长平矿皮带运输大巷修复技术研究.pdf

分类号 T D 3 5 5 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 长平矿皮带运输大巷修复技术研究 ￡鲰熙锄蛔g ．鹏i 骢￡．鱼眺- t 髓娶艘髓．№魏照骶魏X ．熙p 魏延l 熊h 1 9 I Q №g X ．熙踺靼曲 作者姓名黄俊杰 指导教师张宝安 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 舢3哪 O咖5㈣9 jjⅡⅡⅡ■●__ 删9一 舢2舢Y 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解逞宝王墨撞本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王墨撞盎太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名盔j 熊盎 p o 惮年6 月f f 日 新繇虹 训咋年D 6 月f 『日 致谢 在攻读硕士学位期间，老师为我营造了优良的学习氛围与环境，从基础知识的学习， 到论文的选题、现场调研、程序设计与编制、数值计算、理论分析，直至最终撰写，每一 步的完成无不凝聚着老师的心血和汗水。在此过程中，我更深切地体味到了老师渊博的专 业知识、严谨的治学态度、忘我的工作精神和优秀的做人品质，这些将成为我一生中最宝 贵的财富。从师三年间，在学习上，老师的鼓励与鞭策始终是我前进的动力在生活中， 老师给予的无私的关怀和帮助更使我内心感到无比的温暖。师恩难忘，难以言表，值此论 文完成之际，谨向我最尊敬的导师张宝安老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢 感谢母校对我知识上的熏陶和心灵上的启迪；感谢矿业学院和研究生学院对我的培 养感谢研究生阶段所有教育过我的老师，是您们的谆谆教诲才使得我羽翼渐丰，愿您们 在工作上硕果累累、成绩斐然；事业上百尺竿头，更进一步。 感谢山西晋煤集团长平煤矿相关领导及工程技术人员在论文资料收集和调研过程中 的大力支持和帮助 感谢李刚、张立新等老师的对我论文的指导，林海峰、赵奇、佟胤凝及丁孝军众师兄 弟给予的支持和帮助 感谢我的父母在求学过程中给予的最珍贵的理解和支持 感谢各位专家和教授在百忙中对论文的评阅和指导。 谨以此感激之情献给所有关心、支持我的亲人和曾经帮助过我的朋友们 摘要 煤矿巷道稳定性控制，尤其是复杂条件下大断面松软岩层巷道稳定性控制，是诸多矿 井所面临的问题和难点之一。开采规模的增加和井型的扩大，大断面煤层大巷曰益增多， 研究复杂条件下大断面松软岩层巷道稳定性控制技术无疑具有较大的现实意义和实用价 值。 长平矿是一大型矿井，其四条主要大巷皆为大断面煤层大巷，巷道跨度大，围岩节理 裂隙发育。大巷原支护为锚网索支护，随着时间的推移，原支护失效，巷道变形失稳，为 此，该矿对大巷进行多次翻修，大大增加了巷道的维护费用，可见研究探讨四条大巷合理 可行的修复技术，是该矿亟待解决的技术难题。 论文以长平煤矿皮带运输大巷为具体的研究对象，在现场调研的基础上，综合理论分 析、数值模拟和实验室实验等手段，对大断面煤巷围岩失稳原因及变形破坏机理进行分析， 基于注浆加固理论和围岩控制理论，提出长平矿皮带运输大巷的维护策略，给出皮带运输 大巷的修复方案设计，并对修复方案进行现场工业性试试验和现场矿压观测，以检验修复 方案的可行性，最终形成适合长平矿大断面煤巷的修复技术。 关键词大断面；松软煤层巷道；注浆加固 A b s t r a c t C o a lm i n em a d w a ys t a b i l i t yc o n t r 0 1 ，e s p e c i a l l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o m p l e x1 a r g e s e c t i o no fs o Rr o c kr o a d w a ys t a b i l i t yc o n t r o l ，i so n eo ft h ep r o b l e m sa 1 1 dd i m c u l t i e sf I a c e db y m a n ym i n e s ．