复用巷道锚注支护技术研究.pdf

分类号TD325 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工程硕士学位论文 复用巷道锚注支护技术研究复用巷道锚注支护技术研究 作者姓名 张志明 指导教师 蓝成仁 企业导师 郑挪成 申请学位级别 工程硕士 专业领域 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 Two Time Multiplex Anchor Injection and Reinforcement Technology of the Gateway Candidate Zhang Zhiming Supervisor Lan Chengren Pluralistic Supervisor Zheng Nuocheng Academic Degree Applie for Master of Engineering Specialty Mining Engineering School/Department College of Resources 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。 学位论文作者签字 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） 学位论文作者签字 签字日期 年 月 日 导师签字 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 高瓦斯矿井采用 UL 型通风方式时瓦斯抽放巷道一般是沿工作面顺槽一定距 离布置，中间留设一定宽度煤柱，也有在工作面中间布置。当瓦斯抽放巷道在工 作面外侧留设煤柱布置时，在本工作面回采后，可以下一工作面回采时接续使用。 本文针对石泉煤矿 30102 瓦斯尾巷二次复用问题，确定了以地应力场的分布和转 移规律、围岩地质力学性质和破坏特征为核心的综合研究方法，针对窄煤柱、实 体煤和斜跨梁结构变形破坏特点以及围岩应力环境提出以中空注浆锚杆、中空注 浆锚索为核心的锚注补强加固方案，应用效果良好，满足了 30102 瓦斯尾巷使用 要求，在此期间取得了以下主要研究成果。 针对巷道特殊围岩结构，通过地应力实测与监测技术分析研究巷道在回采期 间斜跨梁顶板应力分布特征和规律，获得巷道弹性应力区分布范围、塑性应力区 分布范围和超前支承压力影响范围等现场资料，指导锚注补强加固强度和重点范 围，为石泉煤矿 30102 瓦斯尾巷锚注补强加固设计方案提供了科学依据。 注重“支护体-围岩”共同作用，提出巷道全断面锚注补强加固支护方案，具体 措施是在巷道小煤柱帮部和实体煤帮部采用超长中空注浆锚杆进行“三高”锚注技 术加固，即高预紧力、高灰水比、高压注浆，提高小煤柱和实体煤完整性和承载 能力，改善巷道受力特征，控制煤体变形；顶板采用中空注浆锚索锚注支护，强 化顶煤、伪顶与坚硬老顶间的力学联系，再通过注浆封闭顶板裂隙的同时，提高 斜跨梁结构的整体性和稳定性，满足巷道在服务期限内的稳定性要求。 关键词关键词 锚注支护；补强支护；注浆加固；中空注浆锚杆；中空注浆锚索 万方数据 Abstract II Abstract High gas coal mine adopts UL type ventilation way when gas drainage roadway is generally along the work surface along the groove of a certain distance, in the middle of a certain width of coal pillar, also have in the middle of the working surface.This paper for Shiquan coal mine 30102 gas tail roadway secondary reuse problems are identified as the core of the comprehensive research , considering the gob Liu Xiang small coal column, solid coal and oblique cross beam structure deation failure characteristics of surrounding rock and should stress environment proposed by hollow grouting anchor and hollow grouting anchor as the core of bolting and grouting reinforcement reinforcement scheme and its application effect is good. For along the roadway surrounding rock structure. Through in-situ stress measurement and monitoring technology analysis of roadway along gob during mining oblique cross beam of roof stress distribution characteristics and rules in Roadway along gob elastic should stress distribution, plastic strain zone distribution range and advance abutment pressure influence range of the scene, guide bolt grouting reinforcement strength and emphasis, Shiquan coal mine of teacher 30102 of gas tail roadway bolting and grouting reinforcement reinforcement design scheme provides scientific basis. In order to improve the stability of the special structure of surrounding rock in small coal pillar, inclined cross beam and solid coal ation of the main ideas, focus on “the interaction of support and surrounding rock“, put forward along the bolting roadway section reinforcement supporting scheme, concrete measures in gob roadway in small coal pillar and solid coal help with the help of long hollow grouting anchor bolt grouting reinforcement technology of “three high“, namely high pretightening force, high ash water ratio, high pressure grouting, improve small coal pillar and solid coal integrity and bearing capacity, improve the characteristics of roadway stress control, coal deation; roof using hollow grouting anchor bolting support, strengthen the contact mechanics of top coal, and hard roof roof, the roof Fissure Grouting closed at the same time, improve the diagonal beam structure integrity and stability, meet the roadway stability in service period requirements. Keywords bolting-grouting support； reinforcing support； hollow grouting bolt； hollow grouting anchor ；hollow grouting anchor cable 万方数据 目 录 Ⅲ 目 录 摘 要 ................................