运输顺槽掘进断层含水破碎带注浆堵水与加固施工方案文档格式.docx
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即
式1
式中：
τ――岩体抗剪强度，Mpa；
σ――正应力，Mpa；
C――岩体的内应力，Mpa；
ψ――内摩擦角，°
由上式可知，岩体强度的大小是由C、ψ两个指标确定的。
当集中的切向应力超过岩体的强度极限时，工作面表面的岩体首先破坏，产生裂隙，岩体原有的内应力及内摩擦角下降，围岩在一定范围内形成围岩破碎带，此破碎带内的岩体虽具有一定残余强度，但其抵抗工作面围岩深度变形的能力显著降低，注浆加固的目的就是通过注浆使这一区域内的破碎岩体的强度及整体性得到加强，如图1。
岩体C、ψ值的增值大小，视注浆材料的性能及注浆工艺是否合适而有所不同，一般来讲，注浆材料本身固结强度高、稳定性能好，注浆工艺合理，能保证岩体裂隙充填密实，浆液与裂隙面粘结牢靠，其C、ψ值的增值较大。
通过注浆可改善岩体弱面的力学性能，即提高裂隙的粘结力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。
4）转变破坏作用
当岩体中存在较大的裂隙时，切裂隙附近的岩石单元处于二向应力状态，而当裂隙内充满加固材料后应力发生变化，这些单元将转变成三向受力状态。
岩石在三向受力状态下的强度极限将比在二相或单向受力时显著增大，并且脆性减弱，塑性增强，注浆加固起到了转换破坏机理和增加岩体强度的作用。
连续介质（如岩体）内有裂隙时，在承载过程中会形成严重的应力集中，而最大的应力集中在裂隙端部，如图2所示。
应力集中系数K取决于裂隙端部半径ρ，裂隙长
度C及岩体尺寸W之比。
介质发生破坏就是在一定的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果。
经过注浆加固后，裂隙内将充满加固材料，而且由于加固材料对裂隙面的粘结作用，会使裂隙端部的应力大大削弱或消失，从而可使岩体的破坏机理发生转变，由原来裂隙扩展破坏转变为在最大剪应力作用下的剪切破坏，或在垂直于最小主应力方向发生拉伸破坏等等。
4锚注加固技术及其机理
作为控制软岩巷道矿压显现与巷道维护的有效手段之一，近年来锚注加固技术特别是全断面锚注加固技术受到了人们越来越多的重视。
岩体锚注加固技术是利用特种中空锚杆兼做注浆管，融锚固、封孔、注浆工艺为一体，对岩体实施外锚内注加固处理的一种加固方式。
它是岩体注浆加固技术同岩体锚杆加固技术的有机结合，充分利用注浆加固与锚杆加固的各自优点，全力调动整个巷道围岩自身的承载能力。
同传统的支护手段相比，锚注加固技术有许多显著的优点。
传统的框架式结构支架，只对围岩表面施加阻力，而围岩作为被支护的对象，本身不参与支架的支护作用，因此支护结构要被动地承受全部的外界压力。
普通的锚喷或锚喷网加固，在围岩软弱、巷道围岩松动范围很大的情况下，由于整个锚杆都在巷道围岩极限平衡区或破碎区内，锚杆在围岩内部无法形成坚实的着力点，因此设想的各种成拱机制较难实现，锚杆只能同外边的金属网、喷层等一起部分地调动围岩自身的承载能力。
锚注加固则不同，一方面由于浆液的渗透压入作用，充入岩石和岩体裂隙孔隙中，改变了围岩的内部结构和围岩的物理力学性质，提高了围岩抵抗外力破坏的能力，另一方面整个巷旁被加固的岩体通过锚杆和浆液凝结体有机地结合为一整体，巷道周围岩体自身的承载能力得以充分地调动和发挥，通过锚注加固体系的整体作用解决软岩巷道的维护问题。
