回采巷道松软破碎煤层注浆加固技术研究(1).pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 回采巷道松软破碎煤层注浆加固技术研究 专业岩土工程 硕 士 生康渝东 指导教师韩晓雷教授 摘要 注浆加固技术是一门广泛的应用于矿山、铁道、水利、土木工程等各个领域 的实用工程技术 [1]。随着注浆工艺和浆液材料的发展，注浆技术逐渐被大量工程 项目所采用，但其注浆理论发展仍远远滞后于应用。 本文基于韩城矿业公司下属煤矿 3 煤层中下峪口煤矿 1308 工作面、 桑树坪 2 号井 1305 工作所面临的受采动支承压力作用的巷道松弱破碎顶煤支护问题， 开展 注浆加固松软厚煤层相关技术研究。 本文主要研究了基于理想牛顿流体注浆介质假定前提的球状扩散与柱状扩散 条件下的 Maag 渗透注浆理论，用压力水头关系和浆液渗透系数补充完善了 Maag 公式；基于弹塑性理论，分析了岩体裂隙劈裂注浆机理；分析了注浆加固围岩的 机理及被注介质煤体的特征及可注性；通过室内试验，测定了浆液材料的性能， 遴选了注浆材料，确定了注浆材料的基本配方；在地面模拟注浆试验中，设计了 地面模拟注浆装置和注浆方案，优化了注浆工艺流程及注浆管路，形成了基本注 浆加固工艺；在井下注浆试验中，验证了井下注浆方案，研发出了适用于高压注 浆的封闭封孔技术，通过观察注浆后煤体中固结体得到了浆液流动的现象，印证 了煤体裂隙劈裂注浆机理；研发出了实用性强的注浆加固松软破碎煤层技术。 基于上述研究成果，开展了现场工业化试验，对回采巷道顶煤进行了加固， 如期形成了采准工作面的任务。免除了大量的临时支护，避免了顶煤发生冒落、 侧帮等，该技术有效的改善了矿山巷道的安全现状，安全事故发生的概率得到有 效降低，且提高了切眼煤层回采量，具有一定的社会经济效益。 关键词关键词注浆加固；Maag渗透注浆理论；破碎煤体；聚氨酯；支护 西安建筑科技大学硕士学位论文 Study on grouting reinforcement technology of soft and broken coal seam in mining roadway SpecialtyGeotechnical Engineering NameKang Yu Dong Instructor Prof. Xiao-Lie Han ABSTRACT Grouting reinforcement technology is a widely used in mining, railway, water conservancy, civil engineering and other fields of practical engineering technology. With the development of grouting technology and grouting materials, grouting technology is adopted by a large number of projects, but the development of grouting theory is still far behind the application. Based on the Hancheng mining company, a subsidiary of coal mine 3 coal seam in the middle and lower Xiayukou Coal Mine 1308, SangshuPing No. 2 well 1305 work faced by mining roadway supporting pressure of loose broken weak top coal support and carry out grouting reinforcement in soft and thick coal seam related technology research. This paper mainly studies the ideal spherical diffusion Newton fluid grouting medium hypothesis premise and columnar diffusion of Maag under the conditions of permeation grouting theory based on improved Maag ula for pressure head relation and the permeability coefficient of slurry; based on the elastic-plastic theory analysis of fracture grouting mechanism of rock fracture; analysis of rock grouting reinforcement mechanism and note by the medium of coal characteristics and groutability; through indoor test, perance of slurry material was determined, the selection of grouting materials, the basic ula of grouting materials were determined; the ground grouting simulation test, the design of ground simulation device and Grouting grouting scheme, optimizing the grouting process and grouting pipe ing the basic of grouting technology in underground drilling; test, verify the underground grouting scheme, developed for high pressure grouting sealing sealing technology, By observing the grouting in the coal body in the consolidation of the 西安建筑科技大学硕士学位论文 phenomenon of slurry flow, confirms the rock mass fracture splitting grouting mechanism; developed a strong practical grouting reinforcement soft broken seam technology. Based on the above research results, the industrial application of