郁山矿软岩大变形破坏巷道修复综合技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目郁山矿软岩大变形破坏巷道修复综合技术研究 英文题目英文题目Study on Breaking large deation of Soft-rock Roadway repair a comprehensive technical inYushan Coal Mine 学位类学位类别别 硕 士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 马垄翔 学号学号201102400 学科学科领领域域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 杨占峰 职称职称教授级高工 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD353 TD353 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名 日期 关于关于学位学位论文使用授权的说明论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文（纸质版和 电子版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在 学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况下，研究生院可以 转授权第三方使用查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名 导师签名 日期 -内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 软岩大变形巷道的有效支护，对实现矿井安全高效生产是一项重要而复杂的技 术难题。尤其对于埋深大的软岩煤矿巷道，在掘进影响期间变形剧烈，而开掘后较 长时间难以稳定、变形量大、在服务期间需多次返修，巷道维护极为困难；另外由 于矿压大、围岩松软破碎等因素，经常诱发片帮和冒顶等事故，安全隐患严重，其 已成为影响我国煤矿安全高效生产的重要问题之一。因此，研究软岩大变形破坏巷 道综合支护技术，具有非常重大的理论意义和工程实践价值。 本文在查阅大量前人研究资料的基础上，对郁山煤矿复杂地质条件下的巷道联 合支护进行大量现场调研；并根据软岩、工程软岩、复杂围岩等参数，结合郁山煤 矿北翼采区-220m 三水平轨道大巷的工程地质特征，确定该巷道属于具有一定膨胀 性的松软复杂围岩巷道。论文针对郁山矿-220m 三水平北翼轨道大巷围岩的变形破 坏特征，运用实验室实验、理论分析和工业性试验等方法，对北大巷围岩变形破坏 机理、主要影响因素及控制技术进行研究；根据软岩巷道支护的原则，并在此基础 上采用分阶段动态加固过程控制原理修复软岩破坏巷道这一思路，对该巷道采用混 凝土反拱锚索锚注马蹄形全封闭 U 型钢可缩性支架联合支护修复破坏巷道的设计 方案；此外，通过对马蹄形 U 型钢支架整体以及各部分进行理论承载能力计算，验 证该支护设计基本参数的合理性，并进行了工业性试验；经工程实践表明，该联合 支护形式有效的控制了矿井北翼轨道大巷的整体变形和破坏，使其能够满足该矿井 正常生产需要，并获得了较好的技术经济效益。 关键词关键词软岩巷道；围岩破坏机理；动态加固；联合支护；修复技术 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Useful supporting for the large deation of soft rock roadways is an import and complex technical problem which is achieve the safe and high-efficiency production process in mine in the whole world. Especially, the soft rock roadways in the deep place, the shape of roadways would be deed intensely during tunneling and maintenance for roadways would be got very difficult, because of at a long time roadways in deep soft rock would be faced the unsteady, lager deation and repair many times in service period after tunneling; in addition, there are due to some others factor just like the lager mine pressure, soft and broken surrounding rock etc, as the result there are exist seriously safety concerns which examples there are often occur spalling and roof falling accidents. This has been become the serious problem that effect the safe and efficiency production in out country. So that researching the technique of combined support for the lager deation in soft rock roadways has the greatest theoretical significance and value of engineering practice． In this paper, according to the lager amount of previous research data, and filed research and exploration about the combined support for the soft rock roadways under the complex geological conditions in Yushan mine, at the same time, there are depend on some coefficients include soft rock, engineering of soft rock and complex surrounding rock, and combine with the engineering geological characteristics of three level track big lane in the 220-m ore district of north area in Yushan mine to determine this roadway is belong to the surrounding rock roadway which has the expansionary soft and complex. The paper is point at the surrounding rock roadway’s broken and deation characteristics of three level track big lane in the 220-m ore district of north area in Yushan mine, and use some good ways consist of the laboratory test, theoretical analysis and industrial test to research the control techniques, the main effected factors and the surrounding rock deation and failure mechanism for the