立井井筒破碎围岩注浆加固技术研究.pdf

论文题目 立井井筒破碎围岩注浆加固技术研究 作者姓名匿蚕 领域名称建煎篁复避 指导教师奎廷鲞 副指导教师趔垂墨 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 2 Q 曼曼生2 旦 研究方向芷出垫王王程 职称 麴握 职称 婴究旦 2 Q 兰圣生量旦 2 Q 兰2 生鱼旦墨旦 S T U D Y O FG R O U T I N GR E I N F O R C E M E N TT E C H N I Q U E O FC R U S H E DS U R R O U D I N GR O C KO F S H A F TL I N I N G I l I l lII1I l l l lI l l UI MIlllI l l l lIllI Y 2 4 3 4 9 8 6 AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y J i aL e i S u p e r v i s o r P r o f e s s o r L iT i n g c h u n C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n d A r c h i t e c t u r e M a y 2 0 1 3 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认盼文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I O N 如- 多．厂、扩 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gi n S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． 鼬咖r e 批2 访 D a t e Ⅻ，今．多方 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 过破碎带围岩的井筒支护一直是井筒掘砌过程面临的难题之一，注浆技术是井筒破 碎围岩加固常用的一种手段。本文针对阳煤集团景福煤矿穿过破碎带的立井井筒注浆加 固工程展开研究，通过查阅国内外相关文献，在前人研究的基础上，结合景福煤矿副立 井井筒的工程概况、水文地质条件以及破碎围岩的岩性，主要做了以下研究 1 由于具体注浆施工所用浆液通常属于宾汉姆流体，而目前大多关于浆液在破碎 岩体中渗流规律的研究把浆液看做牛顿流体，对具体的注浆施工起不到有效的指导意义。 本文研究分析了宾汉浆液的渗流规律，为实际的注浆工程提供了更合理的理论指导； 2 针对阳煤集团景福煤矿副立井井筒具体情况，设计了一套切实可行的工作面预 注浆方案；从凝胶时间、凝固机理及固结体性能等方面分析了注浆材料的性质，合理地 选择了适合具体工程的注浆材料；确定了针对立井破碎围岩的关键注浆参数和施工工艺； 3 分别对注浆加固前后效果进行了数值模拟，并对注浆效果通过对比分析验证了 深立井井筒围岩破碎段注浆加固技术的有效性。 研究结果表明深立井井筒破碎段围岩注浆加固技术能有效改善井筒围岩受力，使 应力分布更加均匀，有效改善了井筒围岩应力环境；大大降低了井筒塑性区的厚度；有 效控制了井壁的收敛位移及底臌，对抑制井壁破坏及剧烈底臌起到了关键作用。 关键词井筒；破碎带；注浆加固；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T T h es h a f tl i n i n gd r i l lt h r o u g ht h ef r a c t u r ez o n eo fs u r r o u n d i n gr o c ki sa l w a y sab i g c h a l l e n g ef o rs h md i g g i n g ，a n dg r o u t i n gt e c h n o l o g yi sac o m m o n l yu s e dm e t h o dt or e i n f o r c e t h ec r u s h e ds u r r o u n d i n gr o c ko fs h a f t ．T h i sa r t i c l ed i s c u s st h er e s e a r c ha b o u ts h a f tg r o u t i n g r e i n f o r c e m e n td r i l lt h r o u g ht h ef r a c t u r ez o n ei nJ i n g f uc o a lm i n eo fY a n g q u a nm i n i n ga r e a ． R e f e r r i n gt ot h er e l a t e dl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，a n do nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ， a l s oc o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no fJ i n g f uc o a lm i n el i k ep r o j e c tp r o f i l e ，h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o na n dl i t h o l o g yo ff r a c t u r ez o n e ，Im a i n l yd ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 1 A st h eg r o u tf o rg r o u t i n gc o n s t r u c t i o ni sB i n g h a mf l u i d ，a n dw ea l s or e g a r dt h eg r o u t a sN e w t o n i a nf l u i di nt h er e s e a r c ho f g r o u tf o rb r o k e nr o c k ，S Oi Su s e l e s sf o ro u rg r o u t i n g c o n s t r u c t i o ni np r a c t i c e ．