项目名称: 动压巷道松软顶煤预注浆固化与支护技术研究
申报单位: 山西兰花科技创业股份有限公司
主要完成人：贺贵元 柏建彪 郝跃洲 吕吉峰 侯英翔
安火宁
主要完成单位：山西兰花科技创业股份有限公司
中国矿业大学
专业（学科）分类名称代码：矿山工程技术（440）
井巷工程（30）
矿山支护工程（20）
所属国民经济行业： B类型
任务来源：自选
项目起止时间：2005年2月-2007 年5月
项目简介：本项目所属科学技术领域为采矿工程。系统地研究分析了：（1）采动支承应力作用下破碎围岩巷道注浆固化机理；（2）高水速凝材料注浆固化工艺和注浆参数；（3）破碎围岩巷道锚杆支护原理和支护参数；（4）注浆固化、锚杆支护实现破碎围岩巷道稳定的技术；（5）提出了采动支承应力作用下，破碎围岩巷道稳定原理及控制技术，取得了以下研究成果：
（1）高水速凝材料对破碎顶煤预注浆、加固巷道两帮煤体，提高破碎煤体的残余强度、锚杆锚固力，提高松散、破碎煤体的自身承载能力和稳定性，有效阻止锚杆锚固力随围岩变形量增大而减小；注浆加固与锚杆支护共同作用，显著提高破碎煤体的抗变形能力。
（2）破碎围岩巷道锚杆支护的实质是提高围岩的极限强度和残余强度等力学性能，实现巷道稳定。
（3）两帮是巷道的重要承载结构，两帮失稳必然导致巷道难以维护，两帮及顶煤的稳定性控制同等重要，因而必须加强两帮支护，注浆或锚杆支护可以有效支护两帮。
（4）高水速凝材料超前预注浆、滞后注浆与锚杆支护或架棚联合支护均有效控制了采动支承应力作用下的破碎围岩巷道变形，但高水速凝材料注浆加固与高强锚杆联合支护效果更好，不仅显著提高了巷道支护效果，保证了巷道安全使用，而且降低了巷道维护成本、减轻了工人劳动强度，取得了巨大的技术、经济效益和社会效益。
本项目研究成果在山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司3100孤岛工作面进行工业性试验，该工作面回风巷沿煤层底板掘进，巷道顶板是厚度2.4～3.0m的软煤层，煤层节理裂隙发育、强度小、自稳能力差，该层软煤极难控制，巷道维护困难。综合应用高水速凝材料预注浆、滞后注浆和高强度锚杆支护，有效控制了松软破碎顶煤的冒落，显著改善了该巷道维护状况，目前该技术在山西兰花科技创业股份有限公司其它煤矿得到了广泛应用。
项目详细内容：山西兰花科技创业股份有限公司所属煤矿主采3号煤层，3号煤层为厚煤层，目前均采用放顶煤方法开采，风巷、运巷沿煤层底板掘进，3号煤层中上部发育一层软煤层，该软煤层在直接顶以下0.8m至底板以上2.8～3.0m之间，软煤层厚度2.4～3.0m、节理裂隙发育、强度小、自稳能力差，位于沿底掘进的巷道顶部，在巷道掘进过程中，该层软煤极难控制，经常冒顶至直接顶，造成以下困难：(1)掘进速度慢，巷道成型差；(2)冒顶巷道超高架设木垛接顶，支护阻力小，巷道维护困难、变形量大；(3)空顶部分形成瓦斯积聚；(4)巷道超高，回采工作面超前支护－单体液压支柱不能接顶，木垛压缩量大，超前支护阻力达不到要求，顶板下沉量大；(5)端头移架困难，上下出口不通畅，给安全生产埋下隐患。
针对破碎围岩巷道或隧道掘进，目前国内外普遍采用的支护方法主要有以下几种：（1）采用U型钢或工字钢架棚，在支架上方架设木垛接顶；（2）打设钢管棚加注浆，随后架棚或砌碹或浇筑混凝土支护；（3）化学浆液预注浆，采用锚杆支护或架棚支护。第一种方法支护阻力小、控制围岩变形的能力小，巷道变形量大；第二种方法施工困难，需要的施工技术水平高；第三种方法费用高，目前化学浆液成本一般3～4万元/t，一般工程难以应用。为该类巷道围岩控制寻求理论依据和技术途径，开展了本项目的研究。