T h ei n c r e a s eo fp r o d u c t i o ns c a l ea n dt h ee x p a n s i o n o fw e l lt ，p e ，m o r ea n dm o r eb i g c r o s ss e c t i o nc o a ls e 锄a l l e y s ，t h es t u d yo fc o m p l e xb i gc r o s ss e c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs o R r o c kr o a d w a ys t a b i l i t yc o n t r o l t e c l l l l o l o g yh a Sg r e a tr e a l i s t i cm e a I l i n ga 1 1 dp r a c t i c a lV a l u e ． C h a n g p i n gm i n ei sal a r g em i n e ，i t sf o u rm a i nr o a d w a ya r eb 噜c m s ss e c t i o nc o a ls e a m r o a d 、v a y ，l a r g es p a J l ，s l l l l r o u l l d i n gr o c kj o i n t sa l l df i s s u r e sd e V e l o p m e m ．A n c h o r n e ts u p p o n i n gi s t 1 1 eo r i g i n a ls u p p o r to ft 1 1 em a i nr o a d w a ys u p p o n i n g ，w i t ht h ep a s s a g eo ft i m e ，廿l eo r i g i n a l s u p p o r t i n gi n v a l i d a t i o n ，r o a d w a yd e f o 姗a t i o ni n s 协i l i 坝t ot h i se n d ’t h em i n eo fr o a d w a y r e n o v a t i o n sf o rm a n yt i m e s ，伊e a t l yi n c r e a s e df e et h er o a d w a ym a i n t e n a J l c e ，V i s i b I er e s e a r c h f o u rm a j nr o a d 、v a yf l e a S i b l et e c h n o l o g yt or e p a i r ，i st e c h n i c a lp r o b l e m st ob es o l V e do fc h a I l g p i n g m i n e ． P a p e r si nc h a l l g p i n gc o a lm i n eb e l tt m s p o na st h es p e c i f i co b j e c to fs t u d y ，o nt h eb a s i so f s i t ei n v e s t i g a t i o n ，C o m p r e h e n s i v em e o r e t i c a la n a l y s i s ，n 啪e r i c a ls i m u l a t i o na I l d1 a be x p e r i m e n t ， r e a S o n so fb i gc r o s ss e c t i o nc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ki n 虹b i l i t ya I l dd e f o H n a t i o n 两h Ⅱe m e c h a n i s mi sa n a l y z e d ，b a s e do nt h et l l e o r yo fg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n ta J l dm es u l l r o u n d i n gr o c k c o n 打0 1t h e o Ⅸp u tf b n Ⅳa r dt h em a i n t e n a J l c ep 0 1 i c yo fc h a I l g p i n gc o a