T h et e x td i ds o m er e s e a r c ha b o u tt h ep e r m e a b i l i t yr u l eo fB i n g h a n l f l u i dt og i v eb e t t e rt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rg r o u t i n gc o n s t r u c t i o ni np r a c t i c e ． 2 T h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es p e c i f i cp r o j e c t ，Ig a v eo u tap r e 。g r o u t i n g s c h e m ef o rt h ew o r k i n gf a c e ．T h r o u g ha n a l y z i n gt h eg r o u t i n gm a t e r i a l ’Sg e l a t i o nt i m e ，f r e e z i n g m e c h a n i s ma n dc o n s o l i d a t i n gp r o p e r t y , w ec h o o s ea na p p r o p r i a t eg r o u t i n gm a t e r i a lf o ro u r p r o j e c t ，t oc o n f i r mt h ek e yp a r a m e t e ro fg r o u t i n gm a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ． 3 B yc o n t r a s t i n gt h ee f f e c to fg r o u t i n gn u m e r i c a lm o d e l i n gt ov e r i f yt h e e f f e c t i v e n e s so f g r o u t i n gc o n s t r u c t i o nf o rt h ec r u s h e ds u r r o u n d i n gr o c ko f s h a f t ． T h er e s u l t sp r o v et h a tt h eg r o u t i n gc o n s t r u c t i o nf o rt h ec r u s h e ds u r r o u n d i n gr o c ko fs h a f t C a ne f f e c t i v e l yp e r f e c tt h e i rf o r c ea sm a k et h es t r e s sd i s t r i b u t i o nm o r eu n i f o n n ．R e d u c et h e t h i c k n e s so ft h ep l a s t i cz o n e ，r e d u c et h ec o n v e r g e n c ed i s p l a c e m e n ta n df l o o rh e a v eo ft h es h a f t l i n i n g ，S Oi t ’St h ek e yf u n c t i o nt oa v o i dd a m a g ea n d f l o o rh e a v ef o rt h es h a f tl i n i n g ． K e y w o r d s w e l l b o r e ；f r a c t u r ez o n e ；g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 破碎带围岩稳定性控制的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 国内外注浆技术的发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．4 国内外注浆技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 论文研究的主要内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 深立井井筒围岩破碎带工程特征一以阳泉矿区为例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 阳泉矿区立井井筒地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 阳泉矿区井筒技术特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 阳泉矿区过破碎带井筒围岩岩体特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 注浆基本理论的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 注浆渗流扩散机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 注浆参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 注浆材科种类及性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 6 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 注浆材料种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．3 注浆浆液的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．4 悬浊型无机注浆材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 立井破碎围岩注浆加固工程实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 山东科技大学硕士学位论文 目录 5 ．1 地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 注浆方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 注浆施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．