丰达煤矿-340大巷底鼓控制技术研究.pdf

分类号 TD32 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工程硕士学位论文 丰达煤矿丰达煤矿- -340340 大巷底鼓控制技术研究大巷底鼓控制技术研究 作者姓名 董云龙 指导教师 侯玮 企业导师 赵祉君 申请学位级别 工程硕士 学科专业 矿业工程 所在单位 资源学院 授予学位单位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Degree of Master of Engineering Research on the Control Technology of Floor Heave of the -340 Roadway in the Feng Da Coal Mine Candidate DongYunlong Supervisor HouWei Pluralistic Supervisor ZhaoZhijun Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mining Engineering College/Department College of Resource Hebei University of Engineering December, 2015 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 目前巷道底鼓是煤矿开采过程中面临的主要难题之一。 通常认为底鼓由下述 的一个或多个因素引起1开巷后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸载产生弹 塑性变形向巷道内鼓起；2巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水 平应力作用向巷道内鼓起； （3）在上述应力作用下底板破碎后产生的体积扩大； 4底板岩层的流变性导致底鼓量随时间延长而增加；5巷道底板出现拉应变和 两帮下沉而导致底鼓；6水对底板的作用，底板中某些粘土矿物如蒙脱石等遇 水后体积膨胀，并使围岩强度降低，结构松散，易崩解、破碎。是矿山生产的一 大自然灾害。 尤其在当前煤炭资源快速整合下， 重组前很多原有煤矿由于生产技术落后管 理混乱，重生产缺安全造成开采环境十分复杂。重组后矿井遗留很多问题即整合 前遗留大量未知采空区和老巷的现状，重组生产后极易相近交叉甚至揭露。以重 组后丰达煤矿-340 轨道大巷导 3 点区域异常底鼓为例。 为此我们通过层次分析法 结合现场情况分析主要引起导 3 区域巷道底鼓主要原因， 在此基础上研究注浆加 固可行性并通过 Flac3D 分析不同岩性底板对底鼓量影响，提出复杂条件下巷道 底鼓控制技术。 提出了卧底留卸压槽、注浆管加固、联合支护法三种治理方案，取得成果如 下①卧底留卸压槽可以减小底鼓量，随着深度的增加底鼓量减小，底板围岩处 水平应力增加，应力峰值向深部转移。②底板注浆管加固底板增大底板的抗压强 度， 不仅可以减小底板变形量，还可以起到注浆堵水作用间接防止底板岩层遇水 软化。③联合支护法比卧底留卸压槽进一步减小底鼓量，增加底板稳定性。注浆 管在注浆中容易出现跑浆等现象，不利于达到理想效果，联合支护法采用浇灌混 凝土留注浆管的方法，待混凝土达到设计抗压强度，再进一步注浆，效果最好。 针对导 3 点区域底鼓，采取卧底留卸压槽浇灌混凝注浆管注浆联合支护 的控制技术，取得良好的效果，为丰达煤矿类似巷道提供技术借鉴，市场推广前 景广阔。 关键词关键词巷道；底鼓；数值模拟；联合支护 万方数据 Abstract II Abstract At present, the floor heave of roadway is one of the main problems in the process of coal mining. Tunnel floor heave caused by the following factors 1 the stress change caused by the opening of the tunnel is caused by the deation of the floor of the roadway,and the elastic plastic deation of the roadway is in the tunnel; 2 in the vertical stress of the roadway two to help the bottom plate, so that the floor is subjected to horizontal stress to the roadway within the muster; 3 in the stress of the role of the bottom plate broken after the volume expansion; 4 the rheological property of floor rock is increased with time; 5 the tensile strain and the two group of the roadway floor heave and the bottom heave; 6 the water, and some clay minerals, such as montmorillonite, can be expanded, and the strength of surrounding rock is reduced, and the structure is loose, which is easy to break down. It Is a natural disaster in mine production. Especially in the current coal resources rapid integration, many of the original coal mines due to the lack of production technology management confusion, resulting in the production of the mining environment is very complicated. After the restructuring of the mine left a lot of problems that is the integration of the er left a large number of unknown goaf and the status of the old lane, the restructuring of the production is very easy to close and even expose. A case study of the abnormal bottom drum of the 3 point region of the -340 track in the coal mine. For this reason, we analyze the main reasons of the bottom heave of the 3 main areas by the of analytic hierarchy process. Based on this, we study the feasibility of grouting reinforcement and analyze the influence of different rock bottom on the floor heave by Flac3D. The undercover leave the pressure relief groove, grouting pipe reinforcement, combined with supporting three governance schemes, the following results① Undercover left pressure relief groove can reduce floor heave, with