松软厚煤层采区巷道注浆加固及支护技术研究.pdf

万方数据 TD353 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 松软厚煤层采区巷道注浆加固及支护技术研究 专 业岩土工程 硕 士 生刘 伟 指导教师韩晓雷 教授 摘 要 注浆加固是土木工程中常用的岩土体加固技术。随着注浆材料及注浆工艺的 进步，新型注浆加固技术及其工程运用研究也愈加受到重视。本文以韩城矿业公 司下峪口煤矿为工程依托，开展高渗透性早强注浆材料的注浆工艺、注浆参数、 煤体加固效果及应用研究，对矿山生产与安全具有重要意义。 为了找到适合松软厚煤层的注浆加固材料，从注浆理论、注浆材料、注浆技 术和支护方式等方面，对巷道周围的煤岩体进行室内试验、地面模拟注浆试验和 井下注浆试验。 理论探究首先分析了下峪口煤矿煤田的形成过程；其次对 Maag 渗透注浆理 论进行了补充修正， 分析了注浆压力对于渗透注浆的影响； 再次基于弹塑性理论， 推导了劈裂注浆的启劈压力的求解方法；估算出了下峪口煤矿 21308 巷道的松动 圈范围； 最后依据煤岩体裂隙发展机理， 推测出裂隙条数与裂隙宽度的大致关系， 并据此关系对灌注系数的合理性进行了验证。室内试验对不同密度下的煤与 聚氨酯搅拌后进行了无侧限抗压强度试验，发现聚氨酯对于煤岩体有很大的胶结 作用；同时为了工程应用，还对用于充填的水泥-黄土浆液进行了无侧限抗压强度 试验。地面模拟试验通过自制的煤体注浆加固装置，进行了地面模拟注浆试验， 计算分析了密闭空间下的煤体注浆加固的可行性。井下试验通过多次井下注浆 试验，得到了合适的注浆加固封孔及管路设计方案，并对现阶段的注浆加固方案 进行了优化；根据锚杆拉拔试验结果，叙述了现行支护方式的一些不足，并提出 了巷道加固的初步方案。 关键词关键词Maag 渗透注浆理论 灌注系数 劈裂注浆 聚氨酯 支护方式 万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 Study on soft thick coal roadway grouting and supporting technology Specialty Geotechnical Engineering Name Liu Wei Instructor Prof. Xiao-lei Han ABSTRACT Grouting of rock and soil reinforcement technology is commonly used in civil engineering. With the development of grouting materials and grouting technology, a new research of grouting technology and its engineering application cause concern. This paper takes Xiayukou mine of Hancheng mineral company as engineering background, carrying out research of high permeability effect and application of grouting technology, grouting parameters of early strength grouting material, which has a great significance to the mine production and safety. In order to find a suitable soft thick seam grouting materials, this essay from the prospective of grouting theory, grouting material and grouting technology to conduct laboratory test and coal seam grouting simulation test with the propose of seeking the grouting reinforcement material for the soft coal roadway. Theoretical research Firstly it analyzes the ation process of Xiayukou coal mine; Secondly it revises the Maag permeation grouting theory and analyzes the effect of grouting pressure of permeation grouting; Thirdly according to the elastic-plastic theory, it studies the of solving split pressure of split grouting and estimates the range of the loose ring in Xiayukou 21308 coal mine roadway; Finally, on the basis of coal rock crack development mechanism, it infers the relationship between the amount of crack and crack width, and verifies the rationality of the filling coefficient. Laboratory test According to the unconfined compression strength test of coal-polyurethane mixture of different densities, it finds polyurethane has a good ability to glue coal and rock together; At the same time, conducting the unconfined compression strength test of cement-clay slurry in order to support practical engineering.The ground simulation test Through self-development grouting 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 reinforcement device, analyze the feasibility of coal grouting reinforcement calculation in the confined