4 注浆效果检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．5 施工安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．6 数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 4 6 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．2 问题与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．I 1 ．IR e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u so fs t a b i l i t yt r e a t m e n to ff r a c t u r es u r r o u d i n gr o c k ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．2 1 ．3 H i s t o r yo fg r o u t i n gt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯。⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．2 1 ．4 R e s e a r c hs t a t u so fg r o u t i n gt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”5 1 ．5M a i nc o n t e n to f t h e s i sr e s e a r c ha n dt e c h n i c a lr o u t e ．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．1 3 2 E n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r a c t u r ez o n eo fd e e pv e r t i c a l s h a f ts u r r o u n d i n g r o c k - - Y a n g q u a nm i n ea r e a ．f o re x a m p l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 G e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev e r t i c a ls h a f t so f Y a n g q u a nm i n i n ga r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2T e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fY a n g q u a nm i n es h a f t 。⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯18 2 ．3R o c km a s sc h a r a c t e r i s t i c so f c r u s h e ds u r r o u n d i n gr o c ko f s h a f to f Y a n g q u a nm i n i n ga r e a ．．．．．．．．．．．2 0 2 ．4 S u m m e r y ．．⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．2 2 3 G r o u t i n gt h e o r yr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 S u m m a r y ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2M e c h a n i s ma n a l y s i so fg r o u t i n gs e e p a g ed i f f u s i o n ．．⋯⋯．．．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．⋯2 3 3 ．3 G r o u t i n gp a r a m e n t e r s ．．⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．．，．⋯．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．2 9 3 ．4 S u m m e r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 4 4 T y p ea n dp r o p e r t i e so fg r o u t i n gm a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 。1 S u m m a r y ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 G r o u t i n gm a t e r i a lt y p e s ．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．- 3 7 4 ．3N a t u r eo f t h eg r o u t ⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯3 8 4 ．4 C l o u d i n gt y p eo fi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 S u m m e r y ．⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯一4 7 5 G r o u t i n ge n g i n e e r i n gc a s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 G e o l o g i c a lc o n d i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．2 G r o u t i n gs c h e m ed e s i g n ．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯5 0 5 ．3 G r o u t i n gc o n s t r u c t i o n ⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯⋯．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯．．5 3 5 ．4 G r o u t i n gr e s u l ti n s p e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 山东科技大学硕士学位论文 目录 5 ．5C o n s t r u c t i o n a ls a f e t ym e a s u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．5 6 5 ．6N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．7 S u m m e r y ．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．⋯．⋯．．6 3 6C o n c l u s i o na n dp r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．1M a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2P r o b l e m sa n dp r o s p e c t s ⋯⋯⋯．．。．．．．．．．．。。⋯⋯⋯⋯⋯．⋯。。⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．。。．．。。．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯t ；6 M a i nR e f e r e n c eD o c u m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景与意义 煤炭是我国及世界的主要能源。我国煤炭资源非常丰富，其产量居世界首位，储存 总量占世界总量的1 l 。1 ％，而石油和天然气仅占世界总量的2 ．4 ％矛1 11 ．2 ％。一直以来，煤 炭始终是我国国民经济发展所依赖的主要能源，其在我国一次性能源结构中所占比例在 7 0 ％左右。受煤多油气少的资源条件限制，在今后较长时间内，我国以煤炭为主要能源 的现状不会发生改变，因此保证煤矿开采的稳定增长具有重要意义。 立井井筒是连接地面和地下空间的重要通道，是井巷工程的咽喉工程，在整个矿井 寿命期对矿山安全生产具有重要意义。立井井筒施工的工程量虽然仅占井巷工程总工程 量的5 ％，但是其工期却占总工期的3 0 ％ - - 4 0 ％，特别是通过破碎段时，施工更是困难。 在受到地应力作用时，地壳会产生很多褶曲、断裂等构造，由于岩层节理发育，多组节 理互相切割，处于层间错动带、断层破碎带、褶皱破碎带等构造带中的井筒围岩完整性 多数发生破坏。这些地带围岩通常比较松散破碎，围岩的松动范围较大，威胁着矿山井 筒的安全及使用。 长期以来，深立井过破碎基岩段施工过程中，常常发生井壁围岩和支护结构的破坏， 返修率高，大大影响施工进度。此外，在过破碎段施工中，由于井壁围岩松软、破碎或 裂隙发育充分，岩层之间刚强度差异较大等因素，常常造成施工过程中人员出现事故， 难以有效保障作业人员的安全。例如山西阳煤集团五矿赵家分井回风立井中粒砂岩和泥 岩交界段，距离井口约5 2 9 “ - - 5 3 3 m 处，就是由于岩层裂隙发育充分并且在人工工程扰动 下发生突发性垮落，造成一死两伤的事故。因此对深立井井筒破碎段注浆加固技术开展 研究就十分必要，但由于井筒过破碎段注浆加固技术施工工序复杂、施工技术要求高， 且注浆设备、施工工艺及注浆参数等在国内缺乏具体参考，所以目前针对井筒破碎基岩 段注浆加固的研究较少。选题以阳煤集团深立井井筒破碎基岩段施工为研究背景，据此 探讨深立井井筒破碎段注浆加固技术。 研究深立井井筒破碎基岩段注浆加固技术能够解决施工过程中存在的安全隐患，能 够保障深立井复杂困难段作业人员的安全，满足集团公司安全生产的需要。论文研究方 法和成果对集团公司深立井过破碎段施工有很好的借鉴和指导意义，大幅度降低了深立 井破坏的几率，在基本不增加现有井筒施工成本的基础上，延长井筒修复周期l 倍以上， l 山东科技大学硕士学位论文 绪论 减小井筒修复费用5 0 ％，延长井筒使用年限l 倍以上，保障了深立井服务期间上下人员 的安全和矿井正常生产，消除安全隐患、保障施工安全，对于山西阳煤集团所属煤矿深 立井建设具有参考价值和良好的应用前景，将产生显著的经济、社会效益。 1 ．2 破碎带围岩稳定性控制的研究现状 通常在井筒开挖过程中采用被动加强支护手段来解决构造破碎带造成的围岩失稳破 坏问题。随着国内外学者对井筒破碎围岩注浆技术的深层次研究，提出通过工作面预注 浆加固井壁破碎围岩的方法，并结合现代一些先进支护技术，达到了维护井筒稳定的目 的【l 】o 上世纪7 0 年代以来，对于井筒的稳定性，我国通过研究支护材料、形式以及施工工 艺等方面，发展形成了像锚杆、锚喷支护、锚杆 锚索及锚杆 锚索 网 喷浆联合支护等 一系列井筒支护体系。但是由于井筒所过破碎带围岩裂隙较发育，岩体松散破碎，井筒 的稳定性无法依赖常规的支护手段来维护，井筒施工安全以及工作人员人身安全得不到 切实保障。 注浆技术在立井井筒施工中有着广泛的应用，是加固破碎岩层和治理地下工程水害 的重要技术手段，例如加固岩土、在井筒周围形成一圈帷幕防止渗水、堵水及截水等技 术。对于裂隙较为发育且水量较多的岩层，可通过注浆防止涌水、加固岩层，对于穿过 断层破碎带的隧道、巷道或立井，也可通过注浆进行加固。由于注浆技术具有所用材料 来源较广、成本较低、施工设备较为灵活、施工工艺简单、工期较短，且能够改善围岩 力学性能、增强围岩稳定性、控制围岩变形、提高围岩的自承能力，能够较好地维护井 筒的稳定性等诸多优点1 2 捌，井筒围岩注浆支护技术于上世纪8 0 年代广泛应用于俄罗斯、 德国等地，我国同期也在不良施工环境的井筒工程中开始采用注浆技术。 