深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究(1).pdf

密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353.4 硕士学位论文硕士学位论文 深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究 研研 究究 生生 易易 厚厚 导导 师师 李青锋李青锋 教授教授 学学 科科 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 巷道围岩控制巷道围岩控制 2017 年年 11 月月 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Study on Support Technology of Deep Roadway in Broken and Weak Rock ation Candidate YI Hou Supervisor and Rank A.P.LI Qing-feng 万方数据 深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究 学位类学位类型型 学术型学位 作者姓名作者姓名 易 厚 作者学号作者学号 13010101002 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 矿业工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 巷道与围岩控制 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 李青锋 教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 李万峰 高级工程师 所在学院所在学院 资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2017 年 11 月 万方数据 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 本文以淮南矿业集团顾桥煤矿东区二水平井底车场-1010 m 回风大巷为工程实例， 通过理论分析、试验研究、数值模拟及工程实践相结合的方法，针对现有深部破碎软弱 巷道开挖后支护困难的问题，提出了一种联合支护技术，并对其进行优化设计，同时对 其施工关键技术难题开展了系统研究，主要研究内容及结果如下 （1）分析了联合支护技术中超前预注浆堵水加固技术在深部破碎软弱岩层开挖巷 道时使用的机理，确定了超前预注浆堵水加固技术方案和相关技术参数，并将其应用于 工程实践中。实践证明超前预注浆堵水加固技术在深部破碎软弱岩层中具备堵水和加 固两种性能，其能有效解决巷道开挖时出现的冒水现象，同时也能使破碎软弱岩层胶结 在一起，起到加固巷道围岩的作用。 （2）在该联合支护技术中，设计了一种装配式双层钢板高强混凝土复合支架作为 主要支护结构，并对其进行了理论分析及参数设计，确定了其主要组成部分双层钢板 高强混凝土复合构件、接头压缩板垫层和壁后充填层。 （3）通过模型试验、数值模拟相结合的方法，对该支护结构的力学特性进行了系 统研究，研究结果表明 ①装配式双层钢板高强混凝土复合支架结构具有承载力高和柔性好的双重优点， 在实际工程中可以起到“边支边让”的效果，适用于深部破碎软弱岩层开挖巷道的支护， 满足联合支护技术的要求； ②装配式双层钢板高强混凝土复合支架的复合作用好，在荷载作用下，中间混凝 土层处于受压状态，同时内、外钢板环向应力相差不大，在钢板的约束下混凝土的抗压 性能得以充分发挥； ③装配式双层钢板高强混凝土复合支架的承载力与混凝土强度等级、钢板厚度、 构件厚径比和荷载不均匀系数等因素有关，据数值模拟分析可知，提高装配式双层钢板 高强混凝土复合支架承载力最有效方法是提高混凝土强度等级和增加钢板厚度。 （4）在淮南矿业集团顾桥煤矿东区二水平井底车场-1010 m 回风大巷针对破碎软弱 岩层进行了该联合支护技术的现场应用。现场应用效果表明通过使用该联合支护技术 方案成功的通过了该区段深部碎软弱岩层，同时有效控制了破碎软弱岩层的变形。 关键词混凝土支架；软岩支护；超前加固；预注浆关键词混凝土支架；软岩支护；超前加固；预注浆 万方数据 ii ABSTRACT Based on the -1010 main air return roadway of shaft station in east area No.2 level shaft station, the integrated use of theoretical analysis, experimental research, numerical simulation and engineering practice was studied in Huainan Mining Group Guqiao Coal Mine, in view of the broken soft rock roadway, a new combined support was proposed and was carried on the design. Meanwhile the key technical problems on the construction were carried out with systematic research. The major research contents and results following 1 Analysis of roadway excavation in deep broken soft rock roadway using advanced pre-grouting reinforcement technology mechanism, through theorical analysis, calculation combined with the actual situation of engineering theory, related technical parameters of pre grouting reinforcement technology scheme was determined, and was applied in engineering practice according to the technical scheme design and technical parameters. Through the practice results show that the pre grouting reinforcement technology in deep soft rock roadway with two properties of water plugging andreinforcement which play the expected effect in the new combined support technology, and solve water inflow in the roadway excation radius. Moreover broken soft rock can be cemented together, which plays the role of surrounding rock reinforcement.The pre grouting technology is suitable for roadway excavation in deep broken soft rock roadway with new combined support. 2 Based on the theoretical analysis of the composite structure of the double-layer steel plate, the composite brackets are designed to determine the main components of the composite double-deck steel high-strength concrete composite stent the steel plate high-strength concrete composite component，the joint compression Plate cushion and wall post-fill layer. 3 The structure of being sutibale for new combined support technology in deep broken soft rock roadway excavation has developed. Meanwhile assembly type double-layer steel reinforced concret composite bracket was designed with parameter, and preparation experiment of concrete with high strength and perance was conducted. By the combination of theoretical analysis, numerical simulation and model test, the mechanical properties of the new support structure were studied systematically. The results show that ①The assembled double-layer steel reinforced concret composite bracket structure not only has a high bearing capacity, but also has a certain degree of flexibility, “Let the side edge“ effect can be played in the actual project , which is suitable for deep broken soft rock roadway excavation support and meets the requirement of new combined support technology. ②The composite effect of assembled double-layer steel high-strength concrete composite bracket is better. Under the load, the internal and external steel plate had little difference in the circumferential stress, while the intermediate concrete layer was in the 万方数据 iii multi-axial compressive stress state. The compressive perance of concrete under the steel plate restraint fully used. ③The bearing capacity of the assembled double-layer steel high-strength concret composite bracket is related to the factors such as the strength grade of concrete, the thickness of steel plate, the thickness ratio of arc plate and the load non-uniity factor. According to the numerical simulation analysis, increasing the strength grade of concrete is the most effective and direct way to improve the ultimate bearing capacity of the bracket support. 