巷道层状底板锚固机理及锚固孔快速钻进技术研究.pdf

Anchor Mechanism about Roadway Floor with Layered Rock and Fast Drilling Technique Study of Anchoring Borehole 申请人姓名 冯友良 指导教师 刘少伟 副教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院 二○一四年六月 河南理工大学能源科学与工程学院 二○一四年六月 巷道层状底板锚固机理及锚固孔快速 钻进技术研究 巷道层状底板锚固机理及锚固孔快速 钻进技术研究 全日制硕士学位论文 中图分类号中图分类号TD322 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 巷道层状底板锚固机理及锚固孔快速钻进 技术研究 Anchor Mechanism about Roadway Floor with Layered Rock and Fast Drilling Technique Study of Anchoring Borehole 申请人姓名冯友良申请人姓名冯友良 学 位 类 别工学硕士学 位 类 别工学硕士 专 业 名 称矿业工程专 业 名 称矿业工程 研 究 方 向矿山压力与岩层控制研 究 方 向矿山压力与岩层控制 导师刘少伟导师刘少伟 职称副教授职称副教授 提 交 日 期提 交 日 期2014.06 答 辩 日答 辩 日 期期2014.06 河南理工大学 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巷道层状底板锚固机理及锚固孔快速钻 进技术研究，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 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明学 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。 作者签名作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 致 谢 致 谢 这篇论文的完成，也标志着我在河南理工大学能源科学与工程学院硕士阶段 学习生涯的结束。三年时光转瞬即逝，但在这三年时光中学到的知识却注定使我 受益终生。其间，能源科学与工程学院各位老师的谆谆教导不仅丰富了我的知识 体系，更塑造了我坚韧正直的人格。这三年的学习积累，使我能更好的适应社会， 奉献社会。如今即将离别学习和生活了七年的母校，更觉感激与不舍。 首先，衷心的感谢我的恩师刘少伟副教授在学习生活中给予我的精心指导和 关怀，刘老师为人随和热情，治学严谨细心，虽教学、科研任务繁重，仍多次询 问我的研究进展，为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。 刘老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，让我终生受益。借此机会，谨向恩师 表示崇高的敬意和衷心的感谢 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养感谢所有为我授课的老 师在我学习和生活中给予的帮助感谢在论文选题、开题、写作及预答辩等环节 提出宝贵意见的老师 感谢师兄张辉老师，师弟李鑫涛、樊克松、张祥、张玉竞、岳杰、尚鹏翔、 常建超在论文写作过程中给予的鼓励和帮助感谢室友焦健康、周成龙、葛凤忠 及所有 2011 级矿业工程专业硕士研究生的兄弟们给予的关心和帮助 感谢我的父母和亲朋好友，他们的深切关怀和大力支持是我能够完成学业的 动力 感谢论文中所引用文献的各位著、编、译者 感谢在百忙之中评阅本论文的专家、教授 本论文的完成远非终点，由于笔者水平有限，文中的不足和浅显之处恳请各 位专家、教授批评、指正，这将成为我新的征程上一个新的起点。 冯友良 2014.04 I 摘 要 摘 要 根据现场调研，煤系地层具有较为明显的层状结构特征，布置其中的巷道在 掘进和使用过程中时常会出现严重的底鼓。锚杆-锚索支护技术以其显著的技术和 经济优越性成为层状岩体首选的加固方式，但其变形破坏规律、底鼓类型、锚固 机理和施工装备研究较少，造成现场很多情况下底鼓并没有得到有效治理，严重 影响矿井安全、高产、高效生产的实现。本文中，通过现场调查、实验室试验、 理论分析、数值模拟和现场工业试验研究，结合实际工程地质条件，对沽源煤矿 巷道层状底板底鼓类型、底鼓机理、控制措施及施工装备进行了深入而系统的研 究。根据影响巷道底鼓发生的主要因素将巷道层状底板底鼓划分为底板岩层的稳 定性及两帮挤压引起的底鼓，岩石扩容引起的底鼓，岩石膨胀引起的底鼓三种类 型，并逐一对其进行相关理论研究；以沽源煤矿主运输大巷实际地质条件，煤岩 体实验室力学试验为基础， 利用有限差分数值模拟软件 FLAC3D分析研究主运输大 巷在不同底鼓治理措施下底板围岩破坏、应力和变形特征，重点比较各措施下的 底鼓量，并以此为依据优选出主运输大巷最佳的底鼓治理措施；以循环介质（水） 泵吸反循环为排渣原理，建立底板锚固孔钻进排渣双壁钻杆模型，利用流体分析 软件 Fluent 对具有不同横截面尺寸双臂钻杆进行流体排渣过程数值试验研究，并 以排渣效率为指标优选出双壁钻杆最佳横截面尺寸，以此为基础对影响双臂钻杆 排渣效率的各因素进行详尽分析研究。将以上所得研究成果应用于工程实践，取 得了良好的底鼓治理效果。 关键词关键词巷道层状底板；底鼓；控制技术；泵吸反循环；排渣 II III Abstract According to the field investigation, coal-bearing strata has obvious characteristics of layered structure. Roadway arranged in these places usually appears floor heave when drived or used. The technique of bolt and cable support become the preferred way of layered rock reinforcement for significant technical and economic advantages. But those researches are less which are on deation regulation, type of floor heave, anchor mechanism and construction equipment of layered rock. In many cases floor heave wasn’t controlled very well, which seriously affected the realization of production safety, high yield and high efficiency in coal mine. Through field investigation, laboratory test, theoretical analysis, numerical simulation, industrial field experiment study, and combining with the practical engineering geological conditions of Guyuan coal mine, the thorough and systematic research on type and mechanism of floor heave and construction equipment in roadway with layered rock was made. According to the main influence factors of floor heave in roadway with layered rock, it could be divided into three types floor heave caused by the roadway floor rock stability and roadway two sides extrusion, floor heave caused by rock dilatancy, floor heave caused by the result of rock expansion, meanwhile the relevant theoretical research on this three types of floor heave was made; Based on the actual geological conditions of main haulage roadway in Guyuan coal mine and the laboratory mechanics tests of coal or rock, finite difference numerical simulation software FLAC3D was used to study the destruction of surrounding rock, stress and deation characteristics in roadway floor under different floor heave control measures, through comparison of the various floor heave control measures, the most appropriate control measure of floor heave in main haulage was selected; Based on the pump suction reverse circulation principle of circulating medium water, double walls drilling pipe model was built required by deslagging in the floor anchoring borehole, through fluid analysis software Fluent numerical experiment studys on deslagging process in double walls pipes with various cross section sizes were conducted, and the optimal cross section size was selected by deslagging efficiency, furthermore a detailed analysis about various factors influencing deslagging efficiency of double walls drilling pipe was carried out. Applying the IV research results obtained above in engineering practice, which have got some good effects on floor heave control. Keywords roadway floor with layered rock; floor heave; control technique; pump suction reverse circulation V 目 录 目 录 摘要摘要 ................