the increase of the depth of bottom heave decreases, floor rocks at the level of stress increased, the peak stress to the deep transfer; ②The compressive strength of the bottom plate of the bottom plate is strengthened, which can not only reduce the deation of the bottom plate, but also can play an indirect role in preventing the water from the bottom layer; ③Combined supporting than the pressure relief groove to further reduce the 万方数据 Abstract III undercover leave heave amount, increase floor stability. Grouting pipe slurry leakage phenomenon easily occurs in the grouting, is not conducive to achieve the desired effect, the combined support law enforcement by pouring concrete leave grouting pipe , to be reached the design compressive strength of concrete, again further grouting, the effect was the best. In the guide 3 point area at the bottom of the drum take undercover left pressure relief slot and watering coagulation and grouting pipe grouting combined support technology, achieved good results, abundance of similar coal mine roadway provides technical reference, market prospect is broad. Keywordsroadway; floor heave; numerical simulation; combined support 万方数据 目录 1 目录 第 1 章 绪论.......................................................................................................... 1 1.1 问题提出及研究意义.............................................................................. 1 1.2 注浆技术发展历程................................................................................. 2 1.2.1 注浆技术发展史........................................................................... 2 1.2.2 国内外注浆领域的研究现状....................................................... 2 1.2.3 国内注浆技术开发、研究成果................................................... 3 1.3 研究内容、方法及技术路线.................................................................. 5 1.3.1 研究方法....................................................................................... 5 1.3.2 研究内容....................................................................................... 5 1.3.3 研究路线....................................................................................... 7 第 2 章 巷道地质条件及影响底鼓因素分析.................................................... 8 2.1 矿井概况.................................................................................................. 8 2.2 -340 轨道大巷开采地质条件 ................................................................. 9 2.2.1-340 轨道大巷概况 ....................................................................... 9 2.2.2 地层............................................................................................... 9 2.3 基于层次分析法的-340 轨道大巷底鼓影响因素分析 ....................... 11 2.3.1 层次分析法原理......................................................................... 11 2.3.2 层次分析法的计算步骤............................................................. 12 2.3.3-340 轨道大巷底鼓影响因素分析 ............................................. 16 2.3.4 基于层次分析法巷道底鼓影响因素分析................................. 18 2.4 本章小结................................................................................................ 20 第 3 章 注浆加固技术研究................................................................................ 22 3.1 注浆机理................................................................................................ 22 3.1.1 尺寸效应..................................................................................... 22 3.1.2 流变效应..................................................................................... 24 3.1.3 渗透注浆理论公式..................................................................... 26 3.1.4 渗透性注浆的可渗透性问题..................................................... 