总体思路：山西兰花科技创业股份有限公司所属煤矿主采3号煤层，3号煤层为厚煤层，目前均采用放顶煤方法开采，风巷、运巷沿煤层底板掘进，3号煤层中上部发育一层软煤层，该软煤层在直接顶以下0.8m至底板以上2.8～3.0m之间，软煤层厚度2.4～3.0m、节理裂隙发育、强度小、自稳能力差，位于沿底掘进的巷道顶部，在巷道掘进过程中，该层软煤极难控制，经常冒顶至直接顶。
技术方案与创新成果：1、本项目通过现场邻近巷道维护状况调查分析，掌握同类生产地质条件下巷道围岩变形规律，为研究该类巷道围岩稳定原理、开发支护技术提供依据。
2、破碎煤体预注浆试验。应用高水速凝材料对破碎煤体进行预注浆试验，为确定注浆参数和注浆固化数值模拟试验提供力学参数。注浆固化试验得到以下结论：
（1）注浆固结体强度随破碎煤块的尺寸增大而增加。注浆试块强度与粒径的关系见表1。
表1 注浆试块强度与粒径的关系
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试块 编号 |
<5mm(%) |
5～20mm(%) |
>20mm(%) |
平均抗压强度/MPa |
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A |
31 |
38 |
31 |
2.413 |
|
B |
44 |
31 |
25 |
1.469 |
|
C |
56 |
25 |
19 |
1.508 |
随着碎块体积增大，固结体的强度增大，现场煤体尺寸大，因此，注浆后固结体的强度更大，对保持顶板、两帮稳定更有利。
（2）注浆固结体强度随注浆量增加而增大，见图1，这要求现场应尽可能多注浆。
图1 固结体强度与注浆量的关系
（3）注浆固结体强度随浆液固结体强度增大而增大。水灰比为1.5:1时，固结体单轴抗压强度为1.22～3.49MPa，平均为2.37MPa；水灰比为1.8:1时，固结体强度为0.6～2.06MPa，平均单轴抗压强度为1.33MPa；水灰比为2.0:1时，固结体强度为0.56～1.53MPa，平均单轴抗压强度为1.04MPa。
破碎煤块经压注高水速凝材料浆液后，其单轴抗压强度都得到了程度不等的提高，单轴抗压强度从0.56 MPa到3.49MPa，目前锚杆、锚索支护难以达到注浆加固的最低强度值即0.56 MPa，这表明高水速凝材料注浆是一种经济、有效的加固围岩的方法。
3、预注浆固化对破碎顶板巷道稳定性的作用。基于高水速凝材料注浆固化机理和实验室试验结果，应用数值模拟的方法研究分析预注浆固化对破碎顶板巷道稳定性的作用。
不对破碎顶煤超前预注浆，破碎顶煤的自稳能力差，巷道掘进时即发生冒顶现象
实施效果：1、有效控制了巷道围岩变形试验现场为3100综放面回风巷和运巷，现场观测结果表明，3100综放面两巷在回采期间围岩变形得到了有效控制，为工作面的快速推进创造了有利条件。下图是采用预注浆加固后回风巷与运巷维护状况。采用架棚支护的3102孤岛综放工作面顺槽矿压显现强烈，在掘进期间即需要维修；回采期间超前采动影响范围大、巷道顶底板及两帮相对移近量均超过2000mm，U钢棚腿和工字钢顶梁基本全部严重扭曲、撕裂，不能复用；在两帮破碎煤体的侧向推力作用下单体液压支柱折断现象普遍，据统计每架棚子平均损坏2棵；巷道掘进后到采动剧烈影响期间打的木点柱平均要折断5棵，回采期间需要返修1次。
2、发现、发明及创新点：
核心技术创新点：（1）提出了动压条件下，松散、破碎围岩巷道的稳定原理，为提高该类型围岩承载能力，控制巷道变形提供了理论依据。（2）系统研究了注浆与锚杆支护共同作用的机理，首次开发高水速凝材料超前深孔预注浆、滞后注浆与高强度锚杆联合支护技术，显著改善了破碎顶煤、动压破碎围岩巷道的维护状况，为控制松软破碎围岩巷道变形提供了有效技术途径。
其他重要技术创新点：（1）高水速凝材料预注浆、滞后注浆的合理工艺及参数。（2）松软破碎围岩动压巷道锚杆支护技术。
