余吾矿高应力软岩煤巷失稳机理及加固技术研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 余吾矿高应力软岩煤巷失稳机理及加固技术研究 Research on Instability Mechanism and Reinforcement Technology for High Stress Soft Rock Coal Roadway in Yuwu Coal Mine 申请人姓名 成小雨 指导老师 李树刚 专业名称 安全科学与工程 研究方向 矿井围岩稳定控制 西安科技大学 二〇一五年四月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安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。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目余吾矿高应力软岩煤巷失稳机理及加固技术研究 专 业安全科学与工程 硕 士 生成小雨 签名 指导教师李树刚 签名 摘 要 近年来，煤矿的开采深度逐年递增，在高地应力和复杂地质条件的作用下，岩体逐 渐表现出软岩特性， 软岩巷道的开拓比例不断攀升， 巷道易发生大变形， 甚至失稳破坏， 尤其对于采区煤层巷道，问题将更加突出，极大地增加了巷道支护工程的难度，对巷道 的正常使用和企业的安全生产形成了较大影响。 本文以潞安集团余吾矿 S2206 进风顺槽 典型高应力采区软岩煤巷为研究对象，综合采用现场调研、实验室试验、数值模拟、理 论分析和现场工业性试验等研究方法，对高应力软岩煤巷的失稳机理及加固技术进行了 系统的研究，以期在一定程度上缓解高应力软岩煤巷治理难题。本文的主要研究内容和 研究成果概括如下 （1）分析了巷道所处区域的地质条件和巷道的布置方式，通过室内试验，研究了 巷道围岩的物理力学性质和物化性质，分析了巷道所处区域的地应力场分布情况，并对 巷道围岩进行了分级。 （2）根据巷道围岩的赋存条件，建立了巷道数值计算模型，模拟分析了巷道在开 挖无支护条件下围岩的变形破坏特征，揭示了巷道的失稳机理，并通过理论分析，提出 了相应的巷道围岩稳定控制原理。 （3）分析了既有支护设计下，巷道围岩的变形破坏情况，找出了既有支护设计的 薄弱点和不足之处，根据现场情况，提出了多种巷道加固方案，并运用数值模拟手段， 优选出了最佳的加固方案。加固方案现场实施后，采用多种监测手段，对加固效果进行 了考察。 监测结果表明，采用加固方案后，巷道围岩的变形破坏显著减小，支护体受力状态 良好，可以保证巷道围岩的长期稳定，保障企业安全生产，且可为企业减少巷道返修的 成本投入，创造一定的经济效益，为类似的高应力软岩煤巷治理工作提供了一定参考。 关 键 词高地应力；软岩巷道；煤层巷道；失稳机理；巷道加固 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on Instability Mechanism and Reinforcement Technology for High Stress Soft Rock Coal Roadway in Yuwu Coal Mine Specialty Safety Science and Engineering Name Cheng Xiaoyu ei （（Signature）） InstructorLi Shugang L （（Signature）） ABSTRACT With the increase of mining depth, rock mass gradually show the soft rock characteristics under the action of high ground stress and complex geological conditions, so the expand proportion of soft rock roadways is rising, the roadway prone to large deation and failure, and the problem will become more prominent especially for coal roadway in mining area, it has brought great difficulty to roadway support engineering, and affected the normal use of roadway and the safety production of the enterprise seriously. This dissertation took S2206 intake airway as the research object, which is a typical soft rock coal roadway in high stress mining area of Yuwu coal mine of Shanxi Luan Mining Group, the instability mechanism and support reinforcement technology for soft rock coal roadway in high stress mining area were studied systematically by use of comprehensive s of field investigation, laboratory test, numerical simulation, theoretical analysis and field industrial test to alleviate the governance problem of soft rock coal roadway in high stress mining area. The main research contents and research results of this dissertation are summarized as follows 1The geological conditions and arrangement of the roadway were analyzed; the physical and mechanical properties and physical and chemical properties of surrounding rock of roadway were studied through laboratory test; the ground stress field distribution of the roadway area was analyzed; and the surrounding rock of roadway was classified. 2Based on the occurrence conditions of surrounding rock of roadway, the numerical calculation model of the roadway was established, the deation and failure characteristics of surrounding rock of the roadway were analyzed under the condition of excavation without support, and the instability mechanism of roadway was revealed, then the corresponding stability control principle of surrounding rock of the roadway was put forward through theoretical analysis. 万方数据 3The deation and failure of surrounding rock of the roadway was analyzed by use of the existing supporting design, the shortcomings and vulnerabilities of existing supporting design were found out, the reinforcement schemes were put forward according to the field situation, and the best reinforcement scheme was selected by use the of numerical simulation. After the reinforcement scheme was implemented，the reinforcement effect was investigated by use of a variety of monitoring s. The monitoring results showed that after using the reinforcement scheme, the deation and failure of surrounding rock of roadway reduced greatly, the supporting was in better stress state, which could keep long-term stability of roadway and ensure safe production of the enterprises, and could reduce the costs of roadway repair for the enterprise, create a certain economic benefits, and could provide a certain reference for the similar governance projects of high stress soft rock coal roadway. Key wordsHigh ground stress; Soft rock roadway; Coal roadway; Instability mechanism; Roadway reinforcement Thesis Application Study 万方数据 目 录 I 1目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状、存在的问题及发展趋势 .................................................................. 