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... III 目录目录 ................................................................................................................................ III 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 选题依据 ................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.1 层状岩体变形破坏机理 ............................................................................................................ 2 1.2.2 巷道底鼓发生的力学机理 ........................................................................................................ 3 1.2.3 巷道底鼓控制技术 .................................................................................................................... 5 1.2.4 底板钻孔施工机具国内外研究现状 ........................................................................................ 6 1.2.5 存在的主要问题 ........................................................................................................................ 8 1.3 论文主要研究内容 ................................................................................................... 8 1.4 研究方法与技术路线 ............................................................................................... 9 2 巷道层状底板底鼓类型及机理研究巷道层状底板底鼓类型及机理研究 ........................................................................ 11 2.1 底板岩层的稳定性及两帮挤压引起的底鼓 ......................................................... 11 2.1.1 超前支承压力对底板岩层抗弯刚度的影响 .......................................................................... 11 2.1.2 底板层状岩层力学模型建立 .................................................................................................. 13 2.1.3 巷道底板层状岩层压曲临界载荷计算 .................................................................................. 13 2.1.4 煤帮位移计算 .......................................................................................................................... 16 2.2 岩石扩容引起的底鼓 ............................................................................................. 21 2.3 岩石膨胀引起的底鼓 ............................................................................................. 24 2.4 巷道层状底板底鼓综合分析 ................................................................................. 26 2.5 工程实例分析与讨论 ............................................................................................. 27 2.6 本章小结 ................................................................................................................. 28 3 巷道层状底板控制技术综合分析巷道层状底板控制技术综合分析 ............................................................................ 29 3.1 数值试验研究内容 ................................................................................................. 29 3.1.1 数值试验研究工程背景 .......................................................................................................... 29 3.1.2 数值试验研究方案及模型 ...................................................................................................... 29 3.1.3 围岩力学参数选取 .................................................................................................................. 33 VI 3.2 不同底板控制技术条件下围岩特征 ...................................................................... 34 3.2.1 无支护时主运输大巷围岩特征 .............................................................................................. 34 3.2.2 原支护方案时主运输大巷围岩特征 ...................................................................................... 35 3.2.3 原支护方案加底板卸压槽卸压时主运输大巷围岩特征 ...................................................... 37 3.2.4 原支护方案加底板混凝土反拱时主运输大巷围岩特征 ...................................................... 38 3.2.5 原支护方案加底板锚（锚杆）注时主运输大巷围岩特征 .................................................. 40 3.2.6 原支护方案加底板锚（锚索）注时主运输大巷围岩特征 .................................................. 41 3.3 不同底板控制技术效果综合比较分析 .................................................................. 42 3.4 锚注深度对底鼓治理效果的影响 .......................................................................... 43 3.5 本章小结 .................................................................................................................. 