多次采动下巷道变形破坏规律及控制技术.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 刘成威 指 导 教 师 熊祖强 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一五年二○一五年六六月月 多次多次采动下巷采动下巷道道变形破坏规律及控制技术变形破坏规律及控制技术 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 多次多次采动下采动下巷巷道道变形破坏规律及变形破坏规律及控制技术控制技术 Roadway Control Technology And Deation Law Under The Influence Of Multiple Mining 申请人姓名申请人姓名 刘成威刘成威 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 矿业矿业工程工程 研究方向研究方向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 导导 师师 熊祖强熊祖强 职职 称称 副教授副教授 提交日期提交日期 2015.4 答辩日期答辩日期 2105.6 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文多次采动下巷道变形破坏规律及控制技 术，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位 论文的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以 采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 从 2008 年 9 月到 2015 年 6 月，我在河南理工大学度过了将近 7 年的时光， 7 年来，河南理工大学见证我的青春和汗水，我在河南理工大学收获了知识和成 长。 首先感谢恩师熊祖强副教授，2010 年 9 月熊老师给我授课，我一下子找到 了自己的偶像型人物；2012 年 9 月我顺利成为熊老师的弟子，深感荣幸；熊老 师治学严谨，宽容大度，做事有条不紊，科研干劲十足，深深的影响着我做人做 事风格；论文的选题、思路以及最终成型，熊老师都严格耐心的指导，让我受益 匪浅。 其次，感谢课题组袁瑞甫老师、王成老师、王雨利老师、李振华老师三年来 在我学习上的指导和帮助；感谢蒋东杰博士、刘艳辉师兄、赵磊师兄以及 518 师兄弟三年来在生活上的陪伴；感谢寺河煤矿二号井杨胜利副矿长、白宇副总、 贺淼鑫副主任、贾飞飞等在我出差期间的帮助；感谢父母 26 年来的养育之恩， 以及对我求学期间的支持和信任。 最后，向论文评审各位专家、教授致以深深的谢意恳请各位专家和老师 于百忙之中对论文多提出宝贵意见 由于水平和时间有限，论文中难免有不当和不足之处，诚恳地恳请各位专 家、教授给予批评、指正。感谢各位专家、教授在百忙之中阅读本文。 刘成威 2015 年 6 月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 多煤层群开采过程中，多次采动下巷道易发生变形破坏问题。本文以寺河煤 矿二号井 15煤层 151 盘区大巷为工程背景，该区域大巷受上覆 IX4309 工作面 回采影响和本煤层 XV1303 工作面重复采动影响，表现出巷道急速变形、底鼓严 重、煤柱压酥等破坏特征。通过围岩原位测试、全景钻孔窥视、实验室力学分析 等手段，分析了 15煤层顶底板岩石力学结构及参数；通过现场调研分析总结了 大巷变形特征； 采用 FLAC3D数值模拟方法研究了 9煤层工作面回采前后以及本 煤层 XV1303 不同回采阶段对 151 盘区大巷应力和应变的影响；对此，提出了采 用具有快凝、早强、扩散范围广的新型注浆材料进行注浆加固，并通过预应力锚 索进行补强的二次支护方案。并在 XV1101 巷进行现场试验，试验结果表明，联 邦加固材料具有强度高、渗透性好等特点，能够及时充填破碎的煤岩体，提高其 承载能力，同时让锚网索支护体系及时发挥作用，增加围岩的整体强度；巷道注 浆后 40 天后，巷道两帮收缩量仅为 58mm，最大底鼓量为 46mm，巷道变形速 率逐渐趋于 0，处于稳定阶段，治理效果明显。 关键词关键词多次采动；注浆加固；补强锚索；围岩稳定性 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 II 万方数据 III Abstract In process of multi-seam mining, The roadway of repeated mining occurs problem of deation and failure easily.In this paper, In the context of Sihe Coal Mine No.2 15 coal seam 151 area, region of the roadway by the impact of the overlying IX4309 mining face and repeative influence mining by XV1303 Face, showing the rapid deation of the roadway, the bottom drums serious pressure, coal pillar features crisp and other damage. By surrounding rock in situ testing, panoramic peep drilling, mechanical means of laboratory analysis, analysis of the 15 coal seam structure and parameters of rock mechanics; through field research and analysis summarizes the main roadway deation characteristics; numerical simulation using FLAC3D studied around 9 seam coal mining face and the impact of the different recovery stages XV1303 area of 151 roadway stress and strain; Based on this feature, proposed the use of fast-setting, high early strength, a wide range of diffusion of new grouting material grouting reinforcement , and reinforcement of the secondary support program by prestressed anchor. Field trials in XV1101 lane, the results showed that, Federal reinforcement materials with high strength, permeability and other characteristics, filling of coal and rock crushing timely, increase its carrying capacity, while allowing the anchor net support system in time to play a role; 40 days after the tunnel grouting, Contraction of two sides roadway only 58mm, the maximum amount of kick drum 46mm, roadway deation rate gradually tends to 0, in the stable phase, the treatment effect is obvious. Keywords Multiple mining ; grouting reinforcement; reinforcement anchor; surrounding rock stability 万方数据 IV 万方数据 V 目录目录 摘摘 要要 ............................................................................................................................. 