lm i n eb e l tt r a l l s p o n f o a d w a y ，g i v eab e l tt r a n s p o r tr o a d w a yr e p a i rs c h e m ed e s i g n ，a n dt o6 x 也eo n - s i t ei n d u s t r i a l e x p e r i m e n ta 1 1 dm i n ep r e s s u r eo b s e r v a t i o na tt h es c e n e ，t ot e s tt l l ef e a S i b i l i 够o fr e p a j rp l a l l ， E v e n t u a l l yf ．o ms u i t a b l ef o rc h 锄g p i n g m i n es e c t i o no fc o a lm a d w a yr e p a i rt e c l l I l o l o g y ． K e yW o r d s L a 昭es e c t i o n ；S o f tc o a ls e 锄r o a d w a y ；G m m i n gr e i n f o r c e m e n t ； I I 辽宁T 程技术大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s n - a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 巷道支护技术发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 ．2 巷道支护技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 - 2 ．3 注浆技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 主要存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l - 4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2大断面巷道围岩变形特征与支护技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1大断面巷道破坏理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 巷道围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．2 大断面巷道围岩失稳原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2大断面巷道围岩变形破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1大断面巷道围岩变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．2 ．2 巷道围岩稳定性破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 煤巷锚杆一锚索联合支护作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1破碎围岩条件下锚杆支护作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 3 ．2 锚固平衡拱支护原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．3 ．3 锚杆一锚索联合加固原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．4 锚杆一锚索支护作用的互补原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．4破碎围岩注浆加固原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．1注浆加固基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．