应用情况：本项目研究成果在山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司3100孤岛工作面进行工业性试验，该工作面回风巷沿煤层底板掘进，巷道顶板是厚度2.4～3.0m的软煤层，煤层节理裂隙发育、强度小、自稳能力差，该层软煤极难控制，巷道维护困难。综合应用高水速凝材料预注浆、滞后注浆和高强度锚杆支护，有效控制了松软破碎顶煤的冒落，显著改善了该巷道维护状况。目前该技术在山西兰花科技创业股份有限公司其它煤矿也得到了广泛应用，伯方煤矿采用该技术支护巷道3325米，唐安煤矿采用该技术支护巷道1391米。该技术为松散破碎顶煤安全开采创造了条件，而且，可以推广应用到深部煤矿巷道支护、隧道、基坑等岩土工程支护，因此，该技术推广应用前景巨大。
经济效益：
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项目总投资额 |
82万元 |
回收期（年） |
1 |
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年份 |
新增利润 |
新增税收 |
创收外汇（美元） |
节支总额 |
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2005 |
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2006 |
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|
|
923.4 |
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2007 |
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2230.6 |
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累计 |
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3154 |
各栏目的计算依据：我公司大阳煤矿、伯方煤矿、唐安煤矿开采的三号煤层，存在一层松软、破碎的煤层，松软、破碎的煤层位于三号煤层的中上部，正是沿底掘进巷道的顶板，由于自稳能力差、普遍冒顶，巷道难以维护。采用高水速凝材料预注浆固化技术，有效控制了松软破碎顶煤冒顶现象，显著改善了巷道维护状况，节省了大量的巷道维护费用及返修费用。节支总额为每米巷道节支费用乘以巷道长度。2006年采用架棚与注浆联合支护巷道260m，采用锚杆与注浆联合支护巷道1877米，节省维护费用923.4万元； 2007年采用锚杆与注浆联合支护巷道5129米，节省维护费用2230.6万元；
社会效益：动压巷道松软顶煤预注浆固化与支护技术带来显著的社会效益，具体有以下几个方面：
（1）注浆加固、锚杆联合支护，可以充分发挥两种支护的优势，提高围岩承载能力，改善破碎、高应力围岩巷道维护状况。
（2）巷道在服务期间基本上不需要维修，显著改善了劳动条件和作业环境，杜绝了巷道冒顶，消除了由于巷道冒顶产生的高冒区瓦斯积聚，保证了矿井安全生产。
（3）锚注联合支护能提高围岩的整体性和自身承载能力，同时提高破碎围岩中的锚杆锚固力。锚杆支护强化围岩强度，能够适应围岩的较大变形。与架棚支护形式相比可以减小区段煤柱宽度，提高采区采出率。
本项目曾获科技奖励情况：2008年荣获飞禽走兽老虎机：科技厅“科学技术进步奖 ”三等奖；
2008年荣获国家安全生产监督总局第四届安全生产科技成果二等奖。