1 Abstract ...................................................................................................................... III 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及意义 ............................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................. 2 1.2.1 巷道围岩变形破坏机理研究现状 .......................................................................... 3 1.2.2 动压巷道围岩控制技术研究现状 .......................................................................... 4 1.3 本文的研究内容及技术路线 ........................................................................................ 6 1.3.1 研究主要内容 ......................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 ................................................................................................................. 6 2 工程概况及巷道围岩破坏特征分析工程概况及巷道围岩破坏特征分析 ........................................................................ 9 2.1 工程概况 ......................................................................................................................... 9 2.1.1 研究区域巷道概况 .................................................................................................. 9 2.1.2 重复采动概况 ........................................................................................................ 10 2.1.3 煤层赋存及顶底板情况 ....................................................................................... 10 2.1.4 地质构造及水文地质情况 ................................................................................... 12 2.2 巷道围岩地质力学参数分析 ....................................................................................... 12 2.2.1 巷道围岩强度原位测试 ........................................................................................ 12 2.2.2 巷道围岩力学参数实验室测定 ............................................................................ 14 2.2.3 巷道围岩结构窥视 ................................................................................................ 18 2.3 三条大巷原支护形式及破坏特征 .............................................................................. 20 2.3.1 三条大巷原支护形式 ............................................................................................ 20 2.3.2 三条大巷原支护形式下巷道破坏特征 ................................................................ 22 2.4 本章小结 ....................................................................................................................... 23 万方数据 VI 3 巷道巷道破坏规律分析破坏规律分析 .................................................................................................. 25 3.1 FLAC3D模型的建立 ..................................................................................................... 25 3.1.1 模型的建立 ............................................................................................................ 25 3.1.2 数值计算平衡后应力分布 ................................................................................... 26 3.2 三条大巷掘进后受力变形分析 ................................................................................... 26 3.3 上覆 IX4309 工作面回采后煤岩体受力变形分析 .................................................... 28 3.3.1 IX4309 工作面回采后煤岩体应力应变分析 ....................................................... 