space. It also finds the significance of water injection test in grouting engineering.The underground test Through a number of underground grouting tests, possess the ways of sealing grouting hole and the suitable scheme of pipe design and the reinforcement scheme is optimized; According to the results of pull-out tests, describe the current insufficient of some present support means and put forward the preliminary scheme of roadway reinforcement. Keywords Maag permeation grouting theory; Filling coefficient; Splitting grouting; Polyurethane; Support means 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 I 目录 1 绪论绪论 ................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 .................................................................................................1 1.2 研究目的和意义 ......................................................................................1 1.3 国内外研究现状 ......................................................................................2 1.3.1 注浆理论发展现状 .......................................................................2 1.3.2 注浆材料发展现状 .......................................................................4 1.3.3 巷道支护发展现状 .......................................................................6 1.4 研究内容和研究线路 ..............................................................................7 1.4.1 研究内容 .......................................................................................7 1.4.2 研究线路 .......................................................................................8 2 注浆理论注浆理论 ............................................................................................................ 9 2.1 浆液的流变性及分类 ..............................................................................9 2.2 Maag 渗透注浆理论修正及补充........................................................... 11 2.2.1 传统 Maag 渗透理论 .................................................................. 11 2.2.2 Maag 渗透注浆理论的补充 ........................................................ 12 2.2.3 渗透注浆分析 ............................................................................. 14 2.3 基于弹塑性理论的岩土体劈裂注浆分析 ............................................. 15 2.3.1 岩土体劈裂注浆分析 ................................................................. 15 2.3.2 岩土体劈裂注浆计算分析 .......................................................... 16 2.3.3 各类岩土体劈裂破坏情况 .......................................................... 19 2.4 压密注浆分析 ....................................................................................... 19 2.5 注浆加固效果的评价指标 .................................................................... 19 2.6 本章小结 ............................................................................................... 20 3 注浆材料室内试验及模拟试验研究注浆材料室内试验及模拟试验研究 ............................................................... 21 3.1 常见的无机胶凝材料 ........................................................................... 21 3.1.1 常见注浆材料的胶凝试验 .......................................................... 