2 注浆参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3大巷失稳机理数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 T T I 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 ．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2巷道围岩基础参数测定及地应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．1 巷道围岩力学指标测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．2 地应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3围岩松动圈测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3巷道破坏原因数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．3 ．1巷道形状对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．3 ．2巷道布局对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．3 ．3工作面采动对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4皮带运输大巷修复技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．1皮带运输大巷修复方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 4 ．1 ．1 锚网索支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 ．2 注浆加固方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2修复方案数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 注浆工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，4 8 5现场工业性试验及其矿压观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．1工业性试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 巷道矿压观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 ．1巷道表面收敛位移及深孔位移观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．2 ．2 注浆效果观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．2不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 l V 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1问题的提出及研究意义 众所周知，矿山压力与围岩控制技术是影响井工开采安全和效益的一个关键问题，采 场矿山压力与围岩控制技术的研究，对采场安全、高产高效矿井建设具有极其重要意义。 而巷道的围岩变形控制一直是矿山压力与围岩控制技术研究中的一个难题，因此，对巷道 围岩稳定性控制研究对矿井安全高效生产具有极其重要的意义。 随着开采强度与规模的提升，诸多矿井尤其是大型矿井，大断面煤岩巷道逐渐增多。 巷道断面的增大，围岩结构的变化，对大断面巷道围岩的稳定控制提出更高要求，很多矿 井大断面巷道的维护，要么支护成本高，要么围岩控制策略不当，无法实现巷道在服务期 内的稳定控制。现今，巷道的主要支护方式大都选用锚杆支护。锚杆支护具有效果好、成 本低廉等特点，从而巷道的支护问题提供了有效的解决途径。但对于松散围岩大断面巷道 维护来讲，单纯的从支护角度实现巷道稳定控制来讲，往往是无法奏效的，很多矿井大断 面巷道的维护实践也证实了这点。