north roadway；According to the principle of soft rock roadway 内蒙古科技大学硕士学位论文 III supporting that adopt this theory as a basis to use the theory of the dynamic reinforcement control process at different stages to repair broken roadways in soft rock; and using this mind as the basis uses concrete inverted arch the Anchor Cable Note horseshoe which is fully enclosed U section steel retractable bracket joint support repair destruction roadway design；Otherwise, through calculating the values of theoretical bearing capacity for horseshoe shape U steel bracket’ whole and separated parts to prove the rationality of basic coefficients for the support design, at the same time, industrial experiments are tested；Through the engineering practice shown that the combined support is useful control deation and broken of the whole roadway in the north mining area and there is enough satisfy the requirement of the normal work at this mining area, and get better technical and economical benefits． KeyKey W WordordSoft rock roadways；The surrounding rock failure mechanism；Dynamic reinforcement；Combined support； Repairing techniques 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................... II 1 绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景及意义 ............................................................................................ 1 1.2 问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.3 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3.1 理论研究现状 .............................................................................................. 2 1.3.2 修复技术研究路线 ...................................................................................... 5 1.4 课题研究方法和主要研究内容 .......................................................................... 11 1.4.1 研究方法 .................................................................................................... 11 1.4.2 主要研究内容 ............................................................................................ 11 1.4.3 研究技术路线 ............................................................................................ 12 2 软岩大变形巷道综述 .................................................................................................... 13 2.1 软岩的定义 .......................................................................................................... 13 2.2 大变形巷道的形成条件 ...................................................................................... 13 2.2.1 大变形巷道的特征 .................................................................................... 14 2.2.2 软岩大变形巷道支护困难分析 ................................................................ 14 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 15 3 北翼轨道大巷围岩变形破坏特征 ................................................................................ 16 3.1 工程地质概况 ...................................................................................................... 16 3.2 巷道技术特征 ...................................................................................................... 17 3.3 巷道变形破坏特征 .............................................................................................. 18 3.4 小结 ...................................................................................................................... 19 4 北大巷围岩变形机理分析 ............................................................................................ 20 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.1 北大巷岩样组分测定 .......................................................................................... 20 4.2 北大巷围岩变形破坏的主要影响因素 .............................................................. 