21 3.1.2 无机胶凝材料对于煤的胶凝作用分析 ...................................... 24 3.1.3 渗透注浆过程中的过滤效应 ...................................................... 24 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.2 聚氨酯浆材 .......................................................................................... 24 3.2.1 聚氨酯浆材简介 ........................................................................ 24 3.2.2 聚氨酯浆材的化学反应 ............................................................. 25 3.2.3 聚氨酯注浆材料的特征及常见外加剂 ...................................... 27 3.2.4 聚氨酯胶结煤的试验及分析 ..................................................... 27 3.2.5 聚氨酯的胶结作用分析 ............................................................. 32 3.2.6 聚氨酯和煤的胶结体的破坏分析 ............................................. 33 3.2.7 聚氨酯和煤的胶结体的 FS 曲线分析 ................................... 33 3.3 地面模拟注浆试验 ............................................................................... 34 3.3.1 模拟试验装置及步骤................................................................. 35 3.3.2 模拟试验内容及分析................................................................. 36 3.3.3 胶结材料对于煤的胶结效果 ..................................................... 38 3.3.4 注水试验 .................................................................................... 38 3.4 水泥-黄土浆液 ..................................................................................... 39 3.4.1 试验准备及步骤 ........................................................................ 39 3.4.2 水泥-黄土浆的无侧限抗压强度分析 ........................................ 40 3.4.3 水泥-黄土浆液凝结机理 ........................................................... 42 3.4.4 水泥-黄土浆液凝结过程中含水率的变化 ................................ 43 3.5 本章小结 .............................................................................................. 44 4 井下注浆试验及支护方式探讨井下注浆试验及支护方式探讨 ....................................................................... 47 4.1 工程地质概况 ...................................................................................... 47 4.2 煤岩体裂隙 .......................................................................................... 49 4.2.1 煤岩体裂隙特征 ........................................................................ 49 4.2.2 裂隙对煤层巷道围岩的影响 ..................................................... 50 4.2.3 裂隙对煤层巷道注浆的影响 ..................................................... 50 4.3 井下注浆试验 ....................................................................................... 51 4.3.1 试验操作流程 ............................................................................ 51 4.3.2 注浆封孔方法 ............................................................................ 53 4.3.3 井下煤层巷道注浆试验 ............................................................. 53 4.3.4 井下煤层巷道注浆试验中的问题分析 ...................................... 54 4.4 21308 巷道松动圈的估算 .................................................................... 55 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 III 4.5 21308 巷道支护方式探讨 ..................................................................... 