巷道支护混凝土潮式喷射喷头优化设计及实验研究.pdf

分类号分类号 TD353 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 巷道支护混凝土潮式喷射喷头优化设计巷道支护混凝土潮式喷射喷头优化设计 及实验研究及实验研究 王王 飞飞 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名陈陈 连连 军军 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七年一七年六月六月 万方数据 论文题目论文题目 巷道支护巷道支护混凝土潮式喷射喷头优化设计混凝土潮式喷射喷头优化设计 及实验研究及实验研究 作者姓名作者姓名 王王 飞飞 入学时间入学时间 2014 年年 09 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山灾害预测与防治矿山灾害预测与防治 指导教师指导教师 陈陈 连连 军军 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 OPTIMUM DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY OF NOZZLE USED FOR HALF WET SHOTCRETE IN JETTING CEMENT SUPPORT TECHNOLOGY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Wang Fei Supervisor Associate Professor Chen Lianjun College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，，除所列参考文献和世所公除所列参考文献和世所公 认的文献外认的文献外，，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。。除文中已经除文中已经 标明引用的内容外标明引用的内容外，，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果究成果。。对本文的研究做出贡献的个人和集体对本文的研究做出贡献的个人和集体，，均已在文中以明确方式标明均已在文中以明确方式标明。。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。。 若有不实之处若有不实之处，，本人愿意承担相关法律责任本人愿意承担相关法律责任。。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留本人完全了解山东科技大学有关保留、、使用学位论文的规定使用学位论文的规定，，同意本人所同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。。 作为申请学位的条件之一作为申请学位的条件之一，，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版指定机构送交论文的电子版和纸质版；；有权将学位论文的全部或部分内容编入有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表有关数据库发表，，并可以以电子并可以以电子、、网络及其他数字媒体形式公开出版网络及其他数字媒体形式公开出版；；允许学允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，，可以使用影印可以使用影印、、缩印或扫缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文描等复制手段保存和汇编学位论文；；为教学和科研目的为教学和科研目的，，学校档案馆和图书馆学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、、图书馆等场所或在校园网上供校内图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读师生阅读、、浏览浏览。。 （（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）） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限在规定的学习年限内内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习完成了课程学习，，成绩合格成绩合格，，修满规定学分修满规定学分；；在我的指导下完成本学位论文在我的指导下完成本学位论文，， 论文中的观点论文中的观点、、数据数据、、表述和结构为我所认同表述和结构为我所认同，，论文撰写格式符合学校的相关论文撰写格式符合学校的相关 规定规定，，同意将本论文作为申请学位论文同意将本论文作为申请学位论文。。 导师签名导师签名 日日 期期 Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 针对煤矿巷道的工程背景，坚持机具改革、材料优选与工艺优化相结合的 方法，综合运用现场调研、数值分析、实验测定和工程应用等多种手段，研究 满足煤矿井巷行业标准、规范要求的科学、安全、高效的矿用喷射混凝土支护 技术体系 针对巷道支护喷射混凝土回弹高、粉尘浓度大的核心技术问题，确定影响 喷射效果的喷头结构三因素入水口数量、入水口角度、混合区段长度，采用 正交实验设计方法得到符合结构参数的九种新型喷头设计，通过采用 FLUENT 软件对设计得到的九种新型喷头模型进行流场数值模拟， 分析气-液-固三相流在 喷头处体积分数、速度、压力变化情况，确定三因素对喷射效果的影响程度， 得到效果最优的新型喷头模型。 根据相关标准要求，结合煤矿条件和推链式混凝土喷射机具特点，从材料 优选、配比质量的角度研究确定了新型喷头效果检测实验混凝土配比。通过效 果检测实验数据分析，从回弹率、抗压强度两方面与现有普通喷头效果进行对 比，实验结果证明新型喷头在减尘降弹方面效果优异。利用考虑作业条件的回 弹率测定方法作为喷射参数的判断标准，研究工作风压、工作水压、喷射距离、 喷射角度、初喷厚度等潮式喷射工艺参数对喷射过程回弹率的影响程度，最终 确定施工工艺最优参数，为巷道支护潮式喷射混凝土技术在矿山行业的推广提 供理论基础。 通过研究围岩稳定性判定方法，完善煤矿巷道混凝土分区支护技术，将现 场煤矿巷道试验段按照围岩稳定性分为三个区域，根据各分区对喷层要求进行 支护。通过对巷道支护混凝土潮喷技术施工效果的现场测定，检测结果表明采 用新型喷头减少了物料回弹，降低了锚喷工作面粉尘浓度，提高了喷射质量， 为矿工创造了良好的工作环境，有力促进了巷道支护混凝土潮式喷射技术在煤 矿行业的推广和应用。 关键词关键词喷射混凝土，潮式喷射，喷头，数值模拟，分区支护 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT According to the engineering background of coal mine roadways, the demands for machine re, material optimization and process improvement are increasing. Therefore, it is necessary to develop the scientific, safe and efficient mining technology for mine shotcrete support system that could meet the requirements of industry standards and specifications. By means of field investigation, numerical analysis, experimental determination and engineering application, such a system was studied in this dissertation. The design of nozzle influenced the perance. Based on the core issues of high rebound and high dust concentration in shotcrete, this study determined three structural factors that could influence the spraying perance, which are, the number of inlet, the inlet angle and the length of the mixing section. Nine types of new nozzles were designed based on a series of orthogonal experiments. In order to explore the effects of these three factors on the spraying perance, the numerical simulation of the flow field in the nine new nozzles was carried out by using FLUENT software. The volume fraction, velocity and pressure of the gas-liquid-solid phase flow in the nozzle were analyzed, and the movement of air, water and mixture were obtained. According to the relevant standard requirements, coal mine conditions and the characteristics of push-type concrete spray machine, this study determined the mine jet mix concrete ratio from the perspective of material selection and the proportion of quality. Through the new effect tests, the perance of rebound and compressive strength of new nozzles were compared with the regular ones in domestic wetting jet, the results show that the perance of the new 