1 1.2.1 软岩巷道失稳机理研究现状 ................................................................................... 1 1.2.2 软岩巷道支护理论研究现状 ................................................................................... 2 1.2.3 巷道加固技术研究现状 ........................................................................................... 3 1.2.4 存在的问题及发展趋势 ........................................................................................... 4 1.3 研究内容及研究目标 ...................................................................................................... 4 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... 4 1.3.2 研究目标 ................................................................................................................... 5 1.4 研究方案及技术路线 ...................................................................................................... 5 1.4.1 研究方案 ................................................................................................................... 5 1.4.2 技术路线 ................................................................................................................... 5 2 高应力软岩煤巷围岩赋存条件及基础参数研究 ................................................................ 7 2.1 巷道概况 .......................................................................................................................... 7 2.1.1 巷道地质条件 ........................................................................................................... 7 2.1.2 巷道布置情况 ........................................................................................................... 8 2.2 围岩物理力学性质 .......................................................................................................... 8 2.2.1 试样加工 ................................................................................................................... 8 2.2.2 室内试验 ................................................................................................................... 9 2.3 围岩物化分析 ................................................................................................................ 13 2.3.1 X 射线衍射物相分析 .............................................................................................. 13 2.3.2 化学分析 ................................................................................................................. 14 2.3.3 围岩遇水软化膨胀性质评价 ................................................................................. 15 2.4 地应力场分析 ................................................................................................................ 15 2.4.1 地应力现场实测 ..................................................................................................... 15 2.4.2 地应力等级判断 ..................................................................................................... 16 2.5 围岩分级 ........................................................................................................................ 17 2.6 本章小结 ........................................................................................................................ 20 3 高应力软岩煤巷失稳机理及稳定控制原理 ...................................................................... 22 3.1 UDEC 数值模拟软件的优势......................................................................................... 22 万方数据 目 录 II 3.2 数值计算模型的建立 .................................................................................................... 23 3.3 计算结果及失稳机理分析 ............................................................................................ 24 3.4 巷道稳定控制原理 ........................................................................................................ 28 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 29 4 高应力软岩煤巷加固技术方案设计及优化研究 .............................................................. 30 4.1 既有支护设计分析 ........................................................................................................ 30 4.1.1 既有支护设计及围岩变形情况 ............................................................................. 30 4.1.2 既有支护设计数值模拟分析 ................................................................................. 31 4.2 加固方案的提出 ............................................................................................................ 32 4.3 加固方案的优选 ............................................................................................................ 33 4.3.1 方案 1 计算结果及分析 ......................................................................................... 