4 The new combined support technology has been applied in the filed of -1010 main air return roadway of shaft station in east area No.2 level shaft station in Huainan Mining Group Guqiao Coal Mine. Advanced pre grouting reinforcement technique was used in the early time, and then the compressible U type steel shed was used for temporary support, smoothly through the region after later, the assembly double-layer steel high strength concrete composite bracket supportwas applied for permanent support, the field application results indicated that the new combined support technology successfully passed the deep section of the broken soft rock, and controlled the deation of the broken soft rock. The scheme achieves the desired results and meets the requirement for application. KeywordsConcrete support;Soft rock supporting;Advanced reinforcement; Pre- grouting；； 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................................... ii 第 1 章 绪 论 ........................................................................................................................ 1 1.1 研究背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 软岩的概念及国内外研究现状 ................................................................................. 2 1.2.1 软岩的概念 ...................................................................................................... 2 1.2.2 软岩工程支护理论国外研究现状 .................................................................. 3 1.2.3 软岩工程支护理论国内研究现状 .................................................................. 4 1.3 现有巷道变形控制技术及其局限性 ......................................................................... 6 1.3.1 现有被动支护变形控制技术及其局限性 ...................................................... 6 1.3.2 现有主动支护变形控制技术及其局限性 ...................................................... 7 1.3.3 现有联合变形控制支护技术及其局限性 ...................................................... 7 1.4 本文主要研究内容 ..................................................................................................... 8 第 2 章 深部破碎软弱岩层超前注浆技术研究 .................................................................. 10 2.1 深部破碎软弱岩层预注浆方法分类及其作用 ....................................................... 10 2.2 深部破碎软弱岩层预注浆参数的确定 ................................................................... 11 2.3 小结 ........................................................................................................................... 14 第 3 章 装配式双层钢板高强混凝土复合支架结构试验研究 .......................................... 15 3.1 巷道支护设计理论分析 ........................................................................................... 15 3.1.1 根据芬纳方程计算巷道围岩塑性区半径 .................................................... 15 3.1.2 巷道支护设计依据 ........................................................................................ 16 3.1.3 巷道支护结构的设计条件 ............................................................................ 17 3.2 装配式双层钢板高强混凝土复合支架参数设计 ................................................... 18 3.3 装配式双层钢板高强混凝土复合支架高强高性能混凝土配制试验 ................... 20 3.3.1 高强混凝土配制原则 .................................................................................... 20 3.3.2 高强高性能混凝土配制途径 ........................................................................ 20 3.3.3 高强高性能混凝土材料选择 ........................................................................ 21 3.3.4 高强高性能混凝土配制强度 ........................................................................ 22 3.3.5 原材料及配合比 ............................................................................................ 23 3.3.6 试验结果 ........................................................................................................ 24 3.4 接头连接形式及垫层材料研究 ............................................................................... 25 3.4.1 接头连接形式 ................................................................................................ 25 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.4.2 垫层材料 ........................................................................................................ 