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III nozzles is better at reducing ducks and rebounds.In addition, based on the orthogonal experiment and synthesis analysis, the measurement of rebound based on real working conditions was used to describe the spraying perance. Effects of diverse technological parameters including the working wind pressure, working water pressure, jet distance, spray angle and initial spray thickness on the rebound during spraying process were determined, and based on which the optimal parameters of the shotcrete construction process were obtained. These findings provide theoretical basis for the popularization of half wet shotcreting technology in the mining industry. Through the on-the-spot measurement of the half wet shotcreting technology effects on the construction technology, it is proved that the technology and process of the half wet shotcreting technology are in line with the actual needs of the coal mine. The coal mine roadway is divided into three zones according to the stability of the surrounding rock. Different concrete compartments are designed for jet support, and the construction effect is tested. It is found that the new nozzle reduces the material rebound and improves the spray quality. Therefore, the half wet shotcreting technology creates a good working environment for the miners and has the potential to be widely applied in coal mine industry. Keywords shotcrete; half wet shotcreting technology; nozzle; numerical modeling; zone support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要........................................................................................................I 目目 录录.....................................................................................................IV 1 绪论绪论.....................................................................................................1 1.1 课题提出 .....................................................................................................1 1.2 喷射混凝土技术发展现状与趋势 .............................................................2 1.3 喷头国内外研究现状 .................................................................................8 1.4 课题研究内容及技术路线 .......................................................................11 2 喷射混凝土喷头仿真模拟喷射混凝土喷头仿真模拟...............................................................14 2.1 喷头结构及新型喷头设计 .......................................................................14 2.2 喷头流场内混合流体建模 .......................................................................16 2.3 喷头内流场模拟及结果分析 ...................................................................21 2.4 喷头外流场模拟结果分析 .......................................................................32 2.5 本章小结 ...................................................................................................36 3 潮喷混凝土材料配比及新型喷头效果检测潮喷混凝土材料配比及新型喷头效果检测..................................37 3.1 原材料优选 ...............................................................................................37 3.2 材料配合比研究 .......................................................................................38 3.3 新型喷头效果检测实验 ...........................................................................41 3.4 本章小结 ...................................................................................................51 4 喷射混凝土技术及工艺参数研究喷射混凝土技术及工艺参数研究 ..................................................52 4.1 潮式喷射混凝土技术 ...............................................................................52 4.2 喷射工艺参数实验设计 ...........................................................................53 4.3 综合评定实验结果分析 ...........................................................................56 4.4 本章小结 ...................................................................................................58 5 潮式喷射混凝土分区支护研究与工程应用潮式喷射混凝土分区支护研究与工程应用..................................59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.1 工程概况 ...................................................................................................59 5.2 喷射混凝土分区支护技术 .......................................................................62 5.3 潮式喷射混凝土技术工程应用 ...............................................................66 5.4 本章小结 ...................................................................................................72 6 结论及展望结论及展望.......................................................................................73 6.1 本文主要结论 ...........................................................................................73 6.2 本文创新点 ...............................................................................................74 6.3 不足与展望 ...............................................................................................74 参考文献参考文献.................................................................................................76 