4.1全断面锚注加固机理
在软弱围岩条件下，使用锚注加固技术控制巷道矿压显现的优点，一方面体现在注浆浆液对岩石岩体和金属锚杆的作用与影响上；
另一方面则体现在锚杆与浆液凝结体之间的相互联系与相互作用上。
通过锚杆、浆液凝结体和围岩的共同作用，充分体现出锚注加固的整体护巷效应。
1）锚杆与浆液凝结体之间的“网络”效应
浆液对巷道围岩裂隙的全面灌充以及同锚杆杆体的全面胶结作用。
这些作用不仅对锚杆的防锈有益，而且对锚杆的受力以及对围岩的控制更有益处，并且是体现锚注加固优越性的主要方面。
在一般的全长粘结金属锚杆的受力分析中，能够进行分析的前提是假定沿锚杆杆体的轴线方向树脂、砂浆等充满钻孔和杆体间的所用空间，以保证锚杆受力传递的连续性。
实际上，这些假设在许多情况下，特别是当围岩比较破碎的情况下，常常是很难满足的。
在粘结体出现断续的地方，锚杆受力时将产生应力集中等现象，因此锚杆的实际受力状况要比理论分析计算的结果恶劣的多。
锚注加固系统中的锚杆则不同，由于浆液能够同岩体及锚杆杆体全面接触，并且通过杆体射浆孔和锚杆头部的扩散面，将锚杆孔内、杆体与钻孔间以及渗入岩体内的浆液凝结体联系成一个“网络”结构，形成如同自然界中树木主根与须根的共同固结作用，是锚杆受力传递连续性得以充分地保证，并通过浆液凝结体“网络”将力传递到巷道围岩之中，全面调动了围岩自身的承载能力。
2）全断面锚注加固的“固底”效应
普通锚喷加固软岩巷道的失稳机理是由于传统的支护方式对巷道底板的处理不够，使软弱围岩中的巷道底板成为整个巷道支护体系的薄弱环节之一，因而在地下水侵蚀、矿山压力等的共同作用下，往往首先造成巷道底板的破坏隆起，继而引发侧墙内倾、帮顶塌落等一系列矿压显现。
松软围岩条件下，U型钢反拱、混凝土浇砌反拱等一般的底板处理方法，或者由于处理效果不十分理想，或者由于工程量大、工程造价高、施工工艺复杂（特别当考虑巷道无法满足安全及使用等方面的要求，需要重新翻修时），这些方法往往在实际应用中受到许多限制。
而一般的锚杆或锚杆加钢带处理底板的方法，由于其未能十分有效地解除水分、空气等对底板围岩的作用与影响，因此在水的作用下，岩体强度降低、松动范围继续扩大时，它所能起的控制底鼓的作用也十分有限。
所以，用底锚方法控制底鼓在许多情况下也被弃用，这也是目前国内大多数软岩巷道未对巷道底板进行加固处理的主要原因之一。
巷道全断面锚注加固方式则不同，它是在用锚注方法加固巷道帮、顶的同时，也采用锚注方法处理巷道底板，因此，这种处理方法不仅对控制巷道底鼓有利，而且对控制整个巷道围岩变形也十分有利。
①由于巷道围岩的锚注加固是以改变岩体自身的物理力学性能为基础的，随着岩体力学性质、水理性质和自身承载能力的改善，改善了巷道围岩的应力分布状态，同样加固情况下，全断面锚注加固巷道的矿压显现特征普遍好于非锚注巷道的矿压显现特征。
②巷道半断面锚注加固方式，由于未能有效的改进和加固软岩巷道支护体系的薄弱环节——巷道底板，使支护系统仍留有缺陷，导致巷道围岩的应力分布状况没有实质性的改善，虽能有效的控制巷道围岩水平方向的位移，使巷道水平位移大大减小，但无法有效地控制和减小巷道垂直方向的位移。
因此，在底鼓是巷道矿压显现最主要特征的情况下，不宜采用半断面锚注加固方式对巷道围岩进行加固处理。
③和半断面锚注加固方法相反，仅用锚注治底的加固方法，虽能控制和减小巷道底鼓，但巷道顶板和两帮的位移普遍加大，巷道周围的极限平衡范围仍然较大。