28 3.3.2 IX4309 工作面回采后巷道围岩变形对比分析 ................................................... 30 3.4 本煤层 XV1303 工作面回采不同阶段煤岩体受力变形分析 .................................. 34 3.4.1 XV1303 工作面回采不同阶段煤岩体应力应变分析 ......................................... 34 3.4.2 XV1303 工作面回采不同阶段围岩变形对比分析 ............................................. 40 3.5 本章小结 ....................................................................................................................... 46 4 巷道围岩巷道围岩注浆加固方案分注浆加固方案分析析 .................................................................................. 47 4.1 数值模拟模型的建立 .................................................................................................. 47 4.1.1 模型的参数的选取 ................................................................................................ 47 4.1.2 边界条件及单元划分 ............................................................................................ 47 4.1.3 模拟方案的选择 .................................................................................................... 48 4.2 数值模拟结果与分析 ................................................................................................... 50 4.2.1 巷道围岩应力分析 ................................................................................................ 50 4.2.2 巷道围岩变形分析 ................................................................................................ 52 4.3 本章小结 ....................................................................................................................... 55 5 现场工业性试验现场工业性试验及效果分析及效果分析 ................................................................................. 57 5.1 注浆加固材料 ............................................................................................................... 57 5.1.1 注浆材料性能 ........................................................................................................ 57 5.1.2 注浆材料配比及压力 ............................................................................................ 58 5.1.3 封孔材料及工艺 .................................................................................................... 58 万方数据 VII 5.1.4 支护材料 ................................................................................................................ 59 5.1.5 注浆系统 ................................................................................................................ 59 5.2 注浆加固方案设计 ....................................................................................................... 60 5.2.1 巷道两帮加固方案 ................................................................................................ 60 5.2.2 巷道底板加固方案 ............................................................................................... 64 5.3 施工工艺及顺序 ........................................................................................................... 65 5.3.1 底板注浆锚杆施工 ............................................................................................... 65 5.3.2 巷帮注浆与锚索支护 ........................................................................................... 65 5.3.3 注浆施工工艺 ........................................................................................................ 65 5.4 现场监测结果与分析 ................................................................................................... 66 5.4.1 巷道表面位移观测 ................................................................................................ 66 5.4.2 钻孔窥视结果与分析 ............................................................................................ 