致致 谢谢.....................................................................................................81 攻读攻读硕硕士期间主要成果士期间主要成果.........................................................................82 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Content VI Content 1 Introduction...............................................................................................................1 1.1 Background .......................................................................................................................1 1.2 Current Situation and Development Tendency of Shotcrete Technology..........................2 1.3 Researches overview about Nozzle...................................................................................7 1.4 Research Contents and Technical Routes.........................................................................11 2 Numerical Modeling and Optimization of Nozzle for Shotcrete Technology........14 2.1 Structure and Design of Nozzle........................................................................................14 2.2 Physical Model and Boundary Conditions.......................................................................16 2.3 Flow Field Simulation Inside Nozzle...............................................................................21 2.4 Flow Field Simulation Outside Nozzle ............................................................................32 2.5 Summary of The Chapter .................................................................................................36 3 Material Ratio of Half Wet Shotcreting and Perance Testing of New Nozzle......................................................................................................................37 3.1 Selection of Materials.......................................................................................................37 3.2 Material Mix Proportion Study.........................................................................................38 3.3 Experiments on the New Nozzle......................................................................................41 3.4 Summary of the Chapter...................................................................................................51 4 Study on Process Parameters of Half Wet Shotcreting Technology ..................52 4.1 Half Wet Shotcreting Technology Analysis......................................................................52 4.2 Experiments on Half Wet Shotcreting Technology...........................................................53 4.3 Analysis of Experiment Results .......................................................................................56 4.4 Summary of the Chapter...................................................................................................58 5 Application for Half Wet Shotcreting Technology Based on the New Nozzles...59 5.1 Geologic Conditions.........................................................................................................59 5.2 Zone Support Design for Shotcreting...............................................................................62 5.3 Practical Application Tests ...............................................................................................66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Content VII 5.4 Summary of the Chapter...................................................................................................72 6 Conclusions and Prospect .......................................................................................73 6.1 Main Conclusions of the Paper.........................................................................................73 6.2 Innovations of the Paper...................................................................................................74 6.3 Research Prospect.............................................................................................................74 References.......................................................................................................................76 Acknowledgement..........................................................................................................81 Main Achievement of the Author During Working on Master Paper.......................82 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题提出课题提出 我国作为产煤大国，煤炭年开采量及消耗量在世界均居第一位，据2016 年国民经济和社会发展统计公报数据统计显示[1]，2016 年我国原煤产量达到 34.1 亿吨，煤炭消耗量占能源消费总量的 62，每年大量的新掘巷道需要进行 临时支护与后期维修。自“新奥法（NATM）”提出以来，尤其是近 30 年，锚 喷支护技术或单纯的喷射混凝土技术在矿山巷道掘进工程中作为临时或永久支 护得到了广泛应用与发展，在防止片帮、保证顶板安全的技术中起到关键作用。 喷射混凝土工艺是锚喷支护作业中最普遍最重要的工序之一，除选取合适 的锚杆材料和长度外，喷射混凝土工艺决定着锚喷支护工艺的质量与造价。多 年以来我国煤矿井巷锚喷支护技术一直采用较为落后的干喷工艺，虽然干喷工 艺简单、施工布置灵活，但是其也存在着诸多问题，最严重的一点就是产生较 大回弹。其一方面造成了原材料的浪费，另一方面也