④全断面锚注加固方法由于消除了支护体系的薄弱环节，使整个巷道加固体系受力均匀，不仅巷道的影响范围及极限平衡范围最小，而且巷道周围的应力分布呈现出圆形巷道的应力分布特征。
因此，它是最有利于巷道维护与矿压控制的巷道加固方式。
3）全断面锚注加固的“涵拱”效应
巷道实施全断面锚注加固后，在锚杆和浆液的共同作用下，巷道锚注加固圈内的围岩被凝结加固成一个类似于圆形涵管状的极限平衡或弹性环状承载体，相当于巷道自由空间周围浇铸了一个混凝土圆涵,能够有效地保护整个巷道自由空间。
全断面锚注加固“涵拱”效应见图3所示。
5化学注浆方案的选择
根据注浆实践经验可知，被注岩层强度的增长是一种受多种因素制约的复杂的物理化学所过程，除注浆材料外，浆液与界石的结合形
图3全断面锚注加固“涵拱”效应
a—巷道当量半径；
b—注浆圈半径；
d—加固圈厚度；
R—极限平衡区半径
式，浆液注入的饱和度以及浆液注入的时间效应都有着重要影响，特别是提高浆液对孔隙或裂隙的充填程度及对界面的结合能力，是使岩层强度增长的重要因素。
浆液的扩散半径取决于许多因素，如被注砂（岩）层的渗透系数、注浆压力、溶液的粘滞度及压入时间等。
所以正确掌握溶液的流动半径，对降低溶液消耗、注浆孔布置及保证工程质量具有重要意义。
一般当注浆材料的颗粒尺寸d小于砂（岩）层的有效孔隙或裂隙尺寸Dp，即式1的“净空比”R大于1时，浆材才是可注的。
式2
注浆工程中应要求浆液具有较好的流动性，因为流动性越好，浆液运动时压力损失越小，因而能自注浆点扩散距离越大。
水泥注浆是处理各种复杂水文地质条件的主要手段之一，但水泥浆液在注浆压力作用下，一般只能灌注大于0.3mm的裂隙，单位吸水率可降至0.01L/cm，弹性模量可以提高1-2倍，但是在很多情况下选用化学注浆是较水泥注浆可靠的，比如：
1）水泥注浆后防水构筑物仍有渗漏，表明水泥不能注入微细裂隙，有时虽然渗漏量很小，但它却具有良好传导水压力的性能，一般可用化学浆液去截断微细裂隙的渗流通道；
2）当岩层裂隙地下水流速超过一定数值（水泥注浆规范定为600m/d）时，一般水泥注浆难以达到预期效果，此时可考虑采用化学注浆；
3）对断层或软弱夹层，可以用高强度的化学材料加固。
应用中，证明化学注浆材料比水泥具有较好的可注性，并能按工程需要调节浆液凝胶时间，所以也适于对流动水封堵，有的化学材料具有很高的粘结强度，可用于松碎岩层的加固。
6注浆总体方案
由于该断层落差大，断层附近有导水裂隙，存在断层破碎带出现涌水、涌砂可能，因此必须在距离预测断层位置50m时，采取边探边掘的方法对该断层进行打钻探查。
探明断层的准确具体位置及断层破碎带间的水文地质特性，探明断层涌水量及水压。
根据上述情况确定采用如下注浆加固方案：
1）施工泄压导水孔：
当工作面掘至距DF15断层约15m、10m、5m处时，在顶板分别施工2个泄压导水孔，泄压导水孔应穿过断层带。
泄压导水孔原则上能够将断层水导出，以利于巷道掘进工作。
2）工作面预注浆：
当工作面掘至距DF15断层约5m处时，在巷道顶板及两帮布置注浆孔，采用博特威化学浆进行预注浆，固结断层破碎带松散岩层，防止掘进过程中发生冒顶事故。
采用边注浆边掘进，每个循环掘进3m，大约需要13个循环通过断层破碎带。
3）巷道全断面锚注加固：
巷道通过断层破碎带后，为防止回采工作面采动影响使得巷道变形严重影响生产，因此应对断层破碎带处巷道采用注浆锚杆进行全断面化学浆锚注加固。
4）回才工作面DF15断层破碎带化学注浆加固：
