深部軟巖巷道圍巖高壓氣體多級(jí)預(yù)裂注漿改造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巷道支護(hù)技術(shù)，具體涉及到一種深部軟巖巷道圍巖高壓氣體多級(jí)預(yù)裂注漿改造方法，屬于礦業(yè)工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]深部軟巖巷道通常處于高地應(yīng)力、高滲透壓、高溫和強(qiáng)烈開采擾動(dòng)為特征的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中，加之軟巖具有軟弱、膨脹、流變等特點(diǎn)，使得深部軟巖巷道圍巖變形控制異常困難，長(zhǎng)期以來給我國(guó)的煤礦安全高效開采帶來了嚴(yán)重的威脅。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)這類巷道，通常采用U型鋼可縮金屬支架和錨注加固等方式進(jìn)行支護(hù)，其中可以改造深部巷道軟弱圍巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的錨注支護(hù)應(yīng)用較為廣泛。
[0003]大量研究表明，圍巖巖性是決定深部巷道圍巖變形控制難易程度的關(guān)鍵。目前一些深部軟巖巷道，圍巖異常軟弱，強(qiáng)度極低，巷道開挖后，圍巖難以承受深部高地應(yīng)力作用，很快進(jìn)入流變階段，產(chǎn)生較大的變形，圍巖控制異常困難。通過注漿改性加固的方式對(duì)深部軟弱圍巖進(jìn)行改造是實(shí)現(xiàn)此類深部軟巖巷道圍巖控制最有效的手段之一。然而，此類深部軟巖巷道圍巖裂隙往往處于閉合狀態(tài)、可注性極差，巷道開挖后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)注漿效果均不佳、漿液注入量較少，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟弱圍巖的注漿改性。
[0004]針對(duì)此問題，有學(xué)者提出采用深孔柱狀裝藥爆炸注漿技術(shù)，通過深孔爆破的方式增加圍巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展程度，提高圍巖可注性。然而，這種方式對(duì)于淺部脆性圍巖效果比較明顯，爆破后圍巖裂隙可以維持較大的開度，對(duì)于深部軟巖巷道圍巖效果非常不理想。分析原因，是由于深部軟巖巷道圍巖在深部復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下表現(xiàn)出延性破壞的特征，圍巖內(nèi)部裂隙往往處于閉合狀態(tài)，采用深孔柱狀裝藥爆炸的方式對(duì)圍巖內(nèi)部裂隙進(jìn)行人工擴(kuò)張時(shí)，強(qiáng)烈的爆炸沖擊波會(huì)使圍巖裂隙產(chǎn)生明顯的張開和擴(kuò)展，但是爆炸的沖擊載荷卸去后，在深部高地應(yīng)力的作用下圍巖裂隙很快又發(fā)生閉合，注漿加固難以在裂隙閉合之前完成，所以深孔柱狀裝藥爆炸注漿技術(shù)在深部軟巖巷道應(yīng)用效果不佳。另外，在一些高瓦斯礦井采用炸藥爆破預(yù)裂危險(xiǎn)性較高，容易引發(fā)瓦斯爆破等嚴(yán)重的災(zāi)害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了有效的解決深部軟巖巷道圍巖裂隙閉合、可注性極差、注漿效果不佳的問題，實(shí)現(xiàn)深部軟巖巷道圍巖變形的穩(wěn)定控制，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種深部軟巖巷道圍巖高壓氣體多級(jí)預(yù)裂注漿改造方法，該方法可以使巷道軟弱圍巖內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙，并使裂隙可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持一定的開度，有效的提高圍巖可注性，改善圍巖注漿加固效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部軟巖巷道圍巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的顯著改造，達(dá)到控制深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定的目的。
[0006]—種深部軟巖巷道圍巖高壓氣體多級(jí)預(yù)裂注漿改造方法，其步驟如下:
[0007]步驟I)打注漿孔，按照深、淺交替的注漿孔布置方式，在完成錨噴初始支護(hù)之后的深部軟巖巷道頂板、兩幫和底板圍巖中打直徑為35?40mm的注漿孔，深部注漿孔深度為3?6m，淺部注漿孔深度為I?3m，鉆孔具體深度根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍確定；
[0008]步驟2)安裝注漿套管，將注漿套管置于注漿孔中，并采用高強(qiáng)速凝混凝土將注漿套管固定擋板外面的區(qū)域固定于注漿孔壁上，起到密封注漿孔的作用；
[0009]步驟3)向注漿孔中裝入氣體預(yù)裂裝置，將氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部置于注漿孔中，氣體預(yù)裂裝置頂部距鉆孔底部的距離為20?30cm，并將氣體預(yù)裂裝置與注漿套管連接在一起；
[0010]步驟4)初級(jí)預(yù)裂，打開高壓閥門，啟動(dòng)高壓空氣壓縮機(jī)，通過穩(wěn)壓裝置，將高壓氣體輸送到氣體預(yù)裂裝置，當(dāng)氣體壓力達(dá)到設(shè)定的初級(jí)預(yù)裂壓力值時(shí)，氣體預(yù)裂裝置瞬間釋放高壓氣體，高壓氣體通過強(qiáng)大的膨脹推力作用使圍巖原生裂隙得到擴(kuò)張并產(chǎn)生了較多的新裂隙，完成深部軟巖巷道圍巖的第一次預(yù)裂；
[0011]步驟5) 二級(jí)或多級(jí)預(yù)裂，關(guān)閉高壓閥門，關(guān)閉高壓空氣壓縮機(jī)，擰下密封螺母，將氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部取出，重新設(shè)置氣體預(yù)裂的壓力值，然后將重新設(shè)置好的氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部再次置于注漿孔中，并將氣體預(yù)裂裝置和注漿套管連接在一起，打開高壓閥門，啟動(dòng)高壓空氣壓縮機(jī)，通過穩(wěn)壓裝置，將高壓氣體輸送到氣體預(yù)裂裝置進(jìn)行預(yù)裂，產(chǎn)生更為復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)；
[0012]步驟6)最后一級(jí)預(yù)裂前準(zhǔn)備，關(guān)閉高壓閥門，關(guān)閉高壓空氣壓縮機(jī)，擰下密封螺母，將氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部取出，重新設(shè)置氣體預(yù)裂的壓力值，并在氣體預(yù)裂裝置中放入專用的支撐劑材料，然后將重新設(shè)置好的氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部再次置于注漿孔中，并將氣體預(yù)裂裝置和注漿套管連接在一起；
[0013]步驟7):最后一級(jí)預(yù)裂，打開高壓閥門，啟動(dòng)高壓空氣壓縮機(jī)，氣體預(yù)裂裝置瞬間釋放高壓氣體，同時(shí)高壓氣體沖破支撐劑容器，巷道圍巖裂隙再次在高壓氣體的膨脹推力作用下張開，高壓氣體攜帶著支撐劑顆粒進(jìn)入圍巖的裂隙中，支撐劑顆粒支撐裂隙能夠防止氣體壓力卸去后裂隙在深部高地應(yīng)力作用下重新閉合；
[0014]步驟8):取出氣體預(yù)裂裝置，關(guān)閉高壓閥門，關(guān)閉高壓空氣壓縮機(jī)，擰下密封螺母，將氣體預(yù)裂裝置沿中空的注漿套管內(nèi)部取出；
[0015]步驟9)注漿加固，將注漿系統(tǒng)與注漿套管連接一起，打開注漿閥門，開啟注漿栗，完成巷道圍巖的注漿加固。
[0016]所述支撐劑材料粒徑大于水泥顆粒的粒徑。
[0017]本發(fā)明所述的多級(jí)預(yù)裂為二級(jí)或二級(jí)以上預(yù)裂，并在最后一級(jí)氣體預(yù)裂時(shí)向氣體預(yù)裂裝置中加入支撐劑材料。
[0018]進(jìn)一步的，所述初級(jí)預(yù)裂壓力值的選取跟巷道埋深、圍巖巖性以及所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，具體可由下式計(jì)算得出:
[0019]P= σ t-3 σ 3+ σ j
[0020]式中:P為起裂壓力控制膜片破裂壓力值；σ t為巷道圍巖抗拉強(qiáng)度；σ i和σ 3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，其中，σ t、σ:和σ 3的正負(fù)號(hào)規(guī)定為拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)。
[0021]進(jìn)一步的，所述多級(jí)氣體預(yù)裂壓力值采取逐級(jí)遞增方式，初級(jí)預(yù)裂后的每級(jí)氣體預(yù)裂壓力值均比上一級(jí)氣體預(yù)裂壓力值遞增10?20%。