the field is carried out, and the top coal of the mining gateway is strengthened, and the task of the working face is ed on schedule. Avoid a large number of temporary support protection, avoid the top coal roof falls, side help, etc., the technology improve the safety status of the mine roadway, the probability of safety accidents get effectively reduce and improves the cutting hole coal mining, has certain social and economic benefits. Keywords Grouting reinforcement; Maag penetration grouting theory; broken coal body; polyurethane; support 西安建筑科技大学硕士学位论文 I 目录目录 1 绪绪 论论...........................................................................................................................1 1.1 引言..................................................................................................................1 1.2 研究的目的及意义........................................................................................1 1.3 国内外研究现状............................................................................................2 1.3.1 注浆技术理论发展概况....................................................................2 1.3.2 注浆材料发展概况............................................................................3 1.3.3 巷道注浆加固现状............................................................................5 1.4 研究内容、方法及技术路线.......................................................................5 1.4.1 研究内容、方法.................................................................................5 1.4.2 研究路线.............................................................................................6 1.5 注浆理论基础.................................................................................................6 1.5.1 煤体介质的可注性理论....................................................................6 1.5.2 浆液流变性.........................................................................................7 1.5.3 粘性流体.............................................................................................8 1.5.4 塑性流体.............................................................................................9 1.5.5 粘塑性流体.......................................................................................10 1.5.6 粘时变流体.......................................................................................10 1.6 渗透注浆理论...............................................................................................11 1.6.1 球面扩散公式...................................................................................11 1.6.2 柱面扩散公式...................................................................................13 1.6.3 Maag 渗透注浆理论推导................................................................ 13 1.7 劈裂注浆理论.............................................................................................. 