70 5.5 本章小结 ....................................................................................................................... 72 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 83 6.1 主要结论 ....................................................................................................................... 83 6.2 不足与展望 ................................................................................................................... 83 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 85 作者简介作者简介 ..................................................................................................................... 89 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 91 万方数据 VIII 万方数据 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及意义 我国大部分矿井采用井工开采，煤炭产量的逐年增加，需开掘大量的巷道以 维持矿井的畅通和稳定，来保证矿井生产的正常接替，由此，每年的掘进和维护 量多达千万米，需对矿井巷道围岩稳定性进行研究，确保巷道围岩稳定性[1-3]。 采动影响作用下的巷道，在工作面回采过程中内部应力进行多次重分布，致使巷 道围岩反复被扰动，变形破坏严重[4]，尤其在多个采掘工作面的采动影响下，再 加上巷道巨厚坚硬顶板和松软的铝质泥岩底板。 如果不能有效的改善巷道的支护 条件，保护煤柱内部应力集中程度高，进而威胁到该煤柱内巷道围岩稳定性。 晋煤集团寺河煤矿二号井现主采 9和 15煤层，两煤层间距在 28m 左右，其 中 15煤层直接顶为典型的强度高、整体性强、自稳能力强的石灰岩顶板，底板 为松软的铝质泥岩，遇水易膨胀，巷道掘进和工作面回采过程中，底板极易发生 底鼓、两帮收缩等现象。 151 盘区大巷受上覆 9煤层 IX4309 工作面动压影响后，又受到及煤层 XV1303 工作面重复采动影响，通过现场调研可知，151 盘区大巷围岩破坏主要 为巷道急速变形、底鼓严重、两帮煤柱压酥等。究其原因，受上覆工作面残余煤 柱集中应力和本煤层工作面回采影响， 应力产生叠加， 作用在大巷两帮的煤柱上， 造成煤柱压酥破坏，断面收缩，继而传递到底板，引起底板的隆起，造成巷道的 严重变形破坏， 巷道断面最大收缩率达到 70以上， 巷道围岩变形破坏形式如图 1-1 所示。 图图 1-1 寺河煤矿二号井不同巷道围岩破坏形式实拍图寺河煤矿二号井不同巷道围岩破坏形式实拍图 Fig.1-1 Figure Photos of different s destruction about surrounding rock of roadway in SiheⅡⅡCoal mine 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 通过寺河煤矿二号井 15煤层盘区大巷破坏特点分析可知， 15煤盘区大巷围 岩变形控制问题亟需解决， 因为本煤层离三条大巷较近的还有几个工作面即将回 采，届时大巷有可能会堵死，严重影响矿井的安全生产。目前寺河煤矿二号井 15煤层盘区大巷存在和需要解决的问题有 （1）应力集中 15煤层直接顶为 K2 灰岩，厚度为 10.29m，完整而坚硬，属坚硬顶板，三 条大巷掘进后，煤柱留设 30m，相互之间有侧向支承压力影响；上覆 9工作面 的回采，采场的超前和滞后支承压力通过底板传递到该区域巷道，使该区域巷道 处于采场的底鼓区；本煤层工作面回采的影响，由于顶板的完整性，造成工作面 的周期来压步距加大，易造成悬顶，超前支承压力范围增大；总之。该区域巷道 受多种应力叠加， 造成应力集中， 对巷道两帮的煤柱及底板都造成了剧烈的破坏， 亟需控制该区域巷道围岩变形的可行性方案。 （2）巷道支护方式设计不合理 151 盘区大巷位于井田西翼，其所处应力场的不断变化使得巷道围岩中的应 力平衡反复被打破， 在上覆 IX4309 工作面回采过后和本煤层工作面回采过程中， 大巷巷道顶板基本无变化，但两帮片帮严重、底臌量大，采用现有的“锚杆锚 索”支护仅能一定程度上加固巷道两帮煤体的强度，不能有效控制预留巷道围岩 变形，需对 151 盘区大巷围岩加固机理进行研究，原支护的基础上对支护方式进 行重新设计，确保巷道围岩稳定。 寺河煤矿二号井 151 盘区大巷的围岩变形严重的情况制约着安全生产和采 掘衔接，其中西胶带巷的最大日底鼓量高达 700mm，造成皮带距巷道顶板剩下 不到 500mm，XV1101 巷底鼓和两帮收缩造成行车和行人的不便，XV1102 为主 回风巷，由于断面的收缩易造成通风不利，风量不足的危害。因此分析研究 151 盘区大巷围岩破坏机理，采取针对性的巷道围岩控制方案，治理该条件下巷道底 臌、片帮问题，确保 151 盘区大巷在服务期间围岩的稳定性，对促进寺河煤矿二 号井安全生产和工作面的正常衔接，实现高产高效有重要意义。 1.2 国内外研究现状 动压巷道稳定性与很多因素有关，如巷道围岩性质及结构、与上覆或下伏回 采工作面的位置关系、 支护强度等； 其破坏形式多种多样， 常见的就是顶板离层、 片帮和底鼓的力学显现特征；究其原因，大多为应力集中造成，但不同矿井有不 同的特点，国内外专家和学者对巷道（硐室）破坏变形机理及治理方面做了很多 万方数据 1 绪论 3 相关研究，但目前尚没有统一的认识和解决方案。 1.2.1 巷道围岩变形破坏机理研究现状 （1）弹塑性理论 20 世纪 30 年代，Fenner 最先提出了硐室开挖的极限平衡弹塑性理论。随后 H.Kastner 在 Fenner 公式的基础上进行了修正，提出了 H.Kastner 公式，用来计 算在假设体积不变的条件下岩体破坏特性的曲线。 在当时能够解释很多地下硐室 破坏变形特征，该公式得到了一定的推广，成为后来新奥法的经典力学基础[5]。 随着后来学者对巷道变形理论的深入研究， 发现理想状态下的弹塑性理论模 型并不能解释日益复杂的巷道变形破坏形式。葛树高、于学馥等[6]学者提出了在 进行弹塑性模型的计算时，应考虑到岩石的应变软化特性，用来提高围岩应力分 析结果的可靠性；刘夕才、林韵梅[7]等学者基于 Mohr-Coulomb yield criterion 和 non-associated flow rule 分析了轴对称软岩巷道的变形规律， 舍弃了围岩塑性区体 积不变的假设，并对岩石的扩容性进行了描述；姚国圣、李镜培[8]等学者在考虑 岩体扩容和塑性软化特性的基础上， 将扩容梯度及软化模量的概念引进理论求解 当中，推导出了更为全面和详细的软岩应力应变问题解析解答。 （2）流变理论 20 世纪 80 年代，陈宗基[9]将流变力学理论引入到了岩石力学工程当中，提 出了岩石的封闭应力、蠕变性和扩容性，并建立其本构方程；刘夕才[10]基于巷 道轴对称基本方程和 Maxwell 流变模型， 推导出了软岩巷道的线性及非线性粘弹 性解；万志军[11]等学者通过大量的岩块进行实验室流变试验，建立了巷道围岩 非线性力学模型，并进行了验证；随后一段时期，关于岩石流变相关理论研究日 益丰富，考虑岩石软化、流变、扩容、损伤等围岩力学模型相继被提出[12-17]。 （3）松动圈理论 1994 年 2 月，董方庭等学者在煤炭学报期刊上发表一篇题为巷道围 岩松动圈支护理论的文章[18]