57 4.5.1 锚杆拉拔试验 ............................................................................. 57 4.5.2 21308 煤层巷道现行支护方式 ................................................... 59 4.5.3 21308 煤层巷道初步支护方式 ................................................... 60 4.6 本章小结 ............................................................................................... 62 5 结论与展望结论与展望 ...................................................................................................... 63 5.1 主要结论 ............................................................................................... 63 5.2 展望 ....................................................................................................... 63 参考文献参考文献............................................................................................................. 65 致谢致谢 .................................................................................................................... 71 万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 本章主要论述软弱煤层注浆加固的必要性和应用前景，分析目前松软煤层现 有的加固、支护方式及急需解决的问题。对国内外注浆理论的发展及其应用进行 分析，并重点分析注浆机理及注浆材料在软煤岩中的应用前景，确定本文研究内 容和研究线路。 1.1 研究背景 韩城矿业公司所属桑树坪煤矿、下峪口煤矿、象山煤矿等矿山煤质松软、采 区巷道维护困难，经常发生冒落塌方事故，严重影响矿山生产安全和正常生产。 是各矿山共同面临的技术瓶颈。处理冒落事故需要耗费大量木材来填充冒空区， 除需耗费大量建设资金外，更无谓消耗国家最为宝贵的森林资源，给企业和国家 造成巨大损失。基于矿业公司各煤矿所面临的这一共同生产技术难题和生产现状， 问计于科学研究，开发高渗透性材料加固松软煤体技术，并在此基础上创新采区 巷道支护技术，是韩城矿业公司生产上台阶、增效增收、减少不安全事故发生频 率的必由之路。 深部软煤岩巷道支护问题一直是影响煤矿安全高效生产的重大技术难题，近 年来，深部软煤岩巷道支护手段已呈现主被动支护并举，单一支护向联合、耦合 支护转变的趋势。但仍有大量深部软煤岩巷道不断陷入“前掘后修” 、 “屡修屡坏” 的恶性循环，不仅巷道综合维护成本成倍增高，而且严重影响矿井安全生产。其 原因在于，现有支护技术大多注重提高支护体的强度和刚度而忽略支护形成的承 载结构的结构稳定性。因此，单纯依靠提高支护体的强度和刚度，很难从根本上 解决深部软煤岩巷道所面临的问题。在已有的基础上，探索新的注浆加固、支护 方式，从根本上提高煤岩的力学参数，促使煤岩在总个支护体中也能发挥自身作 用。 1.2 研究目的和意义 开展本项研究的首要目的是解决韩城矿业公司所属各煤矿生产和安全共同面 临的重大技术难题。主要研究内容分为两个方面其一是研发一套方便施工、相 对经济实用、高强高效的高渗透性材料加固松软煤层技术，并形成施工工法，通 过高强度高渗透性注浆介质的介入，从根本上改变原有破碎松软煤体的力学性态， 提高其自稳能力，为其他支护措施和手段的实施奠定良好的基础；其二是开发设 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 计一套能够适用综放开采沿空留巷的支护体系，使之能在韩城矿业公司各下属煤 矿取得工业性应用。 韩城矿业有限公司各矿山均属软弱煤质，巷道安全事故频发、巷道维护维修 任务繁重，耗材耗资巨大，维护工作费时费力、严重影响矿山安全和正常生产。 研究松软煤体加固技术以及与之相匹配的巷道支护技术是提高企业生产效率和提 高矿山采区巷道安全等级的重大课题和技术关键。 松软煤体裂隙发育、 煤质松软， 靠自身强度无法抵抗采区巷道压力作用、保证采区巷道安全稳定，并经常诱发冒 落塌方事故。而煤体中的裂隙又为外部介质的注入提供了渗透途径。高渗透性高 强度材料注浆加固松软煤体的技术可以从根本上改变煤体的力学参数，大大提高 煤体的强度和自稳能力，再辅以其他支护手段，可以极大提高采区巷道的安全等 级，减少甚至消除大型冒落事故的发生，为矿山安全和生产提供良好保障。该项 目的实施可以从根本上改变韩城矿业公司各矿山采区巷道的安全现状，极大降低 采区巷道不安全事故的发生频率；该项目的实施可以大幅降低采区巷道的维护维 修费用，免除不必要的维护维修作业，节约大量劳动力成本和材料成本；该项目 的实施还可以免除部分临时支护工程环节，提高生产效率，降低生产成本；该项 目的意义不仅局限于韩城矿业有限公司煤矿生产，将会对整个煤矿生产与煤矿安 全产生巨大推动作用。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 注浆理论发展现状注浆理论发展现状 注浆技术已有 200 年的发展历史，19 世纪初，法国土木工程师 Charles Bering 采用注浆技术修复被水侵蚀了的砂砾土地基，这是在岩土工程历史上第一次应用 注浆技术[1]。 英国于 1864 年在阿里因普瑞贝首次用水泥注浆对井筒进行注浆堵水， 成功地解决了井筒漏水问题，发明了硅酸盐水泥[2]。化学浆液用于固砂是在 1884 年，由英国的 Hosagood 在印度建桥时首次采用[1]。自此，注浆技术在岩土工程中 运用越来越广，与之适应的注浆材料也越来越丰富。 我国注浆技术的研究和应用较晚，50 年代初才开始起步，但经过 40 多年的发 展，我国已在注浆技术方面取得了较大进展，特别是在水泥注浆材料的研制方面 己处于世界先进行列，注浆应用的领域也逐渐扩大，已遍及水利、建筑、铁路和 矿业等多个领域[2]。 Maag （1935）首先推导出浆液在砂层中的渗透公式，它至今仍被广泛采用[3]。 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 法国工程师 H.Dracy（1856）对均匀砂进行了大量渗流试验，得出了层流条件下， 土中水渗流速度与水头损失之间的渗流规律（达西定律）[4]。