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................................ II 第 1 章 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景 .................................................................................................................................. 1 1.2 研究意义 .................................................................................................................................. 3 1.3 国内外锚注支护研究现状 ................................................................................................. 4 1.3.1 国外锚注支护 ................................................................................................................ 4 1.3.2 国内锚注支护 ................................................................................................................ 7 1.4 锚注支护发展趋势和目标 .............................................................................................. 10 1.5 研究内容及研究方法 ....................................................................................................... 11 1.5.1 研究内容 ....................................................................................................................... 11 1.5.2 研究方法 ....................................................................................................................... 12 1.6 技术路线 ................................................................................................................................ 13 1.6.1 技术路线 ....................................................................................................................... 13 第 2 章 锚注支护技术.................................................................................................................. 15 2.1 锚注支护的机理 ................................................................................................................. 15 2.2 锚注支护作用 ...................................................................................................................... 16 2.3 锚注支护技术优势 ............................................................................................................ 21 2.4 锚注支护材料 ...................................................................................................................... 22 2.4.1 中空注浆锚索 ............................................................................................................. 22 2.4.2 中空注浆锚杆 ............................................................................................................. 24 第 3 章 综放回采巷道二次复用锚注支护工程概况 ........................................................ 27 3.1 石泉煤矿 30102 瓦斯尾巷概况 .................................................................................... 27 3.2 30102 瓦斯尾巷原支护状况分析 .................................................................................. 28 第 4 章 复用巷道围岩结构变形特征 ..................................................................................... 31 4.1 复用巷道围岩结构 ........................................................................................... 31 4.2 复用巷道变形特征 ............................................................................................................ 