支护理论和支护实践表明，一个优化的巷道稳定控制方 案是要充分利用围岩的自承能力，使支护体与围岩间协调作用，形成一定厚度的支护结构， 从而抵抗广义地压和动压的影响。因此，从支护和围岩相互作用上研究大断面松软煤岩巷 道的稳定控制，是解决大断面松软煤岩巷道的关键。 长平煤矿是一座年产6 0 0 万吨的矿井，其皮带运输大巷和辅助运输大巷皆为煤层巷道， 且断面较大，属于大断面松软煤层巷道，大巷均采用锚网索支护联合支护。但是，随着时 间的推移，大巷变形较大，个别地段巷道失稳，无法满足生产的需要。为了正常生产，该 矿对大巷进行多次重复翻修，不但要投入大量的人力物力，而且严重制约着矿井的正常生 产。探讨合理可行的大巷修复技术和合理的修复方案，已经成为当前矿井亟需解决的主要 问题之一。基于长平矿大巷多次翻修亦无法实现巷道稳定控制的背景，研究探讨长平矿大 巷的修复技术和具体的修复方案，无疑具有巨大的现实意义和实用价值。 基于此，论文以长平矿皮带运输大巷为具体的研究对象，根据皮带运输大巷具体的围 岩条件和应力环境，通过现场调研，综合理论分析、数值模拟和实验室实验现场测试等手 段，研究皮带运输大巷修复技术，提出皮带大巷的具体修复方案，并通过现场工业性试验 和矿压检测，以检验修复方案的可行性，最终形成适合长平矿皮带运输大巷的修复技术。 1 ．2 研究现状 1 ．2 - 1 巷道支护技术发展概述 1 国内巷道支护技术 辽宁工程技术大学硕士学位论文 我国煤炭开采技术从建国初到现在发生了翻天覆地的变化，巷道支护技术也在不断革 新，已经从最早的木支柱逐渐发展为数十种之多的多元化先进支护技术。 最早期时，刚性支架是煤矿巷道选用的主要支护方式。从六十年代起，锚喷支护与各 种钢质材料及金属支架陆续被推广应用于基建矿井的井下巷道支护中，随着采深的加大， 限制井巷工程发展的主要因素变为深井、软岩及动压问题，国家相关部门非常关注该类问 题。经过各科研院所多年攻关，慢慢形成了比较完善的巷道支护技术体系，如可缩性U 型 棚支架、一系列锚杆、锚索、注浆支护以及将各种支护体相互组合等联合支护形式。 九十年代，因材料科学发展迅猛，增强各类支护材料的强度变为支护研究的重点，分 别发明了高强度预应力锚杆、特种u 型棚支架及预应力锚索等新的支护材料，于此同时发 展了如，C s 浆液、高水速凝材料、树脂类化学浆液、c L c 型粘土水泥浆、以波雷因及M G 一6 4 6 化学浆液等等多种高强度注浆材料⋯。 2 国外巷道支护技术 由于我国国土面积大且地质条件复杂，煤矿开采时需要更多种类型支护技术才能更有 效的控制条件各异的围岩；相比较而言，我国与外国的支护技术差距不大，但他们的优势 在于拥有更加先进的支护设计和设备，安装、检测设备也比我国先进可靠得多，而不同国 家所选用的支护体系差异性较大。 八十年代以前德、英、法等国的巷道支护一直以采用金属支架作为巷道的主要支护手 段。金属支架类型的选用依据围岩性质而定，且金属支架经特别设计加工以便于适应于不 同围岩类型，其优点是质量水平高，安装效果好，适应性强。随后，他们从美国、澳大利 亚等地引进了先进的锚索、锚杆支护技术。到目前为止，形成了约占支护总量9 0 ％的各类 锚杆桁架、锚索、锚杆及组合锚杆支护方式 而在澳大利亚、美国等国，最早期同样使用砌碹、金属支架等支护方式，近期开始大 面积推广使用新的支护方式～锚杆支架。因围岩稳定性的差异而采用不同种类的锚杆支 护。通常仍采用金属支架对某些特定条件下的围岩进行支护【2 】。 截止目前，波兰、俄罗斯等国依据不同围岩的特点依然坚持选用不同类型的金属支架 支护，处理深部高应力软岩巷道修复问题通常多采用翻修的方法，金属支架采用量约占支 护总量的7 0 ％，其余部分采用木支架、砌碹、锚喷等。 1 ．2 ．2 巷道支护技术概述 二十世纪八十年代后，随着巷道围岩控制技术快速发展，人们逐渐加深了对支护与围 岩的关系的认识，围岩与各种支护结构体组成具有相互作用的共同承载体，不再是仅被视 为产生与传递载荷的媒介。由整体结构变形及失稳和岩石材料的破坏共同组成了巷道的变 形破坏，巷道维护的本质是围岩与支护设施相互作用的过程，根本目的是阻止围岩变形范 围超过工程需要的允许范围。所以通过加固围岩的方式来增强围岩本身承载能力成为支护 2 辽宁上程技术人学硕士学位论文 技术前进的主要方向。巷道支护技术由围岩和支护的实质与相互作用关系可被由低到高归 结为四个层次I j J 1 通过被动的提供外力作用于围岩的表面的方式，如碹体、支架。 ①碹体支护。是一种在服务年限较长且围岩较为破碎的巷道中采用的支护方式。