15 1.7.1 劈裂注浆过程及力学分析.............................................................15 1.7.2 岩体裂隙的劈裂注浆......................................................................18 1.7.3 劈裂注浆分析...................................................................................19 1.8 巷道注浆加固机理......................................................................................19 1.8.1 影响巷道围岩围岩稳定因素.........................................................20 1.8.2 注浆加固巷道围岩分析..................................................................21 1.8.3 注浆浆液固结形成网络骨架.........................................................22 西安建筑科技大学大学硕士学位论文 II 1.8.4 注浆对巷道围岩松动圈的影响.....................................................23 1.8.5 注浆对于围岩的其他作用.............................................................23 1.8.6 注浆对锚杆受力状态的影响.........................................................23 1.9 本章小结.......................................................................................................23 2 注浆材料选取及模拟试验注浆材料选取及模拟试验.....................................................................................25 2.1 注浆材料的分类和评价.............................................................................25 2.1.1 注浆材料的分类.............................................................................. 25 2.1.2 浆液材料性能评价..........................................................................26 2.2 水泥黄土浆液..........................................................................................27 2.2.1 水泥黄土浆液水化反应机理.....................................................28 2.2.2 浆液试验...........................................................................................28 2.2.3 试验结果分析...................................................................................29 2.3 聚氨酯浆液...................................................................................................32 2.3.1 聚氨酯简介.......................................................................................32 2.3.2 聚氨酯性质.......................................................................................33 2.3.3 聚氨酯固结体强度..........................................................................34 2.4 地面模拟注浆试验......................................................................................36 2.4.1 试验设备简介...................................................................................36 2.4.2 试验步骤...........................................................................................36 2.4.3 注浆模拟实验过程及分析...........................................................37 2.5 本章小结.......................................................................................................39 3 井下注浆加固试验及应用井下注浆加固试验及应用.....................................................................................41 3.1 下峪口井下注浆试验..................................................................................41 3.1.1 工作面位置及概况..........................................................................41 3.1.2 现场情况调研...................................................................................42 3.1.3 试验设备及工具简介......................................................................44 3.1.4 注浆步骤...........................................................................................45 