在 Darcy 定律试验以 后的时间里，J.ohde、巴普洛夫斯基、伊兹巴什、J.v 纳给、G 卡拉地、Faneher、 Lindguist、Kling、夏迪格、Orming、Wright 等研究者在量纲分析、水力半径理论、 毛细管模型、 孔隙平均直径模型、 统计模型等方面的研究成果， 进一步阐明了 Darcy 定律的物理意义， 并且公认， 是 Darcy 首次建立了渗透水流在土体中流动的速度、 水力坡降和土的性质三者之间的关系，把渗透水流的流速与渗透势能联系在一起， 揭示了渗透水流得本构关系[60]。Darcy定律为渗流的理论研究和发展奠定了基础[5]。 郝哲、王介强等人（2001）研究了有关渗透注浆的裂隙单向流、裂隙辐向流、裂 隙岩体扩散及多孔相互影响问题，得出了一些有价值的岩体渗透注浆统一理论公 式[6]。韩晓雷、徐生玉等人（2012）采用化学浆液渗透技术成功加固了韩城矿业公 司下峪口煤矿皮带平硐粉细砂层[7]。 压密注浆起源于美国，已有 40 多年的应用历史，主要适用于加固渗透较好砂 土和黏土[61]。张忠苗、包风等人（2000）针对密实砂、超固结土，运用孔扩张理 论进行注浆理论分析，在加载条件满足时，其产生塑性流动，直至结构破坏，压 密注浆变为劈裂注浆[8]。王广国、杜明芳等人（2000）基于压密注浆机理研究及效 果检验，得出压密注浆的影响半径仅与被加固土体的刚度比 u E C 和注浆孔的直径 有关[9]。 赵善禄 （2005） 采用压密注浆加固技术， 成功加固了高邮汪家巷软地基[10]。 邹金锋、李亮等人（2006）根据注浆过程中能耗区土体在注浆压力和静止土压力 作用下的应力、应变和体变关系以及注浆扩孔过程中的能量和体变守恒原理，推 导出压密注浆极限注浆压力的理论解答[11]。 劈裂注浆是目前运用最广发的一种注浆理论，也是研究成果最多的一种注浆 机理。水力劈裂法自 1947 年在美国首次应用于油气井的增产以来，广泛应用于岩 土工程等其他领域[12]。邹金锋、李亮等人（2006）注浆能量分析，推导出劈裂注 浆的初始启劈注浆压力求解公式[13]。龚晓南、王哲等人（2005）探讨了劈裂注浆 容许注浆压力的设计方法，并劈裂注浆法对运营中的黑龙江滨绥铁路进行了软土 地基处理[14]。张忠苗、邹健（2008）在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上， 推导出了劈裂注浆时浆液流速、 流量、 注浆压力差、 最大扩散半径的计算公式[15]。 孙锋、张顶立等人（2012）基于宾汉体流变方程和平板裂缝理想平面流模型，推 导了考虑流体时变性的土体劈裂注浆扩散半径计算公式[16]。李术才、张伟杰、张 庆松等人（2014）基于广义宾汉体浆液本构方程，建立了优势劈裂注浆扩散模型， 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 获得考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程[17]。 1.3.2 注浆材料发展现状注浆材料发展现状 早在 1802 年法国工程师 Charles Brigny 成功地利用灌浆技术将粘土浆压入地 层。此后粘土灌浆、水泥灌浆一直占据着主导地位。直到 1887 年 Jeziorsky 发明了 化学灌浆双液浓硅酸钠化学灌浆，化学灌浆才大大发展起来[19]。注浆技术通 过几百年的发展，各种注浆工艺、注浆设备及注浆材料取得了巨大的进步。其中， 注浆材料的性能是关乎注浆成功与否最重要影响因素。目前使用最广泛的注浆材 料可分为水泥基注浆材料（纯水泥浆类、水泥黏土类、水泥水玻璃浆类等） 和化学注浆材料（甲基丙烯酸酯类、环氧树脂类、水玻璃类、木质素类、丙烯酰 胺类等） 。具体浆液材料见表 1.1，各浆液的适用范围如表 1.2[18]。 表 1.1 注浆材料的分类 系别 类别 材料名称 无机类 黏土类 水泥类 普通水泥浆液、超细水泥浆液 水玻璃类 复合类 黏土-水泥浆液、水玻璃-水泥浆液、硅粉-水泥浆液、 粉煤灰-水泥浆液、水玻璃-粉煤灰-水泥浆液 有机类 环氧树脂类 聚氨酯类 水溶性聚氨酯浆液、非水溶性聚氨酯浆液 不饱和树脂类 丙烯酰胺类 凝缩拷胶类 木质素类 铬木素浆液、木喃化学浆液、单宁类化学浆液 丙烯酸酯类 聚乙烯醇类 脲醛树脂类 酚醛树脂类 复合类 有机高分子-水玻璃类 水泥是最便宜的灌浆材料。固结性能良好，品种较多，来源容易，无毒性， 不污染环境， 因此是应用最广泛、 用量最大的注浆材料[62]。 董立元和潘石等人 （2000） 在粉煤灰水泥试验中发现硬化体抗压强度，随着浆材中粉煤灰比例的提高而降低， 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 表 1.2 各种浆材适用范围 类别 浆液名称 砾石 砂粒 粉粒 黏粒 大 中 小 粗 中 细 无机系 单液水泥类 水泥黏土类 水泥-水玻璃类 水玻璃类 有机系 丙烯酰胺类 铬木素类 脲醛树脂类 聚氨酯类 糠醛树脂类 粒径/mm 10 4 2 0.5 0.25 渗透系数/cms-1 10-1 10-2 10-3 10-4 随水灰质量比的增大而降低，粉煤灰质量分数为 70～80时，硬化体 28 天抗压 强度大于 1MPa[20]。梁乃兴（2000）对注浆加固心路路基用的水泥浆体从稳定性、 流动度、粘滞度、凝结时间、析水率等方面进行了研究．掺加适量的粉煤灰可增 加浆体的稳定性，外加剂水玻璃可增加浆体的稳定性及结石率，同时时浆体 的流动性有降低作用，而外加剂氯化钙则对浆体的流动性有增强作用[21]。宁宝宽 和刘斌等人 （2005） 在不同 pH 值的水泥土试验中得到， 酸性环境水泥土强度降低， 碱性环境水泥土强度提高[22]。阮文军（2005）通过大量试验证明水泥基浆液的黏 度存在时变性，并得到了部分水泥浆液不同配比的指数分布函数[23]。Peter Persoff 等通过研究在不同 PH 值水中浸泡不同时间后水玻璃-水泥加固土的抗压强度，得 出 PH 值的变化对加固土抗压强度的影响较小的规律[25 、26]。 左如松和朱岩华等人（2003）利用脲醛树脂浆液在兴隆庄煤矿西风井深井井 筒中注浆成功止水[24]。王红喜、张高展和丁庆军等人（2005）利用工业废渣（矿 渣、钢渣、粉煤灰）和水玻璃制备出具有不同凝胶时间、高固结强度和结石率可 达 100的双液注浆材料，并研究结果表明随着水玻璃模数的增加，浆液凝胶时 间先减小后增大，浆液固结强度先增大后减小；随着水玻璃掺量（体积分数）的 增加，浆液凝胶时间保持延长趋势，而固结强度则先增大后减小；随着粉煤灰的 加入，浆液凝胶时间延长[28]。胡安兵和杨敏等人（2005）利用聚乙烯醇为基液研 制出一种新型化学混合浆液， 并浆液的力学性质和粘性进行了试验分析[27]。 Vittorio Manassero 和 Giuseppe Di Salvo（2010）利用新研制了一种化学混