实质 是一种整体的由料石、混凝土等材料砌筑的巷道支架，形状一般多为拱形，优点是耐久， 防水，防火，且通风阻力小等等，缺点是只有在一定压力作用下才能表现出较高的承载力 与强度，受采动影响大且施工条件较差。深部软岩巷道选用多层碹体加固仍不能达到长期 稳定。 ②金属支架。通常有两种一种是可缩支架，另一种是刚性支架。可缩支架虽然因可调 节支让平衡，提高了其适应性，但在深井中难于维护且支护效果较差。刚性支架通过被动 的产生径向约束力来控制围岩变形。随巷道深度增加所需支架架形增大，花费较大，支护 效果较差。实践证明，巷道支护不能仅仅依靠支架重量的增大。 2 通过支护设施主动与巷道围岩相互作用的支护方式，如锚杆、锚索等。 锚杆被推广使用以来，逐步成为必不可少巷道支护方式。通过直接作用于巷道围岩， 与围岩组成锚固支护体，现在被广泛推广使用的是锚固支护体与在其表面喷射的混凝土共 同控制巷道围岩变形，且具有密贴性、经济性、及时性和封闭性等优点。在深井软岩巷道 中，普通锚杆实用性较差，不能达到支护效果的要求；近期发展起来的高强树脂锚固螺纹 钢锚杆具有安全性、可靠性、支护效果好等优点，适用于深井软岩巷道【4 1 。 3 通过直接改善巷道围岩结构及其形状本身，增强围岩力学性质，如围岩注浆加 固。 在巷道围岩趋向稳定的过程必定有注浆加固作用的参与，随着巷道围岩变形破坏的不 断进行，新产生与原有的裂隙结构被注浆浆液粘固或充填，进而控制围岩变形，使其趋于 稳定，符合现代巷道围岩控制理论。 现代软岩控制思想认为要想获得更好巷道维护效果，就必须使围岩自身的承载能力 得到充分的发挥。在动压、软岩、深井等巷道中，越来越多的开始使用锚杆支护系列。巷 道围岩注浆加固技术虽然才刚刚起步，但已显现出了非常大的优越性，发展应用前景广阔。 4 联合支护技术 联合支护是为使更好的发挥不同单一支护的性能而采用组合支护结构的支护形式。使 其通过共同对围岩的作用更好的控制围岩变形破坏。联合支护在巷道支护中应用十分广 泛，且形式多种多样，常用的有锚网索与注浆加固联合支护及u 形钢支架与喷层联合支护、 锚喷支护等支护效果较好的组合。 1 ．2 ．3 注浆技术概述 1 ．注浆技术发展概况 辽宁工程技术大学硕士学位论文 注浆技术距今已有一个世纪的历史，在井下巷道的治理中采用注浆技术始于2 0 世纪 初，此后在基建矿井中防治水与改善工程地质条件也采用过注浆法，客观上起到了不错的 效果。 早在2 0 世纪5 0 年代注浆技术已被应用于井巷施工中，在鹤岗矿区、淄博矿区及鸡西 矿区曾先后采用往井壁注浆的方法治理井筒漏水，取得很好堵水效果。2 0 世纪6 0 年代以 后注浆法有了很大发展，注浆法被广泛应用于井下灭火、堵水、瓦斯密封以及加固巷道围 岩，修复巷道、治理易冒落巷道等方面的工作【5 】。步入八十年代以后，由于现代支护理论 的发展及注浆技术的兴起，在德国等地开始研究巷道围岩注浆技术对巷道的支护作用，同 期我国也采用注浆加固技术对复杂的巷道进行修复。 2 ．注浆实验 注浆研究通常与室内模拟实验相结合，通过改变裂隙长度、粗糙度、张开度等参数对 浆液渗流规律进行分析。实验主要是对注浆参数与其影响因素进行研究，浆液扩散半径R 、 凝结时间八注浆量Q 和注浆压力尸等是主要注浆参数，注浆时间f 、被注岩土的渗透率七、 浆液初始粘度∥o 等是影响注浆参数的主要因素。我国和苏联学者通过实验获得相关注浆参 数经验公式。我国学者通过实验测试了浆液渗流压力分布状况，并得出渗透压力是呈二次 抛物线衰减的一般规律【6 】。典型的注浆模拟实验有苏联学者通过模拟浆液在砂质岩层中 的扩散，得出注浆参数和浆液特性以及注浆参数与注浆岩体性质之间的关系奥地利学者 对不同开度的平面裂隙中浆液流动规律进行了模拟；国内用于模拟注浆实验的装置有东北 大学的槽型及扁圆柱型、水利水电科学院的平板型和煤炭科学院的圆管型等实验台，可进 行多孔介质与岩层裂隙的注浆相似模拟实验。 因为实际地层和模拟结构差别较大，模拟参数如裂隙状态参数、介质粒度等都难以符 合实际情况，所以仅通过单一裂隙模拟浆液流动规律与实际情形差异性比较大【7 】’未来研 究方向是通过深化仿真模拟以期接近实际状态，进而指导具体注浆实践。 3 ．注浆材料 注浆材料是注浆技术中必不可少一部分，浆液性能决定着注浆加固效果的优劣，浆液 的耗费会增加工程投资，导致新型注浆材料不断涌现。当今市场上，有上百种性能各异的 注浆材料，因此需要基于注浆工程的目的与要求选择合适的注浆材料。 目前，井下巷道服务年限逐渐降低，同时以限制围岩变形的浆液材料品种较少，又因 成本受到限制，因而对注浆材料的选择有特殊要求。