26 3.2 水泥-水玻璃浆液 .................................................................................. 28 3.2.1 水泥-水玻璃浆液 ....................................................................... 28 3.2.2 水泥-水玻璃浆液性能 ............................................................... 29 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 3.2.3 水泥和水玻璃浆配比................................................................. 29 3.2.4 结石体抗压强度......................................................................... 32 3.3 2TGZ60/210 型双液调速高压注浆泵 .............................................. 33 3.4 注浆管布置设计.................................................................................... 34 3.4.1 花管注浆法................................................................................. 35 3.4.2 钻杆注浆法................................................................................. 35 3.4.3 套管护壁法................................................................................. 36 3.5 本章小结................................................................................................ 36 第 4 章 复杂条件下巷道底鼓机理研究.......................................................... 37 4.1 底板矿物组成分析................................................................................ 37 4.2 顶板离层测试........................................................................................ 38 4.2.1 测试方案..................................................................................... 38 4.2.2 测试结果..................................................................................... 39 4.3 巷道数值模拟分析................................................................................ 39 4.3.1 模拟软件选择............................................................................. 39 4.3.2 工程概况..................................................................................... 40 4.3.3 地质概况..................................................................................... 41 4.3.4 模型岩体物理力学参数的选择................................................. 43 4.3.5 几何模型..................................................................................... 43 4.3.6 巷道围岩变形规律分析............................................................. 44 4.3.7 巷道围岩应力分布特征研究..................................................... 45 4.4 本章小结................................................................................................ 47 第 5 章 复杂条件下巷道底鼓控制机理研究.................................................. 48 5.1 卸压法控制底鼓机理............................................................................ 48 5.1.1 巷道围岩变形规律分析............................................................. 48 5.1.2 巷道围岩应力分布特征研究..................................................... 49 5.2 底板注浆管控制底鼓机理.................................................................... 51 5.2.1 巷道围岩变形规律分析............................................................. 51 5.2.2 巷道围岩应力分布特征研究..................................................... 52 5.3 联合支护法控制底鼓机理.................................................................... 53 5.4 本章小结................................................................................................ 54 第 6 章 底鼓控制技术工程实践...................................................................... 55 6.1 试验区域地质条件................................................................................ 55 6.2 底鼓控制方案........................................................................................ 56 万方数据 目录 3 6.2.1 锚网喷支护................................................................................ 