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矿道冒顶区加固中高分子材料的应用研究

时间:2015-10-27 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2101字

  引言
  
  申南凹焦煤有限公司20101运输顺槽设计沿2#煤层顶板掘进,运输顺槽断面:宽×高=4.5 m×3.2 m,采用锚网+锚索联合支护方式,选择EBZ160型掘进机掘进施工,掘进153 m后巷道迎头揭露巨型褶曲地质构造,煤层层理紊乱、裂隙发育,松软破碎的煤岩体急剧上移引发上覆煤体垮落、冒顶,范围约:宽×长×高=6 m×7.5 m×10 m,冒落体积大于450 m3.为安全有序处理冒顶区,并保证正前掘进巷道的安全、支护质量和掘进速度,决定采用石家庄国盛矿业科技有限公司生产的高分子聚合物固特珑超前注浆加固顶板、马浮因充填高冒区的技术方案来保障施工。

  1 固特珑化学浆充填加固冒顶区的应用原理

  石家庄国盛矿业科技有限公司自主研发的有机高分子注浆材料固特珑、马浮因均由体积大致相等的A、B两种组份组成,当使用特定的化学注浆泵将A、B两种化学原料等量压注到破碎煤岩体或充填到冒顶区空洞后,经混合器搅拌充分混合后即发生一系列复杂、连锁的化学反应,可生成对煤岩体具有较高粘结性的有机弹性固结体,其混合粘结作用改善了松软破碎煤岩体的受力结构和物理力学性能,有机弹性固结体在破碎煤岩体内膨胀、渗透、充满整个裂隙面形成网络骨架,把松散的煤岩体粘结到一起,或充填饱满整个冒顶空洞区域,支撑控制围岩的进一步垮落和片帮,对整个破碎围岩和冒顶区起到补强加固、充填密实作用[1].浆液渗透至所有裂隙后,松散煤岩体粘结为一体,增强整体性和抗压性能,不易片帮、冒落,完全封堵漏风、漏水裂隙,达到加固巷道围岩、充填支撑空洞区域、防治瓦斯积聚、保障快速掘进的目的[2].

  2 技术方案

  2.1 实施范围

  结合20101运输顺槽现场冒顶区段松散破碎围岩的具体地质条件,确定迎头巷道注浆段长度为15 m,高冒区长度8 m,充填假顶厚度按3 m计算,充填体积约360 m3,视巷道冒顶变化情况决定是否继续注浆加固和充填。

  2.2 技术参数
  
  根据20101运输顺槽冒顶区域的具体特点和注浆充填并加固的施工工艺要求,设计采用预先搭设假顶防护网骨架方案。采用5 m~6 m长的DN65 mm水管,一端搭设最前U型钢棚梁之上,另一端伸到冒顶区,并排6根~10根,其上铺设金属网和破旧风筒布,形成假顶骨架,其上快速充填马浮因 (MF-2) 膨胀材料,形成约3 m厚的充填体假顶支护层,达到假顶支撑区和落渣冲击缓冲区,保护支架不受冲击变形。

  冒顶区交错布置6根~8根注浆管路,均从最前支架向冒顶区延伸,根据具体钻孔注浆量及跑浆、漏浆频率,及时调整和纠正注浆管间排距、长度和倾斜角度,重点技术措施为对冒顶区的正顶上部适当加大注浆量,加快注浆速度,达到快速控制顶板和围岩的目的,钻孔布置示意图如图1.充填结束后,根据现场裂隙发育程度、松散破碎程度和浆液扩散凝固状况,适时改进冒顶区超前注浆加固施工工艺步骤,灵活应用预先超前固结4 m再向前掘进支护3 m的技术措施,掘进断面布置三花眼单排注浆孔,孔深6 m~6.5 m,注浆钻杆长5 m,孔径Φ42 mm,孔间距0.7 m~1.5 m.每个注浆循环预计布置5根~7根一次性注浆钻杆,均从开挖巷道断面开孔布管,在一个平面内均匀展开,钻孔垂直或斜交向上布置以保证浆液均匀扩散。

  依据20101运输顺槽掘进地质资料、冒顶区煤岩体的支撑强度及巷道围岩条件,要求巷道管道供压风风量大于3 m3/min,供压风额定压力大于0.5 MPa,设计注浆终孔压力3 MPa.

  依据煤岩体的裂隙发育程度、围岩破碎程度、注浆终孔压力和类似注浆工程经验数据,综合确定单孔化学浆注浆量180 kg~220 kg,实际施工时通过调整浆液的胶凝速度、膨胀倍数、渗透性和注浆终压,保证实际有效扩散半径不小于1.2 m.

  2.3 注浆材料

  结合20101运输顺槽具体情况,采用有机高分子化学加固材料固特珑 (GN-5型) 和充填材料马浮因(MF-2型) 相结合的注浆方案,注浆加固围岩和充填高冒区。

  固特珑、马浮因均是高分子聚合物添加各种辅助添加剂来调节反应速度、膨胀倍数、阻燃指数和粘结强度,辅助添加剂帮助浆液在煤岩体中具有较好的渗透性,与煤岩体达到较高粘合力,在均衡压力作用下可渗透到微裂隙之中,混合后反应体膨胀凝固,形成致密的网络骨架体 (固结体),对松散破碎带起到固结作用、对空洞区域起到充填支撑作用。

  3 施工工艺

  施工工艺:标注钻孔→风动钻孔→探孔检查钻孔质量→安装注浆钻杆并封孔→封孔固结钻孔→准备浆液→开泵注浆→扩散并凝固→检查注浆质量→验收。

  4 注浆设备

  钻孔采用Y28型风动凿岩钻机或风动锚杆钻机打眼,并选择配备对应长度的钻杆和注浆钻杆。封孔、注浆均采用QB6C型气动高压双液化学注浆泵,与注浆设备配套的动力源压风进风管路为Φ25 mm或Φ19 mm高压风管,高压混合液出浆管规格为Φ10 mm钢丝管。

  5 结语

  应用固特珑化学注浆超前加固技术,进行20101运输顺槽松散破碎段巷道围岩及冒顶区的支撑与充填支护,能有效改变围岩松散结构,提高煤岩体整体强度和完整性,增强施工安全可靠性,提高巷道掘进速度,是具有较大推广应用前景的一项实用新技术。采用马浮因高分子聚合物材料对高冒区实施超前充填支撑是改进煤矿巷道支护技术手段的又一创新举措,是提高矿井生产效益和安全性的一种行之有效的方法。

  参考文献:

  [1] 刘凤鸣。固特珑注浆材料在综采面过断层中的应用[J].能源与节能,2014(12):182-183.
  [2] 马国学。煤岩体化学注浆加固技术应用研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2007.

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