通常仅考虑选用成本较低的水泥类材 料，通过加入添加剂调节其性能，其性能主要涉及三个方面工艺方面、破裂岩体的渗透 性能、与煤岩体的粘结强度与抗变形性能‘8 】【9 】。 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 主要存在问题 随着开采技术的不断进步，在各个矿井中涉及大断面煤巷支护加固问题越来越多，但 人们普遍热衷于对于采动影响的范围和程度的研究，在对大断面煤巷变形破坏机理进行研 究时，却很少将巷道断面形状、巷道布局及工作面采动影响等方面综合分析。在处理大断 面煤巷涉及的各种问题和支护设计时，现场工作者仍旧停留在工程类比的层次上，主要依 赖于工程经验，按部就班，致使在工程治理中花费了大量人力和物力，却达不到预期的修 复效果。 1 ．4 研究内容与技术路线 1 ．4 ．1 主要研究内容 本论文以长平矿皮带运输大巷为研究对象，通过对巷道的变形破坏机理研究，在搜集 资料、阅读大量相关论文、专著，及实际调研的基础上，综合运用理论分析、计算机数值 模拟以及现场工业试验等手段，对长平矿皮带运输大巷的实际变形破坏情况进行分析研 究，进而提出巷道修复方案，其主要内容为 1 巷道围岩变形破坏机理及失稳原因分析 通过对长平矿皮带运输大巷现场的调研实测，分析巷道的变形破坏特征，研究长平矿 皮带运输大巷的变形破坏机理，结合理论分析及数值模拟方法总结巷道失稳特点、规律和 影响围岩稳定性的因素。 2 长平矿皮带运输大巷修复方案设计 基于长平矿皮带运输大巷失稳原因及皮带运输大巷围岩基础参数实测，设计出合理的 修复方案，并借助F L A c 3 D 数值模拟软件模拟分析修复方案的效果。 3 现场工业性试验和现场矿压观测 按照巷道修复方案进行现场工业性试验，并进行矿压观测，通过观测数据结果和数据 分析，检验修复方案的可行性。 5 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．4 ．2技术路线 图1 ．1 论文技术路线图 F 培1 ．1T e c h n o l o 蹦R 0 a d m a po f P a p e r 6 辽宁工程技术大学硕十学位论文 2 大断面巷道围岩变形特征与支护技术 2 ．1 大断面巷道破坏理论分析 2 ．1 ．1 巷道围岩破坏机理 巷道在开挖前，岩体处于初始平衡状态。随着巷道的开挖，原初始平衡被打破，岩石 应力状态发生变化，处于初始应力平衡状态的岩石向双向应力状态转化，垂直应力向两帮 转移，水平应力向顶板岩层转移。顶板岩层的部分岩石在水平应力作用下遭到破坏，产生 裂隙或剪切位移。尤其是在软弱结构面发育且被破坏的岩石更为容易在重力作用下发生大 范围坍塌。为了约束围岩的破坏和变形继续发展，一般需要进行支护和衬砌。 切向应力主要决定着巷道围岩的稳定。一般情况下，当岩石的单轴抗压强度小于巷道 围岩的切向应力时，就会产生巷道开裂现象。原岩应力‰与切向应力毋是成正比的，而 随着深度的不断增大，原岩应力也成比例增大。深度足够大时，尸俨P Z 也就很大，仉也随 之增大，但径向应力c r r 在巷道周边上为零且变化不明显。围岩达到塑性平衡状态后，会发 生塑性变形，是当哪达到某一极限值时造成的。巷道围岩在被破坏后，应力减小，岩 体向内部发生塑性松胀，其原因是破坏处的岩体在空气与水侵蚀下风化加速。相邻的岩体 产生塑性变形就是由于塑性送胀将一部分围岩应力传递所导致的。一般的，塑性变形的范 围会随着应力的不断增大逐渐扩展到深部的围岩，在巷道周围形成一个塑性松动圈。西与 西在不断变化，在塑性松动圈中的巷道围岩的变形模量逐步减小。切向应力仉会在塑性区 的影响下逐步降低。理论计算表明，切向应力以会随着深度的变化会出现由图2 ．1 中的虚 线变为实线的状况。切向应力田会在巷道边缘处大大降低，并且应力增高区会出现在深部 岩体中。远离应力增高区的岩体仍处于原岩应力平衡状态。概括来讲，巷道开挖后会在巷 道周边出现半径为尺的由应力增高区与应力降低区组成的塑性松动区及松动区外的原岩应 力区，如图2 ．1 所示。 塑性松动圈的不断扩展导致了巷道围岩不断移动，支护体上的压力随围岩不断对支护 体产生的“挤压作用”而增大，是因围岩位移超过一定值时失去自承能力导致的。依据经 验，通常会产生两种情况 如图2 ．2 所示 一是围岩发生破坏时，巷道围岩支护体未因 荷载增加而失去支护效果，巷道围岩随之逐步稳定；第二种是由于支护体未能支撑增加的 荷载而失去支护作用，巷道会因围岩位移在某一时间后的加速增长而导致破坏【1 0 1 。 7 辽宁工程技术火学硕士学位论文 - _ ●- _ _ ■_ 卜 - I _ ■● - ●- 户 Il}毒lllll J ／ ， 一。