56 6.3 底板卸压混凝土浇灌配合注浆管注浆................................................ 59 6.3.1 底板卸压混凝土浇灌................................................................. 59 6.3.2 注浆管注浆................................................................................. 60 6.4 本章小结................................................................................................ 60 第 7 章 结论........................................................................................................ 61 致谢...................................................................................................................... 63 参考文献.............................................................................................................. 65 作者简介.............................................................................................................. 69 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 问题提出及研究意义 由于煤炭资源快速整合，重组前很多煤矿由于生产技术落后管理混乱，重生 产缺安全造成开采环境十分复杂。 重组矿井存在很多历史遗留问题即重组后生产 容易与相邻巷道交叉甚至揭露。 随着开采效率与科技的进步需要大断面巷道保证 运输、行人的要求[1]。根据枣矿集团丰达煤矿统计-340 大巷局部底鼓严重，妨碍 运输和生产，给矿上造成重大经济损失。 随着采深的增加和巷道所处应力环境改 变，巷道底鼓问题随着采深增加变得更加突出。 由于应力环境、地质条件及围岩性质的复杂性，国内外专家学者经过长期对 煤矿巷道底鼓机理和控制技术研究，取得重要研究成果。通常认为现有理论不能 全部解决底鼓机理问题而是由一个或者或者多个因素引起1巷道两帮在垂直 和水平的应力作用下使底板向内鼓起；2成巷后围岩应力变化造成巷道底板岩 层卸载产生弹性变形向巷道内鼓起；3上述应力联合作用下底板破碎后产生底 板鼓起； 4底板岩层流变性和两帮下沉导致底鼓量随着时间延长增加；5水理 作用，岩体都有一定吸水性，随着底板含有膨胀性黏土矿物成分含量增加，遇水 越容易破碎、崩解及结构松散[25]。 国内外学者通过长期大量研究探索，提出很多有效底鼓控制技术包括加固 法、卸压法、联合支护法[6]。卸压法[7]是治理底鼓很常用一种方法，实质是为了 高应力区域底板岩层卸载，使底板附近岩层与深部岩体分开，浆围岩转移到围岩 深部；为了降低底板的应力状态达到底板稳定的目的，可以通过卧底、卸压槽、 爆破等方法来实现。加固法[8]即采用底板注浆的方法，实质是采用能固化浆液注 入不同介质裂隙、孔隙，改善岩层物理力学性质，浆液凝结后，使围岩形成强度 较高、抗渗性能好的整体，是一种重要控制底鼓方法。联合支护法[9]即在卸压槽 的基础上配合底板注浆的方法加固底板， 开挖卸压槽后降低底板的应力状态达到 底板稳定的状态，然后采用注浆加固增加底板抗压强度，减小底鼓量。 因此针对丰达煤矿-340 大巷局部底鼓本课题制定三种方案进行研究分析选 出最优方案。一方面可以通过-340 大巷局部底板底鼓加固控制技术研究，解决 巷道目前存在的问题；二是通过对现采用的支护体系及支护强度进行评价，提出 较为可靠的支护技术。因此，课题研究不仅在丰达煤矿软岩巷道支护技术研究方 面取得进展， 而且对类似条件的巷道稳定性控制具有重要的意义和广阔的应用前 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 景。 1.2 注浆技术发展历程 1.2.1 注浆技术发展史 注浆技术发展历程大致包括黏土浆液阶段、水泥浆液阶段、化学浆液阶段及 现代的多元化注浆等四个阶段。 1注浆技术萌芽阶段， 19 世纪初法国人查理斯[10]用一块木制冲击装置向地 层挤压黏土浆液，这就是注浆的始祖。此后半个世纪这种注浆方法传播广泛，注 浆包括黏土、火山灰等简单注浆材料。 2水泥浆液的出现，19 世纪中叶英国人阿斯普丁成功研制出硅酸盐水泥。 1864 年布罗利第一次运用水泥浆液在隧道中填充并相继应用在巴黎等地地铁项 目中。 随后法国北部煤矿又在煤矿涌水施工中， 成功应用了硅酸盐水泥并对材料、 工具、工艺做了相应改进。 3化学浆的出现，19 世纪末英国工程师 Hosagood 在印度的桥梁工程中应 用了化学药品固砂。此后德国切撒尔斯基利开创了硅化法，20 世纪 40 年代欧美 各国广泛应用水玻璃为主的注浆材料。 我国也是以水玻璃为主的注浆材料并针对 防渗、堵漏的需要相继研制了脲醛树脂、铬木素、改性水玻璃等注浆材料。随着 注浆的发展相应的理论、工艺、设备相应出现。科学家马格[11]发表了材料注浆 的简化理论，之后又出现了渗透理论[12]。随着科技的进步注浆工艺也在不断革 新，很多情况下需要两种材料同时注入，研制出了相应的注浆方法和孔内装置。 注浆技术逐步完善，形成了渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆[13]等注浆系统理论。 4多元化注浆阶段，随着工程技术的需求，上世纪 60 年代末出现了高压喷 射注浆，该技术的出现克服了以往软土层注浆不易控制的缺点。随后高压喷射技 术又进行相继的改进，从单管发展到双介质乃至三介质。随着高压注浆技术的出 现，使渗透注浆（低压注浆）、压密注浆（中压注浆）、劈裂注浆等注浆结石体 由松散转为结构体[14]。进入 21 世纪为了满足环保的要求，注浆材料向超细水泥 [1516]方面发展。 1.2.2 国内外注浆领域的研究现状 从井巷工程方面， 注浆工程领域主要包括注浆材料与注浆理论两个方面的内 容 1注浆材料方面比较常见的注浆材料有黏土、硅酸水泥、、水玻璃等用 其中的一种或几种材料为主料，按一定的比例加入溶剂，有时还要加上添加剂， 即可完成浆液的配制[17]。 万方数据 第 1 章 绪论 3 水泥因其具有产量丰富、使用方便、易于施工、结石体强度等优异贴点，在 注浆领域中得到非常广泛的应用。且现在为了更好的利用水泥注浆，水泥的种类 也不断增多， 超细水泥就是为了增强注浆可注性研究出的新型水泥且近几年发展 很快 [18]。 火山灰材料包括天然火山灰、粉煤灰、炉渣等，通常和水泥按一定比例混合 配成浆液，既可增加结石体强度也可以缩短凝结时间 [19]。尽管水泥粉煤灰浆液 在地下采空区治理中有了一定范围的使用，凝结时间、粘度、强度等一些性质的 研究得到了一些成果，但仍然存在很多的未知性和不确定性，浆液的材料配比只 能参照相似浆液的标准和技术规范[20]。对于不同的采空区注浆材料的性质差异 也缺乏研究[2126]。 黏土是在注浆技术开始之初就使用的一种材料，通过长期的使用和研究表 明，其本身不具有水硬性，需和固化剂如水泥、水玻璃等混合使用才可，有时还 需加入添加剂，其优点是成本低，来源丰富, 结石体抗渗透性强等[27]。 一般由有机高分子材料和水玻璃为主剂而配制的浆液称为化学浆液。 因有机 材料价格高且带有毒性，在经济适用性和环境保护上都不太适合应用，所以应用 非常的少。目前，水玻璃浆液是唯一较广泛使用的化学浆液[2830]。 2注浆理论方面当前注浆理论主要包括渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、 充填注浆。 充填注浆[3133]是把浆液充填到含有大量的裂隙、空洞、溶洞等结构物的灌 注介质中。渗透注浆顾名思义是浆液沿土层中的裂隙、空隙渗入并胶结，不改变 地层结构及颗粒排列方式。 挤密注浆[3