 MPa,这表明它是一个典型的软岩。虽然只有12.05 MPa,最大水平主应力strength-to-stress比率约为3,煤岩体在高地应力状态。然而,由于粘土含量高的屋顶和底部发育裂缝,成为主要通道进行水在一定条件下,围岩的强度大大降低后遇到水。此外,在最初的支持计划,尽管锚索φ28.6使用初始预紧力只有175 kN。锚索的拉伸试验表明,预紧力只有150 kN,但锚固力可以达到380 kN实地测试后。这表明低自负的锚索不能调动深部围岩的压力。短的地脚螺栓和借口不能形成一个较低的长锚索应力重叠,及其stress-bearing拱优势很低,不足以抵抗强烈的采矿活动。U36圆拱是用作防御的最后一行软岩石巷道的变形。其刚度高,但它不能适应软岩的流变特性。后底部泥质粉砂岩的流变性质遇到水和偏应力下的非均匀分布载荷引起的屋顶工程导致明显的不对称变形,最终导致金属棚被摧毁首先从底部胀,然后先后形成严重的收缩和变形,导致完成不稳定。

4所示。双层灌浆技术

灌浆加固破碎煤岩体的力学性能可以提高软弱结构面和增加凝聚力和内摩擦角的破碎煤岩体21]。灌浆材料的胶结作用可以增加之间的内部阻力相对位移不连续块破碎煤岩体,从而提高围岩的整体稳定性和完整性(22]。此外,灌浆材料可以穿透围岩形成的裂缝骨架承重结构,提高破碎围岩的剩余强度,并充分发挥能的煤岩体23]。

根据小康煤矿的工程地质条件,提出了双层灌浆的概念,即浅低压灌浆和深高压灌浆,如图7(a)。此外,考虑到初始支持锚索的长度是7.3米,希望内部灌浆可以进行围岩在其范围内没有损害了锚索锚段。灌浆进行如下:(1)大量的灌浆材料涌入煤炭的身体,这样更薄钢板形成浅层煤体内抵抗围岩的变形。与此同时,它还提供了一个隔离层高压压裂注浆(2)与浅围岩相比,深部围岩裂隙较少通道。高压压裂注浆技术可以注入灌浆材料围岩沿结构面提高凝聚力( )和摩擦角( )煤炭质量如图7(b)。与此同时,裂隙框架形成煤体内进一步加强煤炭身体抵抗变形的能力

注浆技术是广泛应用于围岩加固(24]。水泥材料的特点,低成本和良好的性能,通常用于管理在煤矿软岩巷道25]。在小康煤矿软岩的变形巷道开采之前约300毫米,这是能够保持稳定。此外,大量的裂缝检测钻孔围岩的探视。因此,P.O52.5混凝土被选为灌浆材料。为了填补裂缝在煤岩体,膨胀剂,约占总成分的0.4%是专门补充道。灌浆材料的体积膨胀率约为0.43%,最后设置时间是70分钟,最终强度不小于30 MPa。灌浆材料的力学性能如表所示5。

4.1。低压灌浆技术

防止泄漏的灌浆材料,围岩是喷洒3 ~ 5厘米厚的混凝土。然后,孔直径75毫米,深度2.0米和8.0米的钻孔围岩浅和深。详细的灌浆过程如图8。现场灌浆过程如图9(一个),9 (b),9 (d)。一个新开发的注浆管长度为1.8米,外径75毫米,如图9 (c)安装如图9 (e)。

4.2。分裂高压灌浆技术

分裂灌浆技术使用高压注浆泵将围岩沿层理或弱面。通过将厚厚的泥浆注入裂缝,周围的岩石压实和围岩的强度增加。灌浆流速应尽可能保持在20 L / min。如果流量太小,它将导致浆浓缩设备和管道,和流量将容易漏浆。灌浆后进入初始设置状态在大约40分钟,每个桶灌浆的灌浆时间不应超过40分钟。详细的灌浆过程如图8。

5。现场测试和评估的控制效果

5.1。选择的测试网站

进行灌浆试验100 (270 ~ 170)S2N5运输巷道。监视点每隔20米和编号II-VII创建序列。我监控用于数据分析和比较,如图10。在灌浆试验部分,巷道的变形之间的屋顶和地板(AB),双方的巷道测量(CD)。

5.2。注浆加固设计支持

考虑到原始小康煤矿巷道支架形式,提出了一种双层灌浆加固方案如图(11日)。浅和深钻孔的交替排列图所示11 (b)。

5.3。评价灌浆

5.3.1。灌浆块分析

评价灌浆的影响,岩石样本进行评估。浅煤层相对破碎,灌浆材料可以穿透的层理和关节的作用下煤低压力如图12(一个)。灌浆材料断裂表面有高结合力,这提高了破碎煤岩体的变形刚度结构,提高了煤炭质量的完整性。深部煤层相对完整,灌浆材料可能扩大微裂隙煤高压的作用下分裂。通过挤压动作,和煤体内的增强,如图12 (b)。

5.3.2。钻孔观测

电子钻孔观测仪器,灌浆评价的有效方法,被用来观察灌浆钻孔(26- - - - - -29日]。观测表明,浅层围岩裂隙相对发达和灌浆材料可以完全填补煤层裂缝改善煤层如图的完整性(13日)- - - - - -13 (e)。尽管在深部围岩裂隙较少,内部结构表面的作用下煤层仍充满高压压裂注浆如图13 (f)- - - - - -13(左)。

5.3.3。围岩的变形曲线

统计的最大变形围岩注浆测试区域如图14,屋顶和地板之间的最大位移图所示(14日)。灌浆后,屋顶和地板之间的位移减少最多从885毫米到145毫米,这是一个减少为83.5%。巷道的变形双方减少最多从680毫米到90毫米,这是一个减少为86.8%,如图14 (b)。第二部分选择和V的详细分析,如图(15日)和15 (b)。结果表明,采矿巷道的变形很明显降低,灌浆后能保持正常生产。先进的支承压力的影响是减少到约150。巷道变形仍由屋顶塌陷,但变形显著降低。

6。结论

(1)S2N5工作面是一个典型的三软煤层,它显示了高地应力的作用下明显的流变特征。最初的支撑结构不能控制围岩的变形,导致支撑结构的失败(2)螺栓和固定电缆的要求太低,巩固破碎围岩形成stress-bearing结构。先进的支承压力和地应力的叠加的动态源S2N5工作面大变形(3)灌浆加固可有效提高凝聚力的价值( ),摩擦角( ),和破碎的围岩强度(和 )。围岩保税的灌浆材料和螺栓和群锚形成stress-bearing结构,避免发生大变形巷道(4)双层灌浆技术可以有效地提高周围煤岩体的整体力学性能,防止巷道大变形和失败的使用新开发的注浆管在这项研究

数据可用性

所有的数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认提供的资金由中国国家自然科学基金(41941018)。