26 3.5 壁后充填材料研究 ................................................................................................... 27 3.6 小结 ........................................................................................................................... 27 第 4 章 装配式双层钢板高强混凝土复合支架力学性能研究 .............................................. 28 4.1 装配式双层钢板高强混凝土复合支架力学特性的模型试验研究 ....................... 28 4.1.1 试验模型及相关参数 .................................................................................... 28 4.1.2 加载试验与数据统计 .................................................................................... 29 4.1.3 试验结果及其分析 ........................................................................................ 30 4.2 装配式双层钢板高强混凝土复合支架力学特性的数值模拟 ............................... 35 4.2.1 软件简介和计算方法 .................................................................................... 35 4.2.2 计算模型的建立 ............................................................................................ 36 4.2.3 均匀荷载条件下支架数值模拟结果及分析 ................................................ 37 4.2.4 非均匀荷载条件下支架数值模拟结果及分析 ............................................ 42 4.3 小结 ........................................................................................................................... 43 第 5 章 工程应用实例 .......................................................................................................... 44 5.1 工程特点 ................................................................................................................... 44 5.2 确定施工方案 ........................................................................................................... 44 5.3 超前预堵水加固方案设计 ....................................................................................... 44 5.3.1 注浆参数设计 ................................................................................................ 44 5.3.2 止浆墙的设计 ................................................................................................ 47 5.3.3 预注浆堵水加固现场实例 ............................................................................ 47 5.4 装配式双层钢板高强混凝土复合支架安装 ........................................................... 48 5.5 巷道支护结构受力和变形监控测量 ....................................................................... 48 5.6 小结 ........................................................................................................................... 51 第 6 章 结论与展望 .............................................................................................................. 52 6.1 结论 ........................................................................................................................... 52 6.2 展望 .............................................................................................. 错误错误未定义书签。未定义书签。 参考文献 .................................................................................................................................. 54 附录 A 攻读学位期间发表的论文与科研成果清单 .......................................................... 56 致 谢 ...................................................................................................................................... 58 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -1- 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 随着国家经济增长速度放缓，资产泡沫逐渐破裂，近些年来，新能源的替代和进 口煤炭的冲击，导致煤炭行业整体性衰退，煤炭开采陷入产能过剩的尴尬局面。但根 据美国能源信息委员会（EIA）预测，未来 20 年煤炭仍是世界主体能源。基于我国能 源资源“富煤、贫油、少气”，煤炭储量丰富、开采成本低、分布最广泛等特点，煤炭 仍将是我国的主体能源，并且在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改 变，远远超过石油、天然气等资源。我国煤炭资源的开采渐渐转向深部矿井，根据目 前探明情况可知， 我国煤炭埋深在-650 m以下和-1000 m以下的储量约占总储量的75 和 53， 尤其东部区域煤炭资源埋深在-1000-2000 m 的储量占总储量的 83[1]， 我国 中东部地区尤其明显， 特别是淮南、 淮北矿区。 以淮南矿区为例 新建矿井张集煤矿、 顾桥煤矿，改扩建矿井朱集东煤矿、丁集煤矿等矿井开采深度都超过 900 m，尤其顾 桥煤矿二水平部分巷道和采区开采深度超过 1050 m。随着科学技术的不断发展，生产 技术的不断提高，可以看出，深部软岩巷道支护技术和理论的研究已势在必行。 与之前的浅层巷道支护相比，由于深部破碎软弱岩层本身的强度低，同时随着深 度增加，地压增大，巷道承受的压力也相应增大，巷道的地温也明显升高，地质条件 和浅层的岩层相比也明显复杂。原有单一的锚网、锚喷、架设钢棚的常规支护技术逐 步不能适应深井的支护要求。特别是在深部极破碎软弱岩层的情况下，岩体破碎，松 散而含水量大，地压显现更加明显，巷道开挖后，巷道变形非常严重且变形持续时间 长，难以保持巷道稳定。一次支护效果差，返修工程量大，使用期间维护困难，严重 制约了矿井高效生产， 同时存在顶板冒落埋人、 支护材料崩断掉落伤人等安全威胁[2]。 针对目前我国深部煤炭开采存在的一系列问题，我国相关专业和领域的高等院校 及科研院所的大批专家、学者和研究人员对此投入了大量的科研精力，通过各种方法 和手段进行了科学的、系统的研究。其中，涌现出了一批杰出的科研人员，取得了许 多的成果。但很多科研成果在实践的过程中，很难做到适应所有的工程环境，针对深 部破碎软弱岩层的支护技术来讲，仍未取得突破性成果，使得深部复杂地质条件下的 巷道支护难题变得更加突出，已经成为目前深部煤炭开采建设工程的瓶颈。 为此，本文针对淮南矿业集团顾桥煤矿东区二水平井底车场-1010 m 回风大巷的 开挖和支护关键技术，采用理论分析、试验研究、数值模拟和现场实测等方法相结合 进行了深部破碎软弱岩层巷道支护技术研究，并成功进行了工程实践，取得了系列研 究成果、技术经济效果及社会效益显著，确保了该巷道的施工和运行安全，为类似条 件巷道开挖施工提供可靠借鉴。 万方数据 第 1 章 绪论 -2- 1.2 软岩的概念及软岩的概念及国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 软岩的软岩的概念概念 一、软岩的定义 从上世纪 60 年代到 90 年代，对于软岩的明确定义一直备受关注，关于软岩的定 义甚至多达几十种[3]。 1981 年 9 月， 国际岩石力学学会委托日本力学协会召开了“国际 软岩学术讨论会”，软岩的概念问题被作为重要议题进行讨论；1984 年 12 月，我国煤 炭部矿山压力情报中心站、 煤炭学报编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员在昆 明联合发起的 “煤矿矿山压力名词讨论会”