1 ．3 国内外注浆技术的发展历史 注浆技术是岩土工程学的一个分支，属于地基处理的范畴。经过多年的发展，注浆 技术已经逐步由经验施工方法完善为一种具有众多理论基础的施工技术。注浆是利用配 套的机械设备，采取合理的注浆工艺，将适宜的注浆材料注入工程对象，以达到填充、 加固、堵水、抬升以及纠偏等目的【4 1 。注浆技术与化学、工程地质学、水文地质学、流 体力学、土力学、岩石力学、材料力学、工程机械学、勘探地球物理学等学科关系密切， 而且还和泵技术、液压技术、射流技术、电子技术等密不可分【5 】。随着注浆技术的成熟， ’ 山东科技大学硕士学位论文绪论 其被用来处理土木工程中出现的各种问题，已经成为当今世界发展的一个必然趋势[ 4 1 。 1 ．3 ．1 国外注浆技术的发展 两百多年前，注浆技术就已经开始应用于堵水加固工程，按水利工程中浆液的初次 使用算起，法国人查理斯贝里格尼 C h a r l e sB e r i g n y 堪称注浆法的开拓者。1 8 0 2 年贝 里格尼在拦水闸遭侵蚀的砂砾土地基的修复过程成功应用了注浆技术。在修复了木板桩 之后使用由内径为8 c m 的木制圆筒组成的压降泵将塑性粘土通过闸板上提前钻出的间距 为l m 的孔强制注入其中，用来填充地基与基础底板之间的孔隙。这是注浆技术首次有 记载的成功运用于基础工程中的实例。随着波特兰水泥 硅酸盐水泥 于1 8 2 4 年在英国 被成功发明后，水泥浆逐渐成为注浆工程的主要材料【6 1 。十八世纪后期，水泥注浆技术 得到进一步发展，水泥浆主要被用来防止矿井井筒施工时地下水的渗入【7 1 。1 8 6 4 年巴洛 利以水泥浆液作为注浆浆材，将注浆技术应用于隧道围岩加固及地铁工程；同年，水泥 注浆技术首次在阿里因普瑞贝矿井应用于井筒的注浆堵水试验【8 j 。1 8 7 6 年美国的托马斯 霍克斯以硅酸盐水泥将作为浆材，运用注浆法加固了滕斯托尔水坝的地基，成为水泥浆 用于坝基灌浆的首例【9 1 。1 8 8 5 年，德国的提琴斯为防止涌水将水泥注入岩层裂隙并取得 成功，之后欧洲的矿建工程开始广泛采用裂隙注浆方法进行堵水加固。1 8 8 6 年水泥注浆 法随着“压缩空气注浆泵”的问世而得到了进一步的发展。1 8 8 7 年德国人杰沙尔斯基创造 的硅化法成功的运用在建桥固沙工程中，其主要通过将浓水玻璃和氯化钙注入到相邻近 的两孔中渗透并发生化学反应而起到加固作用，化学注浆发开始拉开帷幕。 2 0 世纪初期，化学注浆开始得到应用【l0 1 。1 9 0 9 年德国和比利时先后获得水玻璃注 浆材料和双液单系统注浆法专利。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师尤思登创造的“尤思登灌浆法” 取得专利，其采用水玻璃、氯化钙双液双系统进行注浆，并有机结合了水泥注浆和和化 学注浆两种注浆方法，自此以后，双液注浆堵水加固技术开始广为应用【1 1 1 。1 9 2 4 年日本 以水泥．水玻璃双液浆作为浆材，采用化学注浆法加固了就丹那铁路隧道穿过的断层破碎 围岩，并取得良好效果，之后水泥．水玻璃双液浆广泛应用于隧道注浆加固工程中。 2 0 世纪4 0 年代，各种水泥浆材和化学浆材开始被广泛应用，注浆技术的研究和应 用得到了极大的发展。随后，高分子材料丙烯酰胺浆液A M ．9 在美国问世，苏联和英国 也相继推出了M ①．1 7 脲醛类浆液和T D M 铬木素浆液[ 1 2 1 。 上世纪6 0 年代以来，在各国大力发展研制注浆材料的大背景下，有机高分子化学材 料迅猛发展，注浆工艺和注浆设备发展水平也相应得到极大提升，注浆技术越来越广泛 的被应用到矿山、油田、隧道、岩土边坡稳定、水利水电、铁道、市政工程、地面沉陷 3 坐奎型垫奎兰堡主兰垡笙奎 堑笙 和地基处理等各个工程领域。1 9 7 4 年日本福冈注丙烯酰胺注浆引起环境污染造成中毒事 件发生后，有毒化学浆液开始遭到禁用，随后美国的A M ．9 浆液也开始停产。1 9 8 1 年化 学注浆技术随着化学浆材的改性得到了进一步的发展，一种低毒的丙烯酸盐浆材体系和 聚丙烯酰胺盐浆材体系A C ．4 0 0 浆材应运产生，得到了广泛的应用。同时，在上世纪8 0 年代，各种注浆研究机构纷纷建立，交流会议也频频召开，例如1 9 8 2 年在美国召开的土 木工程注浆国际会议【1 3 】、同年在匈牙利布达佩斯召开的国际矿山治水学术讨论会【1 4 】、 1 9 8 8 年在奥地利成立了注浆工程组织【1 5 】、1 9 8 9 年成立了国际岩石注浆专业委员会【1 6 】等， 这些机构的成立和学术交流会议的召开促进了注浆技术的快速发展【1 7 】。 经过两百多年，注浆技术的发展完成了由单液注浆向多液注浆的转换；注浆材料也 逐步由安全无毒高效的化学浆液替代了传统的粘土类浆液；注浆设备也由单一的注浆设 备发展到了多功能配套专用设备；施工工艺日趋完善，在各领域也得到了越来越广泛的 应用。 1 ．3 ．2 国内注浆技术的发展 对于浆砌材料的研究，我国堪称是世乔上最早的国家。陕西西安半坡博物馆现今还 陈列着应该作为注浆的发端的4 0 0 0 多年前采用石灰浆制作的建筑板材，2 0 0 0 多年前以 砂、石灰与粘土等浆液混合成的“三合土”作为砌料修筑的长城，至今依然巍然屹立于中 华大地，其可谓注浆在中国成功应用的典型。当然，上述从浆材形式上的模糊判断，应 属于浆砌材料，而非注浆材料。我国真正对注浆技术的研究起步较晚，起步于上世纪五 六十年代，但是发展速度较快，如今我国很多注浆材料的研制水平以及注浆理论已经达 到世界先进水平[ 1 8 - 3 1 1 。 我国于2 0 世纪5 0 年代才真正开始研究注浆技术。19 5 3 年在黑龙江佳木斯市在注浆 堵水加固工程中首次采用水玻璃浆液作为注浆材料。1 9 5 6 年6 月，三峡岩基专题研究组 组织的长江三峡工程水泥注浆材料研究会议在北京召开，会议首次提出水泥分散稳定性 受塑化剂影响的问题。 从上世纪6 0 年代，化学注浆技术在我国开始得以研究并推广使用。1 9 6 0 年三峡岩 基专题研究组开发研究出了甲基丙烯酸甲酯浆材。随后在1 9 6 4 年，丙烯酰胺浆材在中国 科学院广州化学研究所研制成功并开始应用于工程中，同年防水帷幕注浆施工方法首次 在湖南省水口山矿山得以采用，随后帷幕注浆法在解决岩溶发育地区修建高坝时坝基渗 透问题的过程中逐步得以发展【3 2 1 。1 9 6 8 年广州化学研究所研制出了以糠醛．丙酮为稀释 剂的环氧树脂化学浆材。 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 7 0 年代之后，化学注浆的毒害造成的环境污染问题得到了国内许多学者的关注，学 者们经过切实研究获得了一系列的研究成果，例如环氧树脂化学灌浆的毒