項目名稱: 動壓巷道松軟頂煤預注漿固化與支護技術研究

申報單位: 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

專業(yè)（學科）分類名稱代碼：礦山工程技術（440）

井巷工程（30）

礦山支護工程（20）

所屬國民經濟行業(yè)： B類型

任務來源：自選

項目起止時間：2005年2月-2007 年5月

項目簡介：本項目所屬科學技術領域為采礦工程。系統地研究分析了：（1）采動支承應力作用下破碎圍巖巷道注漿固化機理；（2）高水速凝材料注漿固化工藝和注漿參數；（3）破碎圍巖巷道錨桿支護原理和支護參數；（4）注漿固化、錨桿支護實現破碎圍巖巷道穩(wěn)定的技術；（5）提出了采動支承應力作用下，破碎圍巖巷道穩(wěn)定原理及控制技術，取得了以下研究成果：

（1）高水速凝材料對破碎頂煤預注漿、加固巷道兩幫煤體，提高破碎煤體的殘余強度、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的實質是提高圍巖的極限強度和殘余強度等力學性能，實現巷道穩(wěn)定。

（3）兩幫是巷道的重要承載結構，兩幫失穩(wěn)必然導致巷道難以維護，兩幫及頂煤的穩(wěn)定性控制同等重要，因而必須加強兩幫支護，注漿或錨桿支護可以有效支護兩幫。

（4）高水速凝材料超前預注漿、滯后注漿與錨桿支護或架棚聯合支護均有效控制了采動支承應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錨桿聯合支護效果更好，不僅顯著提高了巷道支護效果，保證了巷道安全使用，而且降低了巷道維護成本、減輕了工人勞動強度，取得了巨大的技術、經濟效益和社會效益。

本項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孤島工作面進行工業(yè)性試驗，該工作面回風巷沿煤層底板掘進，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、強度小、自穩(wěn)能力差，該層軟煤極難控制，巷道維護困難。綜合應用高水速凝材料預注漿、滯后注漿和高強度錨桿支護，有效控制了松軟破碎頂煤的冒落，顯著改善了該巷道維護狀況，目前該技術在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司其它煤礦得到了廣泛應用。

項目詳細內容：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司所屬煤礦主采3號煤層，3號煤層為厚煤層，目前均采用放頂煤方法開采，風巷、運巷沿煤層底板掘進，3號煤層中上部發(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、強度小、自穩(wěn)能力差，位于沿底掘進的巷道頂部，在巷道掘進過程中，該層軟煤極難控制，經常冒頂至直接頂，造成以下困難：(1)掘進速度慢，巷道成型差；(2)冒頂巷道超高架設木垛接頂，支護阻力小，巷道維護困難、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－單體液壓支柱不能接頂，木垛壓縮量大，超前支護阻力達不到要求，頂板下沉量大；(5)端頭移架困難，上下出口不通暢，給安全生產埋下隱患。

針對破碎圍巖巷道或隧道掘進，目前國內外普遍采用的支護方法主要有以下幾種：（1）采用U型鋼或工字鋼架棚，在支架上方架設木垛接頂；（2）打設鋼管棚加注漿，隨后架棚或砌碹或澆筑混凝土支護；（3）化學漿液預注漿，采用錨桿支護或架棚支護。第一種方法支護阻力小、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，需要的施工技術水平高；第三種方法費用高，目前化學漿液成本一般3～4萬元/t，一般工程難以應用。為該類巷道圍巖控制尋求理論依據和技術途徑，開展了本項目的研究。

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號煤層，3號煤層為厚煤層，目前均采用放頂煤方法開采，風巷、運巷沿煤層底板掘進，3號煤層中上部發(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、強度小、自穩(wěn)能力差，位于沿底掘進的巷道頂部，在巷道掘進過程中，該層軟煤極難控制，經常冒頂至直接頂。

技術方案與創(chuàng)新成果：1、本項目通過現場鄰近巷道維護狀況調查分析，掌握同類生產地質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)支護技術提供依據。

2、破碎煤體預注漿試驗。應用高水速凝材料對破碎煤體進行預注漿試驗，為確定注漿參數和注漿固化數值模擬試驗提供力學參數。注漿固化試驗得到以下結論：

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

表1 注漿試塊強度與粒徑的關系

試塊 編號	<5mm(%)	5～20mm(%)	>20mm(%)	平均抗壓強度/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，固結體的強度增大，現場煤體尺寸大，因此，注漿后固結體的強度更大，對保持頂板、兩幫穩(wěn)定更有利。

（2）注漿固結體強度隨注漿量增加而增大，見圖1，這要求現場應盡可能多注漿。

 

圖1  固結體強度與注漿量的關系

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

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

3、預注漿固化對破碎頂板巷道穩(wěn)定性的作用?；诟咚倌牧献{固化機理和實驗室試驗結果，應用數值模擬的方法研究分析預注漿固化對破碎頂板巷道穩(wěn)定性的作用。

不對破碎頂煤超前預注漿，破碎頂煤的自穩(wěn)能力差，巷道掘進時即發(fā)生冒頂現象

實施效果：1、有效控制了巷道圍巖變形試驗現場為3100綜放面回風巷和運巷，現場觀測結果表明，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創(chuàng)造了有利條件。下圖是采用預注漿加固后回風巷與運巷維護狀況。采用架棚支護的3102孤島綜放工作面順槽礦壓顯現強烈，在掘進期間即需要維修；回采期間超前采動影響范圍大、巷道頂底板及兩幫相對移近量均超過2000mm，U鋼棚腿和工字鋼頂梁基本全部嚴重扭曲、撕裂，不能復用；在兩幫破碎煤體的側向推力作用下單體液壓支柱折斷現象普遍，據統計每架棚子平均損壞2棵；巷道掘進后到采動劇烈影響期間打的木點柱平均要折斷5棵，回采期間需要返修1次。

2、發(fā)現、發(fā)明及創(chuàng)新點：

核心技術創(chuàng)新點：（1）提出了動壓條件下，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。（2）系統研究了注漿與錨桿支護共同作用的機理，首次開發(fā)高水速凝材料超前深孔預注漿、滯后注漿與高強度錨桿聯合支護技術，顯著改善了破碎頂煤、動壓破碎圍巖巷道的維護狀況，為控制松軟破碎圍巖巷道變形提供了有效技術途徑。

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

應用情況：本項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孤島工作面進行工業(yè)性試驗，該工作面回風巷沿煤層底板掘進，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、強度小、自穩(wěn)能力差，該層軟煤極難控制，巷道維護困難。綜合應用高水速凝材料預注漿、滯后注漿和高強度錨桿支護，有效控制了松軟破碎頂煤的冒落，顯著改善了該巷道維護狀況。目前該技術在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司其它煤礦也得到了廣泛應用，伯方煤礦采用該技術支護巷道3325米，唐安煤礦采用該技術支護巷道1391米。該技術為松散破碎頂煤安全開采創(chuàng)造了條件，而且，可以推廣應用到深部煤礦巷道支護、隧道、基坑等巖土工程支護，因此，該技術推廣應用前景巨大。

經濟效益：

項目總投資額	82萬元		回收期（年）	1
年份	新增利潤	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				3154

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

社會效益：動壓巷道松軟頂煤預注漿固化與支護技術帶來顯著的社會效益，具體有以下幾個方面：

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

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

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

本項目曾獲科技獎勵情況：2008年榮獲山西省科技廳“科學技術進步獎 ”三等獎；

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

 

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