3.1.5 井下注浆试验数据..........................................................................46 3.1.6 试验分析...........................................................................................47 3.2 桑树坪井下工业化试验.............................................................................47 3.2.1 项目概况...........................................................................................47 西安建筑科技大学硕士学位论文 III 3.2.2 现场调研...........................................................................................50 3.2.3 加固方案...........................................................................................50 3.2.4 加固情况...........................................................................................54 3.2.5 效益对比...........................................................................................56 3.2.6 工作效率对比...................................................................................56 3.3 本章小结.......................................................................................................57 4 厚煤层采区巷道废渣填充箱砼置厚煤换初步技术方案厚煤层采区巷道废渣填充箱砼置厚煤换初步技术方案.................................59 4.1 技术方案.......................................................................................................59 4.2 总结............................................................................................................... 63 5 结论与展望结论与展望..............................................................................................................65 5.1 结论............................................................................................................... 65 5.2 展望............................................................................................................... 66 参考文献参考文献.......................................................................................................................67 致谢致谢............................................................................................................................... 73 西安建筑科技大学大学硕士学位论文 IV 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 引言 2011 年为了解决陕西煤业化工集团韩城矿业公司下峪口煤矿原煤运输能力 不足问题，实现原煤运输皮带化，煤矿设计新建一条皮带平硐，平硐建设过程中 遇到长度近千米的黄河古河道沉积的河流相沉积细砂层。 应用传统方法无法穿越， 结合韩城下峪口煤矿穿越粉细砂层皮带平硐工程建设，对韩城下峪口在建平硐所 穿越的河流相沉积细砂层的现场及室内各项试验测试工作进行了全面总结，对所 获得的各种地层参数进行了系统分析，修正了存在严重偏差的原有研究中给出的 土的基本力学参数，补充给出了砂层的变形模量、泊松比、可注比、浆液渗透系 数、内聚力、修正内摩擦角等和后续研究密切相关的土性指标；根据室内实验数 据，分析计算并给出了对注浆加固工程十分重要的地层注浆参数土体的灌注系 数；系统整理了硅化双浆浆材加固土样的无侧限抗压强度试验结果，总结分析 了较长时域的“养护加固试样”和“氧化加固试样”无侧限抗压强度的变化规律 以及受水浸泡后的强度变化特征；从硅化双浆浆材物质组成入手，通过微观化学 反应分析，明晰了硅化双浆浆材加固土样强度的变化机理并在此基础上开发了一 套行之有效的注浆加固工艺。上述研究成果为注浆加固松软煤层打下了理论和工 程应用基础。 陕煤韩城矿业有限公司 3煤层煤质松软，在采动压力的作用下采区巷道维护 困难，经常发生塌方冒落事故，严重影响和制约煤矿生产及发展，而为了防止发 生安全事故而进行大量的临时支护，即耗费大量木材又浪费大量劳动力，对企业 与社会资源造成大量的浪费。基于同样的思路，针对韩城矿业公司各煤矿共同面 临的煤质松软、采区巷道支护难度大、维修率高、维护费用花费巨大和生产安全 度低这一制约企业发展的重大技术难题，在已有研究的基础上，通过注浆加固， 开发高渗透性材料加固松软煤层技术，并在此基础上创新采区巷道支护技术。 1.2 研究的目的及意义 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。 