为使得回才工作面安全、顺利通过DF15断层，则必须采用化学浆对断层带处回采工作面顶板进行超前预注浆加固。
7注浆材料选择
注浆材料采用博特威化学浆。
该浆液具有较高的粘合力和较好的机械性能，与岩层有较好的亲和力，固结体的柔韧性能承受一定的地层变形，材料注入煤岩层后，低粘度混合物保持几秒钟，渗透进入细小的裂缝膨胀。
博特威浆液由A、B两种组份组成，双组分的化学浆液在泵压的作用下，以1：
1的比例注入破碎岩（砂）层中，以孔口管为中心，向四周渗透和扩散，充填破碎、松散的煤岩体孔裂隙，并且在材料自身二次发泡、膨胀的推动下，渗透到围岩的深部微细裂隙内，浆材胶凝后将松散、破碎的煤岩体胶结在一起，起到挤压充填、粘接补强且具有一定塑性变形能力的作用。
目前，博特威化学注浆堵水加固技术已成功地应用于邢台、峰峰、邯郸、焦作、淮南、新集、兖州、潞安、神华等矿区数十个堵水加固工程，并已在全国各地多个地下工程、隧道工程、大坝工程的注浆堵水加固工程中广泛应用，创造了非常显著的社会效益和技术经济效益。
博特威材料性能指标如下：
a.初凝时间 30～40sb.终凝时间60～120s
c.抗压强度30～50MPad.粘结强度3～10MPa
e.双液混合比1:
1f.浆液粘度210～230mPa•s（25℃）
g.膨胀倍数1～3i.阻燃性能阻燃
博特威材料堵水加固反应机理如下：
注浆堵水加固的过程也就是浆液粘度的变化过程。
博特威浆液在刚与水接触到浆液开始发生膨胀反应的时间范围内，粘度基本保持不变，但反应体系一旦开始发生膨胀反应，体系的粘度便急剧增大，并很快失去流动性，形成不透水的胶凝体，其变化过程大体如图4所示。
材料在注浆过程中的反应分为三个阶段：
遇水混合阶段、诱导反应阶段和膨胀反应阶段。
图4 粘度随时间的变化过程
8化学注浆设备、动力系统及其性能参数
8.1化学注浆加固设备及其性能参数
封孔、注浆均采用ZBQ-5/11型气动高压双液化学注浆泵，如图5。
与注浆设备配套的进风管路为Φ19mm高压风管若干米，出浆管规格为Φ10mm，长度10m、5m、2m各若干根。
ZBQ-5/11型气动高压双液化学注浆泵主要性能参数见表1。
图5ZBQ-5/11型气动高压双液化学注浆泵结构图
1.压缩空气进口2.进气阀3.进气调节阀门4.马达换向阀5.气动马达6.油雾器7.出浆管8.出浆压力表9.吸浆口A10.吸浆口B11.柱塞泵
表1 注浆泵技术参数一览表
序号
技术参数
技术指标
1
最大注浆量（L/min）
20
2
最大注浆压力（MPa）
35
3
供气压力（MPa）
0.2～0.6
4
压缩空气消耗量（m3/min）
0.5～2.5
5
重量（kg）
75
6
外型尺寸（mm）
990*550*800
8.2化学注浆动力系统及其性能参数
通过高压管路供风，直到注浆加固地点，接头规格为Φ19mm高压管。
从水管上接出Φ10mm供水管，并接好阀门。
根据煤体的承受能力和最小抵抗面及工作面煤体围岩条件，供风风量不低于3m3/min，供风压力不低于0.5MPa。
8.3注浆管形式
预注浆所用注浆管采用4分钢管制作，长2m，可连接加长。
锚注加固所用注浆锚杆采用特制Φ25mm中空螺旋锚杆，长3000mm。
顶、帮采用单根锚杆，底板由于成孔困难，可采用接长注浆锚杆，每节1.0m。
注浆锚杆顶部可连接钻头，实现自钻。
注浆结束后，锚杆尾部上托盘并用螺母锁紧。
8.4封孔方式
化学预注浆封孔采用布袋封孔方法封孔（如图6），锚注加固用注浆锚杆封孔方式见图7。