23 4.2.1 岩石物理力学性质 .................................................................................... 24 4.2.2 工程因素 .................................................................................................... 25 4.3 北大巷围岩变形破坏原因分析 .......................................................................... 25 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 26 5 软岩破碎巷道修复原理和思路 .................................................................................... 27 5.1 分阶段动态加固过程控制原理 .......................................................................... 27 5.1.1 分阶段动态加固控制原理的内容 ............................................................ 27 5.1.2 分阶段动态加固技术的优化 .................................................................... 28 5.1.3 注浆加固及组合方式的分析 .................................................................... 28 5.2 北大巷修复思路 .................................................................................................. 29 5.3 小结 ...................................................................................................................... 29 6 北大巷修复方案及参数 ................................................................................................ 31 6.1 北大巷修复方案 .................................................................................................. 31 6.1.1 适当刷大断面预留变形量 ........................................................................ 31 6.1.2 初喷及时封闭围岩提高围岩表面强度 .................................................... 31 6.1.3 背网架设马蹄形 U 型钢可缩性支架 ....................................................... 31 6.1.4 注浆加固维护长期稳定 ............................................................................ 32 6.2 北大巷修复具体参数 .......................................................................................... 32 6.2.1 马蹄形 29U 型钢金属支架、底反拱的理论承载能力计算 ................... 33 6.2.2 马蹄形全封闭式 U 型钢支架参数 ........................................................... 35 6.2.3 底板开挖成反拱结构浇注混凝土并锚注锚索 ........................................ 37 6.2.4 注浆支护参数 ............................................................................................ 38 6.2.5 支架加强锚索 ............................................................................................ 39 6.3 小结 ...................................................................................................................... 40 7 工业性试验 .................................................................................................................... 41 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 7.1 施工工艺过程及要求 .......................................................................................... 41 7.1.1 巷道修复整体施工工艺流程 .................................................................... 41 7.1.2 可缩性 U29 金属支架要求 ....................................................................... 41 7.1.3 锚索高预紧力工艺常规要求 .................................................................... 42 7.2 矿压观测及支护效果 .......................................................................................... 42 7.2.1 观测内容 .................................................................................................... 42 7.2.2 观测方法 .................................................................................................... 43 7.2.3 矿压观测结果 ............................................................................................ 44 7.3 技术经济效益分析 .............................................................................................. 47 7.3.1 直接成本 .................................................................................................... 