32 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 Ⅳ 4.3 复用巷道围岩形态观测................................................................................................... 34 4.4 二次复用巷道形变特征总结与支护对策分析 ........................................................ 36 第 5 章 复用巷道应力分布特征和演化规律 ....................................................................... 41 5.1 地应力实测与监测概况 ................................................................................... 41 5.2 地应力实测结果与分析 ................................................................................... 42 5.3 地应力监测结果与分析 ................................................................................... 42 5.3.1 水平应力监测结果与分析 ........................................................................ 42 5.3.2 垂直应力监测结果与分析 ........................................................................ 44 5.4 地应力实测与监测总结 ................................................................................... 46 第 6 章 综放二次复用巷道锚注补强加固方案 .................................................................. 47 6.1 30102 瓦斯尾巷锚注支护思路 ........................................................................ 47 6.2 30102 瓦斯尾巷锚注补强支护设计方案 ........................................................ 48 6.3 锚注补强加固技术要求................................................................................................... 49 第 7 章 锚注补强加固矿压观测 .............................................................................................. 51 7.1 30102 瓦斯尾巷围岩深部变形监测 ................................................................ 51 7.1.1 围岩深部变形监测方案 ............................................................................ 51 7.1.2 围岩变形监测结果 .................................................................................... 51 7.2 30102 瓦斯尾巷表面位移监测 ........................................................................ 55 7.2.1 表面变形监测方案 .................................................................................... 55 7.2.2 表面变形监测结果 .................................................................................... 55 7.3 瓦斯尾巷矿压观测小结................................................................................................... 58 第 8 章 结论 ..................................................................................................................................... 61 8.1 主要结论 ........................................................................................................... 61 8.2 创新点 .................................................................................................................................... 63 致谢 ..................................................................................................................................................... 64 参考文献 ............................................................................................................................................ 65 作者简介 ............................................................................................................................................ 67 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 目前我国煤炭开采基本采用综放长壁采煤法，其主要特征是在工作面两侧分 别布置 1 条工作面顺槽巷道，以满足工作面运输、安装、运料、行人、通风要求。 在高瓦斯矿井工作面布置时，还需要在工作面顺槽之外布置 1 或 2 条瓦斯抽放巷 道，达到一面三巷或一面四巷的规模，这种瓦斯抽放巷道除满足本工作面回采要 求外还可以服务相邻工作面，达到一巷两用的目的。 在掘进瓦斯抽放巷道时，一般是沿工作面顺槽一定距离布置，中间留设一定 宽度煤柱，也有在工作面中间布置。当瓦斯抽放巷道在工作面外侧留设煤柱布置 时，在本工作面回采后，这种巷道可以为下一工作面回采时接续使用。这种布置 方式既可以减少不必要的煤炭损失，同时还可以起到隔离采空区，防止煤体自燃 作用。由于复用巷道可以充分借用工作面回采活动造成的特殊顶板结构来优化巷 道围岩应力环境[1-5]，间接地减少了巷道工程量，降低单位资源开采成本，解决工 作面接替紧张问题，降低安全风险等优势，在国内外实际生产中具有广泛的应用。 巷道在掘巷阶段，由于巷道一般在煤层中掘进，且处于原岩应力区域，围岩 受到巷道掘进扰动影响较小，矿压显现并不明显，巷道维护量较小，巷道稳定性 较高。