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官地矿综放工作面围岩注浆加固技术及应用

【摘要】:针对综放工作面过地质破碎带时极易出现煤壁片帮、架前冒落等问题,综合运用数值模拟、实验室试验和现场实测相结合的方法,研究了注浆加固综放工作面围岩技术及其应用,主要得出如下结论:(1)针对煤矿开采特征,通过建立围岩塑性区计算模型,理论分析与推导得到围岩应力分布的解析解。(2)通过钻孔窥视仪分析了煤层顶板岩层结构。其直接顶4m范围以内,以粗粒砂岩为主,整体的胶结性低,可见大裂隙通道十分明显,节理十分发育;4~4.8m其裂隙有所减少,但其节理与裂隙相比其他岩层仍然发育,主要以砂质泥岩为主;4.8~8.8m之间岩层破碎依然严重,大裂隙清楚可见,8.8~9.4m岩层变得致密,但裂隙发育,其岩性主要以细砂岩为主;在10.0~17.3m出现石灰岩,可以判断此段岩层问煤层的基本顶,其离层现象没有,裂隙发育不明显。17.5~19.4m岩层破碎较明显,岩层完整性较差。19.4~20.6m为粉砂岩和泥岩混层,横向裂隙非常发育。对官地煤矿巷道围岩10m范围内进行原位强度测定,8号煤层强度平均值为14.67Mpa,通过分析岩石强度曲线可以得出,相同测点下,煤岩层的强度波动很大,说明了岩层在测试方向的完整性较差,裂隙较为发育,该结果与窥视结果相符。(3)为了与实际的注浆工程相符,设计采用了顶煤破碎带注浆实验系统设备,主要包括注浆容器、水压加压及稳压系统、应力加载及稳压系统和注浆系统。进行两次实验,分别加载1.0mpa和1.5mpa的地应力,均采用间歇式注浆工艺。在第一次注浆试验中,第一次注浆压力为8mpa,注浆量为100ml,第二次注浆压力达9mpa,注浆量为100ml,到第3次时注浆压力减小,注浆量增大,第4次和第5次注浆压力稳定在8mpa,注浆量不断增多。在第二次注浆试验中,前3次注浆,注浆量逐渐减小,第4次注浆量增加到200ml,第5次注浆压力减少至100ml,第一次注浆压力为10mpa,其余注浆压力均稳定在9mpa左右。不同地应力条件下,注浆压力和注浆量的变化,反映了浆液的渗流通道的形成与地应力相关。(4)采用flac数值模拟软件分别研究了不同孔径和不同注浆压力渗透半径变化特征,研究表明:在注浆时可适当增大注浆孔半径,以增加浆液渗流与渗透半径,增大固结体的网络骨架规模,改善注浆效果。注浆压力的增大有利于浆液的渗流,其渗透半径也随着注浆压力的增大而增大。(5)受地质构造影响,综放工作面端面顶板破碎极易产生漏冒。根据顶板特点构建了端面顶板冒落拱结构分析模型。通过理论分析表明:1)冒落拱平衡所需后拱脚力ra、ha随着载荷q的增大而增大;2)缩小端面距有利于冒落拱的稳定;3)提高支架工作阻力可减轻端面冒顶;4)针对28416工作面开采,地质破碎带时,如不采取措施,端面顶板冒高为2.8m。注浆加固可以提高破碎带强度,此时端面顶板由散体结构转变为整体结构。根据长壁工作面煤层开采特点,构建了端面顶板“梁”结构分析模型。根据现场实际,确定了28416工作面综放开采,地质破碎带时注浆加固厚度h2.0m。(6)数值分析表明,当地质破碎带未发育至煤层时,且顶煤厚度小于2m,上方的地质破碎带与端面顶板的破坏贯通,必须对顶板(顶煤)进行注浆加固。当顶煤厚度大于2m时,整体破坏不明显,不需要特殊加固,可采取其它措施推过地质破碎带,比如提高初撑力、带压移架等,计算结果与理论分析相符。(7)综放工作面注浆采用水泥-水玻璃和化学注浆方案,根据辅运巷地质破碎带围岩松软的特点,并对岩样的颗粒组成进行试验得出采用马丽散进行注浆加固。28416综放工作面过地质破碎带期间,采用了28416辅运巷注浆和工作面架前注浆相结合的注浆加固方案并实施,确定了注浆孔数目、注浆孔几何参数、注浆参数、注浆设备和注浆工艺。(8)通过对28416综放工作面注浆效果的考察研究,结果表明:注浆区域马丽散填充充分,钻孔内壁光滑,注浆区域已胶结为整体,注浆固结体与煤壁间接触充分,煤壁和端面顶板基本未发生矿压显现,巷道整体状况良好,说明研究得出的注浆工艺参数是合理的可行的。

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