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超細水泥基注漿材料的研究及應用

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 摘要:為解決深井軟巖大硐室支護難的問題,在傳統錨網噴支護的基礎上,引入超細水泥基注漿材料進行注漿支護,進一步完善深井支護技術。有效地控制大斷面絞車房頂底板和兩幫的位移變形,減少了絞車房的維護工作量,大大地提高了井巷安全。 
中國論文網 /2/view-421556.htm
  關鍵詞:超細水泥基注漿材料;注漿支護;深井軟巖 
   
  引言 
  注漿就是應用液壓或氣壓的辦法把能凝固的液體注入巖土體內或巖體裂隙中,用以改善巖土體的物理力學性能,來滿足各類工程的實際需要[1]。1802年法國人首次用到注漿支護,到目前為止已有百年的歷史。我國的注漿支護始于20世紀50年代,在注漿技術方面我國也有了較大的進展[2]。由于我國的煤礦軟巖巷道較多,注漿技術在該領域的應用較多而且前景廣闊。在傳統注漿材料的注漿技術方面有著相當成熟的注漿技術,有以水泥基注漿材料單液注漿支護,水泥―水玻璃基注漿材料雙液注漿支護,還有各種化學類注漿材料的注漿支護等等。但超細水泥基注漿材料用于在煤礦軟巖注漿支護的應用還較少。 
  注漿又和錨索、錨桿、金屬支護等組成聯合支護,共同維持巷道的穩定。注漿支護的機理包括幾下幾個方面[3-6]: 
  1.將漿液注入到巖土體內,滲透到巖體的裂隙,隔絕空氣,防止圍巖的進一步風化,也能阻隔水或者其他液體的侵蝕,破壞圍巖本身的固有強度; 
  2.一些無法被注漿材料充填的細微裂隙,在注漿壓力的作用可密實,從而使得圍巖從二維受力轉化為三維受力,更穩固了圍巖的強度; 
  3.注漿材料在裂隙中形成橫七豎八復雜的網絡結構,在漿液凝固后便形成一個強有力的骨架,增強圍巖的強度; 
  4.注漿材料將松散破碎的圍巖膠結在一起,形成一個整體,提高了圍巖的內聚力、內摩擦角和彈性模量,從而提高了圍巖的強度。 
  1.注漿材料的選擇 
  本次選用的注漿材料是河南理工大學管學茂教授研制的MCP超細水泥基注漿材料。一種具有微膨脹性、凝結時間和粘度在寬廣范圍內可調、滲透性強、結石強度高、粘結性好、無毒、無污染特性,其價格低廉。它和其他注漿材料相比有著如下的優勢: 
  ①MCP是無機材料,在用作注漿材料時,相對有機材料注漿材料來說,價格低廉,取材容易,而且無毒無害,對環境保護有利; 
  ②MCP相對普通水泥基注漿材料時,能滲透到更細的裂縫中去,在大水灰比的條件下,具有更好的流動性和更高結石體強度,漿液的穩定性也得到了大大的提高; 
  ③MCP相對其他的注漿材料,操作更為容易,運輸等工序也簡單。 
  1.1漿液性能簡介 
  1.1.1 粒度分析:D50=4.1μm;D75=8.0μm;D84=9.1μm;D95=14.8μm 
  1.1.2流動性(馬氏漏斗粘度):該漿液摻有專用外加劑MCPA可以高效調節漿液流動性,摻量1%時,馬氏漏斗時間≤30s。 
  1.1.3凝結時間: 
  表1MCP各水灰比下凝結時間 
  水灰比 0.5 0.6 0.8 1 1.2 1.5 
  初凝 80min 210min 265min 315min >720min >720min 
  終凝 150min 305min 355min 465min >720min >720min 
   
  1.1.4漿液穩定性: 
  MCP注漿材料在水灰比為1的情況下,它的泌水率僅為0.53%。這保證了MCP注漿材料在注漿時的穩定性。 
  1.1.5抗壓強度: 
   