但在本工作面回采时，由于应力叠加，应力峰值前移，巷道围岩松散破碎， 向巷内强烈挤出，断面收缩量极大，无法满足行人、运输、通风需要，通常需要 耗费大量人力、物力、时间对二次复用巷道进行扩帮清底，巷道难以维护，影响 综放工作面的正常生产，增加煤炭开采成本，因此实现巷道二次复用需要面临的 重要问题就是二次复用巷道的稳定性难题，这也是二次复用巷道围岩控制技术的 关键。 山西石泉煤矿为高瓦斯矿井，30102 工作面布置采用一面三巷模式，即一条进 风运输顺槽、一条回风运料顺槽、一条瓦斯尾巷，其中瓦斯尾巷二次复用作下一 工作面的进风运输顺槽。30102 工作面采用综放生产工艺，为避免瓦斯超标威胁工 作面的安全生产，采用 UL 型通风方式，即一进两回的通风系统（见图 1-1） ，并 在瓦斯尾巷与回风巷之间煤柱内间隔 35m 布置 1 条联络巷横贯作为瓦斯排放通 道。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 1 1 2 2 3 3 5 5 4 4 1 一进风巷；2 一回风巷；3 一瓦斯尾巷；4，5 一联络巷（横贯） 图 1-1 UL 型通风系统 Fig 1-1 UL type ventilation system 受到 30102 工作面回采带来的动压影响变形严重， 30102 瓦斯尾巷出现多次冒 顶，在 30102 工作面推过 30～40m 后发生了一次冒顶事故，至工作面推进 180m， 即到 8横贯处，共发生了二次冒顶事故，冒顶高度在 4～7m 之间。从原支护形式 看，30102 瓦斯尾巷发生冒顶事故主要存在以下问题。 （1）锚杆支护强度偏低。受到应力集中作用影响，顶板在高水平应力的作用 下容易发生离层，岩石发生破碎，破碎岩石产生的碎胀力对下位岩层产生挤压作 用，在锚杆支护强度不足以抵抗其挤压作用力时，顶板将发生整体下沉，待工作 面过后水平应力释放，顶板破碎岩石失去了水平应力的夹持作用就不可避免地出 现冒落。 （2）锚杆长度不足，锚固范围小。30102 瓦斯尾巷顶板为平均 2m 顶煤，原 支护采用 2m 长锚杆基本锚固在煤体内，对于上层伪顶和基本顶无锚固力，在顶板 破碎情况下，顶煤极易出现整体冒落。 （3）两帮变形严重，失去对顶板的支承作用。沿空巷道的巷道两帮煤体的松 动范围和松动程度都比实体煤巷道明显加大，巷帮煤体松动后，对顶板的支撑作 用降低，导致顶板的实际跨度增大，巷道支护体整体性能降低。 因此，对于二次复用巷道，单纯采用普通的树脂锚杆支护有很大的局限性， 由于锚杆的锚固端随着煤体的松动具有向外“漂移”的倾向， 即使采用树脂锚固剂全 长锚固也存在这个问题，此外搅拌式树脂锚固剂向锚杆孔壁的裂隙渗透的能力是 很低的，从井下现场回收的锚杆可以看到，凝固后的锚固剂呈圆柱状仅仅裹覆在 锚杆杆体周围，并与孔壁松散煤粒混合后与煤体隔绝，根本无法与围岩形成整体， 万方数据 第 1 章 绪论 3 实现支护材料与围岩的相辅相成。 为了确保该巷道经修复后在 30102 工作面回采时能够使用，采用了架棚＋单 体支柱联合补强加固支护，从支护效果看 （1）补强加固后未发生冒顶现象。钢棚和单体支柱具有足够的强度满足顶板 冒落区域压力，但这种支护效果只是表象，顶板煤岩体已经垮落，没有从根本上 解决顶板失稳的问题，这为 30102 工作面回采时二次承压埋下了安全隐患。 （2）单体支柱活柱下缩失效、钻底严重。工作面回采后沿空巷道承载应力明 显放大，超过单体支柱承载能力，导致单体支柱失效；且单体支柱的刚性支护模 式无法适应软弱顶底板大变形的要求，其次刚性单体支柱属于点支护，无法全面 抵抗顶底板变形，造成单体支柱钻底埋深高达 410mm。 （3）顶板整体下沉，两帮移近量不大，底鼓严重。由于架棚＋单体支柱补强 支护方式属于被动支护，在巷道变形初期无法提供有效初阻力，不能从根本上解 决巷道围岩不断剪胀扩容和蠕变破碎的发展趋势，巷道断面收缩量极大，经过几 次反复清底，清底总量达 1m 左右。 由于目前所采用的架棚＋单体支柱补强支护效果不理想，需要反复维修、清 底，严重影响工作面回采进度，且石泉煤矿生产接续的迫切需要，来不及重新掘 进一条巷道作为 30102 工作面的进风顺槽，故急需对 30102 瓦斯尾巷采取有效补 强加固支护措施，保留下来作为 30102 工作面的进风顺槽。 1.2 研究意义 锚注支护技术作为成熟可靠的巷道支护成果，受到国内外学者的广泛关注， 它成形于注浆加固方法，继承和发展了锚杆锚固支护与围岩注浆加固的技术优势， 其应用前景十分广阔，是未来煤矿巷道支护技术发展的主要方向。当前锚注支护 技术主要应用于深井巷道、硐室、交叉点软岩、破碎围岩等地下工程加固，在地 面基坑、边坡等岩土工程的补强加固也有应用，由于工作面顺槽服务时间短，围 岩强度低，在此情况下的应用案例较少，尚缺乏系统研究成果，成功经验不多， 但从锚注支护机理上看，其对二次复用巷道支护稳定性的作用模式具有极大的应 用潜力，也是目前国内外对二次复用巷道支护研究的主要技术方向之一[6-9]。 锚注支护在施工上较其他支护形式更为方便快捷有效，支护成本更具有优势， 后期工作面回采时通过不复修或少返修即可满足综放二次复用巷道使用要求，从 根本改变了综放二次复用巷道支护困难、维护量大的被动局面，节约了人工和材 料成本，改善了井下工人的工作环境、降低了工人的劳动强度，保障了综放工作 面高产高效安全生产。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 本论文以石泉煤矿综放复用巷道锚注补强加固工程为研究背景，从巷道煤柱 变形规律、斜跨梁结构的稳定性及巷道围岩应力分布特征三方面着手，分析锚注 加固在巷道回采阶段的支护技术方法，分别研究锚注支护材料特性、锚注支护设 计方法、锚注支护施工工艺技术要求等要素对巷道稳定性的影响，并应用锚注支 护技术解决现有支护形式在巷道支护中无法有效地控制煤柱的变形、巷道顶板破 碎、底臌、巷道断面收缩率高，导致沿道需要多次反复维修，劳动强度大，支护 成本高、影响生产接续的难题，同时对锚注支护材料选型、锚注支护参数设计、 注浆材料特性及注浆参数工艺等内容在理论和实践中进行检验，总结锚注支护技 术在二次复用巷道的支护机理和优势，完善和发展锚注支护技术理论成果，其项 目成果对其它巷道条件下的支护难题具有很好的借鉴和指导作用，对提高矿井巷 道支护技术水平及开采技术水平均具有较大意义。 1.3 国内外锚注支护研究现状 目前国内外对于综放二次复用巷道围岩控制技术已经做了大量基础性的研究 工作，相关理论研究和大量工程实践使得二次复用巷道支护水平得到不断的提高 和发展，在二次复用巷道围岩结构特征和岩体变形力学机制、巷道地应力场分布 特征及演化规律、巷道围岩控制技术方法等方面从理论研究到工程应用上均有大 量探索和实践[10-16]。并提出了相关理论成果，如岩梁倾斜理论、围岩松动圈理论、 最大水平应力理论、锚注支护理论等，其中锚注支护理论是最近几年发展推广的 巷道支护领域新成果，取得了良好的工程应用效果，引起了国内外巷道支护专业 人员的关注和参与，直接促进了锚注支护技术理论研究和发展，取得了一系列针 对不同地质条件和巷道类型的锚注支护技术成果，形成了完整的技术理论体系。 1.3.1 国外锚注支护 国外在三十多年前就将空心杆体改造作为注浆锚杆进行了锚注支护试验，并 得到了广泛的实际应用。 随着高强锚注支护技术的应用和发展，高性能支护材料也不断出现。德国锚 杆支护发展有 20 多年历程， 见图 1-2， 其锚杆破断力从 160KN 逐渐提高到 360KN， 锚固方式也从端锚逐渐发展成为全长注浆锚固进而发展到锚注一体化[17-21]。 万方数据 第 1 章 绪论 5 图 1-2 德国锚杆发展历程 Fig 1-2 Development history of German bolt 最有代表性是德国 Hilti 公司研制的“一步到位”锚杆，并带一次性钻头的自钻 进大直径全螺纹超高强锚杆，称为 ONE.STEP.ANCKER 锚杆。该锚杆最大外径为 32mm，破断力为 340kN，抗剪力为 230 kN，最大延伸率为 16。 锚注支护技术在前苏联煤矿中得到了广泛的实际应用，并提出在巷道围岩稳 定性系数 KγH/RC≥0.4～0.6 的条件下，使用锚杆一般应采用锚注支护。锚注支护 还广泛