韩城矿业有限公司各矿山 3煤层煤质软弱，井下巷道安全事故频发，严重制 西安建筑科技大学大学硕士学位论文 2 约煤矿的生产及发展，而研究破碎煤层注浆加固技术及与之相配套的巷道支护技 术是减少煤矿企业安全事故与提高企业生产效率的重要课题， 3煤层煤体强度低、 裂隙发育，在矿压作用下易破碎变形发生冒落，无法确保采区巷道的安全稳定， 而煤体内部裂隙发育，为通过注浆注入外部介质提供了途径，而注浆后改变了煤 体的力学特性，提高了煤体的强度及稳定性，能减少巷道安全事故的发生，为煤 矿安全生产提供保障[2]。 1.3 国内外研究现状 1.3.1注浆技术理论发展概况注浆技术理论发展概况 注浆加固是岩土工程、地质工程、道路与桥梁工程、市政工程和采矿工程等 领域的一项重要技术，其发展速度之快、技术更新速度之快超乎想象。灌浆法创 始于 1802 年，法国工程师 Charles.B 采纳了通过灌注粘土加水硬石灰浆的方式修 复了一座受冲刷的水闸[29]。此后灌浆法发展成为一种在地基土加固中被广泛应用 的方法。我国较早的工程应用见于上世纪 60 年代，刘嘉材于 1964 年将其应用于 水工地基；王志仁（1979）将其应用于水电工程的岩溶坝基处理；西安铁路局黄 土化学加固研究组（1978）和西安建筑科技大学涂光祉教授（1981）将其推广应 用于湿陷性黄土地基；张作瑂（1983）将其应用于砂砾土地基；李茂芳，孙钊和 冯善彪等分别于 1979 年和 1980 年出版了有关灌浆法的专著，1986 年 1988 年， 叶书麟教授等和曾国熙教授等将其上升到了系统高度。很快，灌浆法作为一种十 分有效的岩土体加固技术被广泛应用于采矿、铁路、水利、道路交通、隧道、市 政和工业与民用建设等各个工业领域[30]。 自灌浆法应用以来，关于灌浆法、注浆法的理论、实验与工程应用研究一直 方兴未艾，近年仍有大量研究着眼于此。阮文军（2005）对水泥浆、水泥粘土浆、 水泥复合浆、丙凝、丙烯酸盐浆液、木质素浆液、环氧树脂浆液、聚合物水泥浆 液等多种类型浆液的流变特性和流变参数的时变性与各种浆液的可灌性进行了研 究，创立了基于粘度时变性的灌浆扩散模型[24]；简文彬,吴铭炳,唐宗鑫等（2002） 对水泥-水玻璃双液加固软土开展了研究；刘华荣（2004）对应用水泥-水玻璃双 液注浆堵水的配制比例及效果进行了探讨；刘玉祥，柳慧鹏（2005）结合工程应 用对水泥-水玻璃双液注浆中的参数进行了优化选择； 丁锐 （1999） 通过室内试验， 研究了水玻璃与粘土矿物之间表面反应；陈志敏，赵德安，,李双洋等（2004）对 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 水泥-水玻璃双液注浆加固黄土及饱和黄土的效果给出了自己的评价；杨殿栋 （2000）应用双液注浆固结法处理了隧洞塌方形成的冒落空洞问题；李瑞（2011） 在砂砾石地层中开展了定 （导） 向钻进施工中的注浆技术及应用研究； 李立 （2007） 开展了粉细砂地层注浆管棚作用机理及在暗挖隧洞施工中的应用研究；张金娟 （2009） 对注浆固化粘土的浆液渗透进行了理论探讨与数值模拟并进行了在砂砾、 卵石土层中的应用研究；黄德发，王宗敏，杨斌等（2003）针对注浆堵水进行了 专项研究并将其应用于煤矿建设；张顺金（2007）对渗透性注浆及其在砂砾质地 层中的可注性进行了应用研究；王杰，杜嘉鸿，陈守庸等（1997）探讨了注浆技 术的发展趋势；战玉宝等（2010）展望了岩土注浆理论发展方向和趋势；邹金峰 等（2006）运用能量分析原理，对压密注浆进行了理论探讨；王广国等（2000） 借助工程应用效果检验，探讨了压密注浆机理；冯志强（2007）对裂隙性介质煤 和岩体进行了化学注浆加固材料的渗透扩散特性研究；杨米加等（2001）对裂隙 介质开展了注浆模拟实验研究；钱自卫等（2012）结合工程实践给出了渗透注浆 浆液的扩散半径计算方法；湛铠瑜等（2012）研究了裂隙动水注浆渗流压力与注 浆堵水效果的相关性；张忠苗等（2010）对比了软土中注浆与未注浆状态下抗拔 桩的承载能力；魏新江等（2012）结合双圆盾构隧道施工研究了注浆扩散及环向 压力大小；杨志全等（2011）利用黏度时变性宾汉体模型，对浆液的柱-半球形渗 透注浆机制进行了探析。 软弱煤层在围岩作用下表现为煤层顶板容易离层和冒落，且难以形成具有承 载能力的结构，强烈的两帮的移近、片帮及整体下沉，会致使复合顶板的下沉而 使离层破碎，顶板及两帮的变形的相互作用，造成恶性循环[2]。目前国内外针对 这类软弱煤层、松动范围较大的巷道，通常采用架棚支护和普通高强度锚杆联合 支护。柏建彪、厚朝炯（2001）提出了复合顶板极软煤层回采巷道锚注联合支护 方式。 1.3.2注浆材料发展概况注浆材料发展概况 注浆材料的发展始于 1802 年，法国土木工程师 Charlesbellini 利用注浆技术 成功地将黏土浆液压注入地层[3]，为港口城市 Dieppe 加固维修砌筑建筑物，而用 冲击泵压注黏土浆液与石灰[4]，已经距今有超过 200 年的历史，此为注浆的起源。 此后，注浆的这种工程技术传入英国与埃及，此后的 50 多年的时间里，刚处于起 步初始阶段的注浆技术，还没有成型注浆理论，通过原始的注浆方法注入黏土， 火山灰，生石灰等一些简单的浆液材料。 西安建筑科技大学大学硕士学位论文 4 在 1838 年英国的土木工程师 Thomson 第一次使用水泥作为注浆材料在隧道 中；之后 1845 年 Vaus 将水泥作为注浆材料压注入水库溢洪道的基础中，因此提 高了基础的承载能力；1864 年德国人通过手摇泵来注浆加固矿井的井壁。在此后 40 多年中，在比利时和德国北部的煤矿工作的 Reumax、Porticr、Saelier、Francors 等工程师组成矿山技术研发团队，进行水泥注浆试验在涌水量大的竖井施工中， 并且研制出了高压注浆泵注浆设备，并且改善了注浆工艺包括注浆材料的混合方 式等，并在隧道和大坝的建设中使用了此注浆技术和工艺，这是现代注浆法的基 础。此标志着灌浆技术和工艺的发展步入了初期水泥浆液灌浆阶段[3]。 随着注浆技术的应用，人们在实践过程中发现普通水泥的粒径较大，当在较 小孔隙的土体或微裂隙的岩体中注浆时显得力所不及，因此必须研究其他种类化 学注浆材料。1884 年英国 Hosagoog 在印度修建桥时，第一次采用了化学材料加 固砂；在 1887 年，Josh kelley 向钻孔内灌注浓水玻璃，附近孔灌注氯化钙，开创 了原始的硅化双液法而获专利，所以化学注浆材料就发展了起来；在 1909 年，比 利时人 Le Maer Ta Mengte通过在水玻璃中掺加稀酸， 发现通过改变水玻璃 pH 值 的凝固机理，首次提出了双液单系统的一次压注法，因此而获得专利；1920 年， 荷兰采矿工程师 Joosten 第一次验证了化学注浆的可靠性， 并且提出了利用水玻璃 氯化钙作为双液且使用双系统的压注方式，因此在 1926 年获得了专利， 且水 玻璃材料价格便宜、无毒，因此得到了极快的发展。直至 20 世纪 40 年代，水 玻璃灌浆几乎指的是化学灌浆， 但随着工程上的迫切需要及化学工业的高速发展， 化学灌浆开始从采用单一的无机化合物，逐步使用有机材料，其中有的注浆开始 使用高分子化合物，以弥补水泥在注浆中的不足，使化学注浆进一步满足工程需 要。在 1956 年左右，国