叫 一‘ I， I，，’ ’ ，岸≤ - - ． 硝 、＼℃ ～l | c jD’ ． I 、 ～＼＼‘l 一／／’ ，， t 。～。 ．一，| - 一l ● 一，- 卜 ， 一一 o，- IIII 图2 ．1 圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布 F i g ．2 ．1P l a s t i cd e f ．o m a t i o na r e aa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f c i r c u l a rr o a d w a ys u n ．o u n d i n gm c k 居一塑性区半径4 一破裂区伊一塑性区C ’一弹性区；D 一原岩应力区； P ～原始应力町一切向应力；即一径向应力；p 厂支护阻力；旷巷道半径 巷 道 周 边 位 移 图2 ．2 时I 司与巷道位移关系曲线 F i g ．2 ．2 T h eV e r s u sc u n ，eb e t 、Ⅳe e nt i m ea n dr o a d w a yd i s p l a c e m e n t 图2 ．1 中显示的是圆形巷道围压状态与岩体的变形破坏情况。岩体的变形破坏在表现 形式和本质上与岩石的变形破坏是相同的。围岩的应力和强度共同决定着围岩的变形破坏 特征。巷道开挖后，一是地应力发生变化，并且围岩应力通过不断调整使巷道产生相应的 变形；另一方面，岩体的弹性模量和强度显著地因开挖卸荷引起的岩体结构面张开和滑移 而降低，并因应力调整及变形的持续，下降趋势更为明显。应力和强度变化均不利于巷道 的稳定，塑性区的不断扩展，使巷道发生更为严重的破坏。 巷道开挖卸荷的本质就是原岩应力状态累加相应的反向拉应力，在类似横弯或纵弯作 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一一_，_●__一 用下工作面顶板实体发生变形，大幅降低了岩体的强度，导致膨胀变形的发生。底鼓、巷 帮鼓出，和项板来压等就是由于应力释放引起的回弹和调整引起的扩容导致的。巷帮内移 片帮、侧向张裂 、冒顶和底鼓等变形是由上述变形的逐步导致的。经实验证实，岩石变 形破坏有拉张和剪切两种机制，单轴受压条件下岩石之所以会破坏，是因为压应力诱发剪 应力或拉应力所造成的。微裂隙的扩展、归并的连接并最终形成宏观裂隙是导致岩石变形 破坏的表象，实质上是由于岩石内部微裂隙在剪应力或拉应力作用下逐步发生和发展导致 的。 2 ．1 ．2大断面巷道围岩失稳原因分析 1 ．巷道断面的大小效应 1 巷道顶板弯曲变形和巷道宽度的关系分析‘】 如图2 ．3 所示，我们假设可以把巷道项板简化为受均布载荷g 的两边固支无限长薄板。 S l工；lllI毒‘ X ‘ 一 l Z 1 图2 ．3 计算模型 F i g ．2 ．3C a l c u l a t i o n Ⅱ帕d e l 设挠度曲线可用以下级数表示 w 一喜们一s 竽n 】．2 ．- ‘ S X 2 ．1 其中，w 为岩层挠度，肌；Z 为岩层宽度，聊；甩，％为系数。。 张力S 为 趾嵩扣2 泣2 ， 其中，E 为岩层弹性模量，彪％肛为岩层泊松比；办为岩层厚度，聊S 为岩层张力， 翻％2 。 最大挠度是在跨度的中点，由式 2 ．1 可以得到 一2 蠹铲2 c 驾争，喜志 眩3 ， 式 2 ．3 中级数的和 9 辽宁工程技术大学硕士学位论文 于是 喜杀‰ 嘉旷志协半，。惫”2 胛2 ∞8 ∥r 丌如”⋯2 7 一毪笋”志t a n 竽，击 2 ．4 2 ．5 由式 2 ．5 可知巷道跨度z 的四次方与巷道最大挠度w 成正比，可以得出，巷道产生弯 曲变形的难易程度取决于巷道宽度的大小，顶板也会因巷道弯曲变形产生的张应力而更加 容易破坏。 2 巷道高度与煤帮稳定性的关系分析 弹塑性变形分布区决定了煤帮煤柱的稳定性。通常地，煤帮煤柱从边缘到内部将逐步 出现片帮区、松弛区、塑性区以及应力升高的弹性区。因片帮区的煤柱为松动塌落状态， 仅可以传递水平应力，不再承受垂直压力；松弛区内的煤柱强度明显降低，可承受低于原 始应力的载荷，且发生明显的位移；塑性区与应力升高的弹性区合在一起成为承载区，承 受着高于原始应力的载荷。而应力升高的弹性区之外一般都被称为塑性区，所以，巷道的 稳定与否取决于煤帮塑性区的大小【1 2 1 。 煤柱稳定性分析的一项必不可少的内容就是煤柱塑性区的计算，通过研究，学者们提 出了很多计算