9注浆参数
9.1注浆压力
根据断层带煤体的承受能力和最小抵抗面及工作面围岩条件，当工作面供风风量不低于3m3/min，供风压力不低于0.5MPa时，设计注浆终压不小于10MPa。
图7注浆锚杆及封孔方法示意图
1-螺纹丝扣；
2-压紧螺母；
3-托盘；
4-环形密封锚固卷；
5-杆体；
6-挡环；
7-钻孔
9.2扩散半径
注浆扩散半径按下式计算：
R=（γgha／2s+a）β式3
R注浆扩散半径，mm；
γ为水的容重，取1t/m3；
g为重力加速度，取9.8m/s2，s为浆液剪切强度，取0.01MPa；
h为注浆压力，取10MPa；
a为岩层的间隙等值半径，取0.3mm；
β为时间系数，取1.3。
依据上式计算扩散半径为1910mm,结合以往类似工程施工经验，在实际施工时通过调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压，控制实际有效扩散半径不小于1.5m。
9.3单孔注浆量Q
单孔注浆量Q按下式计算：
Q=AπR2LnB式3
Q为注浆量m3；
A为损耗系数，取1.01；
R为有效扩散半径，取1.5m；
L为注浆段长，取2m；
n为开口孔隙率，取2%；
B为浆液充填系数，取80%。
经计算单孔注浆量为0.22m3,浆液平均密度为1150Kg/m3,则单孔最大注浆量为250kg。
实际注浆施工中，可根据具体情况进行调整。
10注浆孔布置及参数
1）预注浆孔布置及参数：
预注浆孔每循环全断面布置20个孔，其中顶孔7个，底孔5个，帮孔各4个，孔间距约1m，深浅孔交错布置。
顶孔仰角15～20°
，底孔俯角15～20°
，帮孔外摆15°
由于断层与巷道斜交，因此巷道左帮先揭露断层，之后随着巷道掘进，巷道揭露断层范围逐渐向右帮扩大，最终由左帮至右帮逐渐穿过断层。
因此实际施工中可由技术人员根据现场巷道揭露断层范围及巷道围岩破碎程度实际情况适当调整注浆孔数量及参数，原则上巷道未揭露断层或已穿过断层范围且巷道围岩较完整，则该范围不布置注浆孔。
预注浆孔布置示意图见图8、图9、图10。
预注浆孔参数：
孔径Φ28～32mm，孔深3.0m～5.0m。
2）断层带全断面锚注加固：
锚注孔采用排式布置，排距2.0m，间距1.5m。
断层带20m加固范围共计布置11排锚注孔。
每排布置13个，其中顶、帮布置9个；
底板布置4个。
11排共计布置143个。
锚注孔布置剖面图见图11。
锚注孔参数：
孔径Φ28～Φ42mm，孔深3.0m。
3）DF15断层探巷加固范围100m，排距2.0m，间距1.5m。
顶帮锚注加固注浆孔布置见图12，每排布置7个，51排共计布置357个。
锚注孔参数同上。
4）回才工作面过DF15断层顶板预注浆加固：
每个注浆点布置2个注浆孔，注浆孔仰角分别为20°
、45°
孔深分别为2.5m、3.5m。
相邻注浆点间距2.5m。
注浆孔数量根据回采面揭露断层带长度进行布置。
每次注浆后工作面可推进约2.4m。
注浆孔布置剖面图见图13。
11注浆加固施工
11.1前期准备工作
1）首先按设计要求将施工所用的锚杆钻机、凿岩机、注浆泵等施工设备运到施工现场。
2）将压风（压力不低于0.5MPa，风量不低于10m3/min）、清水（压力不低于0.4MPa，有效流量不低于10m3/h）接至施工作业现场。
11.2泄压导水孔施工
泄压导水孔施工采用坑道地质钻机，终孔直径Φ75mm。