44 4 巷道底板锚固孔成孔机理及施工机具研究巷道底板锚固孔成孔机理及施工机具研究............................................................. 45 4.1 巷道底板锚固孔成孔机理 ...................................................................................... 45 4.1.1 底板钻孔正循环钻进排渣机理 .............................................................................................. 45 4.1.2 底板钻孔反循环钻进排渣机理 .............................................................................................. 46 4.1.3 正循环与反循环钻进排渣比较分析 ...................................................................................... 48 4.2 巷道底板锚固孔施工机具研发与数值试验研究 .................................................. 49 4.2.1 双壁钻杆泵吸反循环钻进排渣数值试验 .............................................................................. 49 4.2.2 双壁钻杆泵吸反循环钻进排渣分析及结构优化 .................................................................. 51 4.2.3 双壁钻杆泵吸反循环排渣影响因素分析 .............................................................................. 57 4.3 本章小结 .................................................................................................................. 62 5 现场工业性试验研究现场工业性试验研究 ................................................................................................. 65 5.1 沽源煤矿主运输大巷概况 ...................................................................................... 65 5.2 试验巷道支护方案设计 .......................................................................................... 66 5.2.1 巷道支护原则及设计思路 ...................................................................................................... 66 5.2.2 支护参数设计 .......................................................................................................................... 66 5.3 试验巷道顶板及两帮施工技术要求 ...................................................................... 67 5.4 试验巷道底板锚固孔施工技术要求 ...................................................................... 68 5.5 试验巷道支护效果监测 .......................................................................................... 68 5.5.1 监测目的及内容 ...................................................................................................................... 68 5.5.2 监测位置及测站布置 .............................................................................................................. 68 VII 5.5.3 围岩表面位移监测 .................................................................................................................. 69 5.5.4 巷道顶板离层及围岩深部位移监测 ...................................................................................... 70 5.6 本章小结 ................................................................................................................. 74 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 75 6.1 结论 ......................................................................................................................... 75 6.2 展望 ......................................................................................................................... 76 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 77 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 83 学术论文数据集学术论文数据集 ............................................................................................................ 85 VIII 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题依据 随着我国煤炭开采强度的加大，煤炭产量逐年增加，如图 1-1 所示，2013 年 中国煤炭产量达 37 亿吨。矿井开采深度不断加深，如图 1-2 所示，国有大中型矿 井采深超过 700m 的矿井将近上百家。矿井达到一定深度以后，各种灾害现象发生 的概率大大增加，其中巷道的底鼓现象开始频繁出现。 2000-2013年煤炭产量及增长率 12.99 13.81 14.55 17.22 19.92 22.05 23.73 25.26 28.02 29.73 32.35 35.2 36.6 37 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 时间/年 煤炭年产量/亿吨 0 5 10 15 20 煤炭产量年增长率/ 煤炭产量 增长率 图图 1-1 2000-2013 年我国煤炭产量及增长率年我国煤炭产量及增长率 Fig.1-1 Yield and grouth rate of coal in our country from 2000 to 2013 1980-2020年我国煤矿开采深度 -288 -428 -500 -700 -1200 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 19801990200020102020 时间/年 开采深度/m 煤矿开采深度 图图 1-2 1980-2020 年我国煤矿开采深度示意图年我国煤矿开采深度示意图 Fig.1-2 Sketch diagram of coal mine depth in our country from 1980-2020 发生底鼓现象后，巷道断面形状将会发生改变，首先是巷道断面面积变小， 阻碍矿井通风；其次底鼓后巷道底板变得起伏不平，不利于井下运输，严重影响 行人安全，甚至有可能使得巷道高度减小到工人无法正常行走；与此同时顶板和 两帮的应力状态及稳定性还会受到底鼓现象的影响，整个承载结构及支护构件的 受力方式等也会因此产生一系列的变化，进而改变巷道整体的稳定性。大多矿井 河南理工大学硕士学位论文 2 发生底鼓现象后需要投入大量的人力、物力、财力做卧底，清理底板残渣等工作， 底鼓现象严重的有可能造成巷道围岩整体失稳甚至整个巷道报废的情况，严重影 响着煤矿的正常生产和工作人员的安全。深井开采的实现很有可能受到巷道底鼓 的影响。 为实现巷道底鼓现象的控制，很多专家学者在巷道底鼓机理[1-3]、控制措施及 施工装备上进行了大量工作，取得了很好的研究成果[4-7]。 具有层状结构的沉积岩在自然界中占据陆地面积的三分之二，我国就达到了 77.3[8]，而且多数变质岩也具有层状构造特征，尤其是煤系地层具有较为明显的 层状结构特征，工程地质上通常称之为层状岩体[9]。 层状岩层作为巷道一种常见的岩层类型，锚杆-锚索支护技术以其显著的技术 和经济优越性成为其首选的加固方式[10-11]，但是其变形破坏规律、底鼓类型和锚 固机理研究