47 7.3.2 技术经济效果分析 .................................................................................... 48 7.4 小结 ...................................................................................................................... 48 结 论 ............................................................................................................................ 49 参考文献 ............................................................................................................................ 50 在学研究成果 .................................................................................................................... 53 致 谢 ............................................................................................................................ 54 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 煤炭长久以来一直是我国的主要能源，近年来由于浅部资源日益稀少，目前许 多矿井把目光转向了埋深大、开采条件复杂的煤炭资源。据中国煤炭开采近几十年 以来的相关资料统计表明[1,2]，在我国的立井深度以每年 10m 的速度向深部发展，生 产矿井的深度平均年加深 9.3m。随着开采深度的不断增加，深部岩体处于“三高一 扰动”（ 高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈采掘扰动的复杂环境[3,4]，随之发 生的非线性大变形动力现象更为明显，传统的支护手段已难以解决软岩巷道支护所 面临的难题。 软岩巷道掘进与维护普遍存在难度大、安全性差等问题。其巷道变形破坏严重 需多次返修、多次扩刷、多次支护，支护成本高昂，尚不能有效控制围岩变形，前 掘后修（挑底）已成为软岩大变形巷道施工的基本工序。而且维护费用比正常掘进 的巷道每米成本还要高。由于围岩开裂、断面收敛及底鼓严重，巷道开掘后较短时 间内即表现出大范围巷表岩体及支护体离层、悬空，导致生产安全隐患大。 虽然软岩巷道支护理论与技术在近几十年有了较大发展，但因软岩工程地质构 造的复杂性及其理论研究相对滞后，仍有很多难题尚未克服。因此，深入开展软岩 巷道的大变形与稳定控制理论及支护方式等研究迫在眉睫。 1.2 问题的提出问题的提出 郁山煤矿-220m 三水平北翼轨道大巷为矿井主要轨道运输大巷，满足矿井北翼 各采煤炭回采时的通风、行人、运输需要；其服务年限为 29 年。目前，北翼各采区 正处于开拓阶段，北大巷担负着通风、排水、行人和材料运输的作用，对北翼采区 的准备起着重要的作用。 该轨道大巷为穿层巷道，穿过的岩层主要有泥岩、砂质泥岩、硅质泥岩等，岩 石强度低，遇水易软化，地层构造复杂。巷道原支护技术为锚杆金属网U 型钢可 缩性支架等联合支护的方式，断面形状为直墙半圆拱形，断面尺寸为 3.2m 3.3m， 净断面积 10.6m2，锚杆间排距 700mm 700mm，巷段部分地段采用锚索加强支护。 经现场调研发现，该区域部分巷段底臌严重，顶板开裂剥落，尤其巷道两帮底角处 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 发生内移的变形量大，断面收缩非常明显，使北翼各采区开拓延伸工程无法正常进 行。增高了巷道的支护成本和维护费用，并且严重影响了矿井各个生产采区的正常 接替。 从郁山矿总体情况来看，赋存条件相同的巷道均表现为全断面来压，底鼓变形 量大，采用普通锚喷支护形式都不能有效控制巷道变形。维修周期仅为 4～10 个 月，期间两帮移近量高达 1000mm，底臌量超过 500mm。施工后数月内巷道即开始 变形，主要表现为底板鼓起、两帮来压、喷层开裂、棚子搭接处加长、卡缆断裂、 水泥背板多处断裂悬吊、支架腿子扭曲、顶梁尖角变形等，矿压显现十分强烈，已 不能满足通风和运输的要求。因此，保持软岩巷道长期稳定成为郁山矿亟待解决的 重大技术难题。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个重要组成部分，绝大多矿区不同程度地遇 到软弱破碎岩层，支护难度大，其支护问题一直是困扰我国煤炭生产的一个主要问 题[5]。另外由于地质勘查不祥，岩性判断不明，支护方式及参数不合理，导致大量 巷道需要卧底、扩帮、挑顶等返修工作，影响矿井安全高效生产，严重制约煤炭工 业快速发展。 1.3.1 理论研究现状理论研究现状 长期以来，地下工程的设计方法一直沿用适应于地面工程的理论和方法，但是 地下工程所处地质条件的复杂性和特殊性，使其不能够很好的解决地下工程施工中 所遇到的问题，所以寻找解决工程施工中所遇到问题的理论和方法已势在必行，其 大体经历了以下几个阶段 1）20 世纪初的古典压力理论认为[6]上覆岩层的重量 γH 是作用在巷道支护结 构上的主要压力，这种理论在很长的一段时间内被人们认为是正确的，但是随着开 挖深度的增加，古典压力理论在许多方面都与实际不符。 普氏冒落拱理论和太沙基冒落拱理论[7]为代表的松散介质理论认为围岩冒落 拱内松动岩体重量是作用在巷道支护上的主要压力。因为冒落拱内的岩石的重量是 产生支护载荷的主要来源，所以将平衡拱内的围岩作为主要支护对象。这两种理论 的主要区别是在于对冒落拱形态的描述不同，前者认为冒落拱为抛物线形，而后者 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 认为冒落拱的形态为矩形。当岩体破碎其中的节理裂隙比较发育时，在测定岩体的 力学参数时，测量值与实际情况有很大偏差，使计算结果产生误差；而当岩体完 整、强度较大时，其计算结果误差更大。因此，该理论只适用于变形压力小、埋藏 浅且能够形成自然平衡拱的松散地层中。 2）20 世纪 50 年代，随着岩石力学学科的发张，通过弹塑性支护理论对“支护 围岩”共同作用机理系统的分析来解决井下支护中出现的问题，其中最重要的是 Fenner 公式[8]和 Kastner 公式[9]。这一现代支护理论的特点表现在以下三个方面① 对围岩压力的认识，该理论认为围岩不仅仅是支护载荷的来源，并且是主要的承载 结构；②在支护与围岩共同作用体系中，认为支护是为了及时稳定加固围岩，围岩 不再是被动的承载结构，亦是支护结构，属于“支护与围岩共同作用体系”，有效 的控制塑性区扩展，能够充分发挥围岩自身的承载能力，因而减小了支护上的受 力；③在设计方法上，该设计认为作用的荷载是岩体的应力，支护与围岩共同承 载，这一观念的建立，为巷道支护设计提供了重要的理论依据，对指导大变形软岩 巷道支护设计具有重要的意义。 3）20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.V.Rabcewicz（腊布希维茨）在总结前人 经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法， 简称新奥法（NATM）[10,11,12]。该方法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道， 促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚 固的支承环。这一原则用于支护，丰富和发展了岩石力学支护理论，带来认识上的 重大改变，围绕这一思想提出的原则，为软岩巷道支护设计与施工开辟了一条行之 有效的技术途径。新奥法尽管已获得较多的成功，但其物理过程、理论基础并不完 全清楚，如围岩变形机制、巷道支护对象、支护控制围岩变形机制、