当工作面掘至距DF15断层约15、10、5m处时，分别在顶板施工2个泄压导水孔，导水孔布置示意图见图14。
11.3注浆孔施工
1）预注浆孔施工
①施工机具：
根据现场实际情况可采用顶锚杆机、帮锚杆机或煤电钻配相应接长钻杆进行打眼；
全断面锚注加固孔采用7655风钻配B22钻杆及Φ42mm一字钻头打眼。
②施工质量要求：
施工时倾角、间排距、孔深等参数应尽量符合设计要求，一般角度误差不超过5°
，间距误差不超过200mm。
遇有特殊情况可由现场技术人员指导作适当调整。
2）锚注孔施工
①施工机具：
顶、帮锚注孔施工采用顶锚杆机施工；
底板锚注孔采用手持式帮锚杆机或7655风钻施工。
②施工质量要求：
③锚注施工顺序：
以巷道掘进方向自外向里间隔排进行，每排间隔孔进行。
11.4注浆加固施工工艺
施工工艺：
标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。
图15注浆工艺流程图
11.5施工组织及工期
采用“三八”工作制，安排三班进行打眼注浆施工，每班7人，其中矿方打眼运料倒料工5人，奥博公司司泵观察2人。
共需井下注浆施工人员21人。
其它辅助作业工人有矿方根据需要安排。
预计施工总工期为40天（不包括探巷及回才工作面断层预注浆加固施工时间，如遇特殊情况时间顺延）。
12注浆施工安全技术措施
为保证本次注浆加固施工质量和施工安全特制定本措施。
任何参与注浆施工人员必须熟知本措施并保证在实际工作中严格遵守。
1）注浆人员在施工期间必须佩戴防护眼镜、橡胶手套等防护用品。
作业场所必须备有一定量的清洁用水。
2）如遇高处打眼及安装注浆管必须佩带安全带，搭好平稳、牢固的工作台，地下支撑物必须牢固，并且要有人观察。
3）在封孔时，不能正面面对，必须在注浆管内脉冲压力释放后再开启注浆阀门。
4）与注浆无关人员及注浆前方观察人员，必须在注浆加固区域6米以外，远距离观察，并佩戴好相应防护用品，随时与司泵人员取得联系。
5）司泵人员密切注意泵的压力和吸浆量的变化，并随时与前方观察人员联系。
6）配浆人员应保持浆液不吸空，随时观察泵的吸浆情况，保持两浆液的配比适中。
7）注浆完毕后，应立即用清水清洗管路，清洗完毕后应将泵、管路等归整码放整齐。
8）严禁使用工作面运输机运送浆液桶。
人工运输浆液时，塑料桶要稳拿轻放，严禁猛摔硬碰和随地拖拽，防止塑料桶破损造成浆液泄漏，如浆液不慎溅到皮肤或眼睛内，应立即用大量清水冲洗，严重者应立即就医，人体不得接触化学注浆材料。
9）进行打眼、安装注浆锚杆、封孔、连管等作业时，应预先检查周围安全状况，尤其检查工作地点顶板维护情况，不可违章作业。
10）注浆时连接管路的扁销必须使用正规的扁销。
11）施工前，施工地点要敲帮问顶排除顶、帮浮矸危岩后再打眼、注浆施工。
12）一旦发现有煤壁松动、跑（漏）浆、注浆压力突然骤降等异常情况，应立即停止注浆，查明原因，采取措施后才准恢复注浆施工。
13）任何参与注浆人员必须熟知要加固地点相关的作业规程及操作规程要求，熟悉避灾路线并保证在实际工作中严格遵守。
13注浆施工主要设备与材料
名称
规格型号
数量
备注
博特威堵水加固材料
BTW-2
90吨
矿方购买（其中60吨用于探巷及回采工作面）
中空锚注注浆钻杆
Φ30mm
500根
矿方购买
风钻
7655型
2台
矿方备
锚杆打眼机
煤电钻
1台
矿方
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