33 4.3.2 方案 2 计算结果及分析 ......................................................................................... 34 4.3.3 方案 3 计算结果及分析 ......................................................................................... 35 4.3.4 方案 4 计算结果及分析 ......................................................................................... 36 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 38 5 高应力软岩煤巷加固技术现场工业性试验 ...................................................................... 39 5.1 加固方案的实施 ............................................................................................................ 39 5.1.1 顶板加固 ................................................................................................................. 39 5.1.2 两帮加固 ................................................................................................................. 40 5.1.3 底板加固 ................................................................................................................. 42 5.1.4 巷道全断面喷注浆加固 ......................................................................................... 42 5.2 加固效果考察 ................................................................................................................ 44 5.2.1 围岩表面位移 ......................................................................................................... 44 5.2.2 围岩深部位移 ......................................................................................................... 45 5.2.3 锚索受力 ................................................................................................................. 46 5.2.4 巷道不均匀变形 ..................................................................................................... 47 5.3 本章小结 ........................................................................................................................ 49 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 50 6.1 主要结论 ........................................................................................................................ 50 6.2 研究展望 ........................................................................................................................ 51 致 谢 ...................................................................................................................................... 52 参考文献 .................................................................................................................................. 53 附 录 ...................................................................................................................................... 59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及研究意义 我国地域广阔，煤矿地质条件复杂，软岩巷道在我国分布很广，在我国煤矿每年的 开拓巷道中，软岩巷道占 10以上[1]。近年来，随着开采深度不断增加，在高构造应力 的条件下，岩体表现出软岩的强度和变形特性，导致软岩矿井的数量不断增加，目前处 于软岩范围的煤层占可采煤层总数的三分之一[2]，而且随着开采深度的不断增加，这一 比例还会不断增大。这些均使得软岩巷道产生了大变形、支护困难的问题，软岩巷道破 坏和失修的现象时有发生[3]。特别是采区软岩煤巷，围岩岩性较差，且巷道布置密集， 巷道受到了原岩构造应力场和所在工作面开采扰动应力场的双重作用，原本趋于稳定的 巷道围岩，在开采扰动的作用下，巷道将处于大规模破碎岩体中，巷道产生了大变形， 围岩难以有效控制， 且原有的支护体发生了破坏甚至失效的现象， 导致围岩的变形较大， 巷道产生了较严重的片帮和底鼓现象，有的巷道虽已经过多次修复，但治理方法不当， 虽然投入了大量的成本，仍难以控制巷道的破坏失稳 [4-8]，导致巷道围岩松散破碎范围 继续增大，支护越来越困难，给煤矿的安全生产带来了极大隐患。 余吾矿是潞安集团下属一特大型现代化矿井，目前年产量已达到 1000 万吨。在煤 炭产量不断增加的同时，井田的回采深度也在不断增大，构造应力不断增大，开采条件 不断恶化，由此带来了许多安全问题，其中高应力采区软岩煤巷的大变形失稳问题尤为 突出。 因此，有必要依据余吾矿高应力软岩煤巷围岩特有的赋存条件，开展有针对性的研 究，揭示巷道的失稳机理，寻找既有支护设计的薄弱点，研究相应的加固技术与对策， 并应用于工程现场，在一定程度上缓解高应力软岩煤巷治理的技术难题，延长巷道服务 年限，无论是对安全生产，还是对增加经济或社会效益，都具有非常大的促进作用和实 践价值。 1.2 国内外研究现状、存在的问题及发展趋势 1.2.1 软岩巷道失稳机理研究现状 国内外学者对软岩巷道的失稳机理进行了长年的研究，提出了众多导致软岩巷道失 稳的原因，可总结为以下几个方面 （1）物化膨胀机理 地层中的一些软岩中富含蒙脱石、伊利石、高岭石、腐殖质和难容盐等[9-13]，它们 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 的亲水能力较强，而且软岩中的裂隙较发育，岩体在地下水的作用下，其体积会发生较 大的膨胀，最终会导致巷道围岩的变形破坏。 （2）应力扩容机理 地下岩层在多个时期的地质构造应力的作用下，在地层岩体内部集聚了较大的变形 能，以弹性变形的形式存在于岩体中。当地下巷道开挖后，岩体中存储的变形能通过弹 性变形的方式向临空区释放，因此巷道围岩发生膨胀变形[14-16]。 （3）结构变形机理 地下岩层在形成过程中，受构造应力和地质环境的影响，在岩体中，常常富含众多 结构面、节理和薄弱夹层，巷道围岩受结构面的影响，而发生沿结构面张开或滑动等失 稳破坏现象 [17-20]。 （4）最大应力破坏机理 地层的岩体处于原始构造应力场之中，其应力状态是三向的，在巷道开挖后，原先 的围岩应力平衡被打破，应力状态发生改变，由原先的三向转变成了二向，最大主应力 的方向也发生了改变，其方向与巷道围岩壁相切，导致围岩受力急剧升高，超出了岩体 的强度而发生失稳破坏[21-29]。 1.2.2 软岩巷道支护理论研究现状 国内外对软岩巷道的支护问题进行了长时期和大量的探索，并对于不同的软岩类 型，提出了许多支护理论[30]，其中比较典型的可归纳为 （1）何满潮教授[31-34]等提出了“软岩巷道优化支护理论” ，该理论认为软岩巷道支 护时，可适当释放围岩的变形能，使围岩的集中应力得到一定程度的释放，以达到围岩 的最大塑性承载力，形成较好的支护状态。 （2）张农[35,36]针对高应力软岩巷道，提出了巷道围岩滞后注浆加固、巷道过程控 制技术、巷道分步加固技术、高强预应力锚杆支护技术等巷道围岩控制理论和技术。 （3）康红普[37,38]等人提出了高预应力、强力支护理论，该理论主要针对高应力软 岩巷道，其围岩的变形具有扩容性、冲击性、流变性的特征而提出的。 （4）陆世良教授[39]等针对软岩巷道，提出了利用 U 型钢支架对巷道围岩进行控制 的理论，并得到了支架与巷道围岩相互之间的作用关系，给出了壁后充填支护的基本原 理和技术方法。 （5）董方庭教授[40]提出了围岩松动圈支护理论，该理论主要针对采区动压软岩巷 道，对围岩的碎胀变形过程进行有效的约束和控制。 （6）方祖烈教授[41]针对大断面软岩巷道，提出了软岩巷道的维护理论，即通过减 少巷道围岩发生张拉破坏，最大限度地发挥围岩承载力，来控制巷道围岩的稳定。 （7）郑雨天教授[42]针对软岩巷道的支护，提出了对于巷道围岩的加固，应确定合 万方数据 1 绪论 3 适的加固厚度，采取先柔后刚的让压原