[0022]所述氣體預(yù)裂級(jí)數(shù)判斷方法為，完成一級(jí)氣體預(yù)裂后，在兩相鄰的深淺預(yù)裂注漿孔中間打直接35_、深度5?Sm深鉆孔，即深鉆孔的深度比深部注漿孔深2m，然后采用鉆孔窺視儀觀測(cè)鉆孔內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況，根據(jù)鉆孔內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況判斷是否需要下一級(jí)氣體預(yù)裂。
[0023]—種深部軟巖巷道圍巖高壓氣體多級(jí)預(yù)裂注漿改造裝置，包括注漿套管、氣體預(yù)裂系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)；所述注漿套管為中空結(jié)構(gòu)，管體上設(shè)有固定擋板，兩端設(shè)有絲口 ；所述氣體預(yù)裂系統(tǒng)包括高壓空氣壓縮機(jī)、耐高壓輸氣管、穩(wěn)壓裝置、壓力表、高壓閥門和氣體預(yù)裂裝置；所述氣體預(yù)裂裝置由高壓金屬管、壓力控制器和可拆裝支撐劑容器組成；所述高壓空氣壓縮機(jī)由耐高壓輸氣管與穩(wěn)壓裝置連接，穩(wěn)壓裝置與氣體預(yù)裂裝置的高壓金屬管連接，壓力表、高壓閥門設(shè)于高壓金屬管上；所述高壓金屬管上固連有能夠與注漿套管的絲口螺紋連接的密封螺母；所述注漿系統(tǒng)包括物料桶、漿液輸送管、注漿栗、壓力表和溢流閥，所述漿液輸送管的一端連接物料桶，另一端由密封螺母連接注漿套管，漿液輸出管上還順序連接有注漿栗、壓力表、溢流閥和注漿閥。
[0024]所述壓力控制器由爆破片和夾持器組成，壓力控制器兩端開口，并設(shè)有絲口 ；高壓金屬管、壓力控制器和支撐劑容器三者之間依次通過絲口螺紋連接。
[0025]所述密封螺母內(nèi)設(shè)有密封墊圈。
[0026]所述物料桶內(nèi)設(shè)有攪拌扇葉，攪拌扇葉連接電動(dòng)機(jī)，且攪拌扇葉由支架支承于物料桶中。
[0027]所述可拆裝支撐劑容器由脆性塑料制作而成，安裝在氣體預(yù)裂裝置的前端，其自身的耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其與壓力控制器的連接強(qiáng)度及氣體預(yù)裂值，當(dāng)高壓空氣壓縮機(jī)輸出的高壓氣體達(dá)到壓力控制器的預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)預(yù)裂，瞬間釋放的高壓氣體將支撐劑容器沖破，里面的支撐劑顆粒被射出。
[0028]本發(fā)明是通過采用高壓氣體對(duì)深部軟巖巷道圍巖進(jìn)行多級(jí)預(yù)裂，氣體預(yù)裂級(jí)數(shù)可以根據(jù)巷道埋深、圍巖強(qiáng)度及裂隙發(fā)展情況進(jìn)行選擇，并在最后一級(jí)氣體預(yù)裂時(shí)向支撐劑容器中加入專用的支撐劑材料，粒徑大于水泥顆粒的粒徑，用以支撐人工預(yù)裂擴(kuò)張后的圍巖裂隙，防止裂隙在深部高地應(yīng)力作用下重新閉合，提高圍巖可注性，然后對(duì)裂隙圍巖進(jìn)行注漿加固，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道軟弱圍巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的大幅改造，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制。
[0029]本發(fā)明的積極效果:
[0030]1.采用高壓氣體對(duì)深部軟巖巷道圍巖進(jìn)行預(yù)裂，并采用專用的支撐劑材料支撐預(yù)裂擴(kuò)張后的圍巖裂隙，避免圍巖裂隙在深部高地應(yīng)力作用下重新閉合，提高圍巖可注性，再對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，解決了深部軟巖巷道圍巖裂隙閉合、可注性極差、注漿效果不佳的難題；
[0031]2.采用高壓氣體對(duì)深部軟巖巷道圍巖進(jìn)行深淺孔多級(jí)預(yù)裂，可在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生更為復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，注漿效果更好，支撐劑顆粒在漿液凝固后可以作為注漿骨料，進(jìn)一步提高注漿體強(qiáng)度，顯著改造和提升軟弱圍巖的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，提高圍巖承載能力；
[0032]3.本發(fā)明應(yīng)用范圍廣，圍巖高壓氣體預(yù)裂孔和注漿孔兩孔合一，現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)施簡(jiǎn)