  圖2MCP在水灰比不同時的抗壓強度 
  2.工程概況 
  某礦絞車房埋深600m,頂板巖性為灰色及砂質泥巖,局部發育中有中細沙巖;底板巖性為煤層(深灰色泥巖,塊狀,富含植物化石)。絞車房設計為兩個斷面:A斷面,半圓拱形斷面,長8.3m,寬7.9m,高6m,墻高2m ,S=40.1m2;B斷面,半圓拱形斷面,長10.2m,寬5m,高4.5m,墻高2.9m,S=23.9m2。 
  絞車房硐室兩個斷面支護均是首先采用錨網和單根錨索支護,然后進行套棚及噴漿,最后施工成束注漿錨索。由于硐室深埋較深,附近的巖體比較破碎,硐室壓力大,為保證硐室的支護強度和服務年限,故選用結石體強度高、注漿效果好的超細水泥基注漿材料進行注漿支護。 
  2.1注漿孔設計 
  分別對絞車房硐室的兩個斷面(A、B斷面)進行錨桿錨索注漿支護,其注漿孔如下圖所示分布。 
  A斷面為硐室大斷面(靠下部),兩幫底部注漿孔距地板1400mm,向下偏斜水平角度25°,向上排距為1400mm垂直壁面布一排孔,總共布4排注漿孔,水平兩注漿孔之間間隔1400mm,每排安置6個注漿孔(堵頭墻注漿孔的如圖設置)。孔深12m。 
  B斷面為硐室小斷面(靠上部),兩幫底部注漿孔距地板1500mm,向下偏斜水平角度30°,向上排距為1500mm垂直壁面布一排孔,總共布2排注漿孔,水平兩注漿孔之間間隔1400mm,每排安置7個注漿孔。孔深12m。 
   
  圖3 A硐室注漿孔布置剖面圖圖4 B硐室注漿孔布置剖面圖 
  2.2注漿工藝 
  注漿工藝流程圖所下所示: 
   
   
   
   
   
   
   
  圖5 注漿工藝流程圖 
  2.3注漿工藝相關參數 
  1.注漿設備:a.注漿泵選用的是2ZBQ-10/12型氣動注漿泵;b.攪拌機選用的是JBJ-300型號的立式攪拌機。 
  2注漿壓力:注漿需要一定壓力克服裂隙阻力以便漿液滲入圍巖,注漿壓力應適當,壓力過小,漿液難以向四周巖體擴散;壓力過大,則可能在注漿過程中導致圍巖表面片幫、冒頂以至于跑漿等問題。根據注漿經驗注漿壓力選擇1.0~1.5MPa。 
  3.封孔方法:采用了一次性封孔方式。在注漿管2m處纏廢舊棉布,放入孔內,用封孔水泥(硅酸鹽水泥配30%速凝劑,水灰比0.3)將孔口1m塞嚴封死,凝固1d,實現封孔。 
  4.漿液配比:水灰比1,外加劑摻量為超細水泥基材料MCP量的1%。 
  5.注漿方法:采用自下而上、左右順序作業的方式;每斷面內注漿錨桿和注漿短管均采用自下而上,先底角,再兩幫,最后是頂角。 
  2.4注漿效果 
  現場觀察絞車房頂底板和兩幫表面變形規律,測站和位移觀測圖如下:觀測站1為巷道小硐室中心位置,觀測站2在巷道大硐室中心位置,觀測站3在下軌道邊緣與大硐室相接處。觀測點如圖所示以十字交叉法設置。其觀察的結果如下圖所示: 
   
  圖7 巷道位移變形圖 
  由上圖我們不難看出,在注漿前一個月,巷道位移變形嚴重,尤其是測點3所在沒有錨桿、錨索復合支護的巷道,其位移變形明顯高于測點1和測點2。通過對硐室采用MCP注漿支護后,通過3個月的位移檢測,發現3個月內巷道基本沒有變化。有效地控制了巷道變形,保證了巷道的安全生產。 
  3.結論 
  超細水泥基注漿材料有效地固結了破碎圍巖,降低了圍巖的孔隙率、封閉水源,形成的網絡骨架承受著高地應力,有效地阻止了巷道變形,顯著地提高了巷道的支護效果。從而保證了井巷的安全生產,延長了巷道的服務年限,降低了巷道的維修費用。超細水泥基注漿材料的成功應用對深井軟巖巷道和硐室支護有著深遠的意義。 
  參考文獻 
  [1] 王國際. 注漿技術理論與實踐. 徐州:中國礦業大學出版社,2000.8 
  [2] 王杰,杜嘉鴻,陳守庸.注漿技術的發展與展望[J].沈陽建筑工程學院學報,1997(1):59-64. 
  [3] 王杰,杜嘉鴻.巖土注漿技術的理論探討[J].長江科學院院報,2000,17(6):82-86 
  [4] 趙慶彪,劉長武. 軟巖巷道錨注加固系統的“網絡”效應.金屬礦山,2003.12:21-24 
  [5] 林登閣,喬衛國.錨注支護加固機理分析.山東科技大學學報,2001增刊:78-80 
  [6] 董方庭,宋宏偉.巷道圍巖松動圈支護理論. 煤炭學報, 1994.19 (1):21-33 


2018年8月17日 16:35
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