巴音煤矿斜井穿软岩支护技术研究.pdf

论文题目巴音煤矿斜井穿软岩支护技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生郎红日 （签名） 校内教师黄庆享 （签名） 校外教师张云峰 （签名） 摘 要 软岩种类多样，不同类型软岩的变形机制不同，其破坏机理复杂，软岩巷道支护成 为岩层控制技术难题之一。软岩的支护根据其围岩类型、围岩变形和失稳规律不同，需 要采取不同的支护原则和支护方案。本文针对巴音煤矿软弱-破碎复合型软岩斜井支护 难题，采用现场调查、数值计算和理论分析相结合的方法开展研究，取得了一下主要研 究成果和认识 （1）在工程地质调查和围岩物理力学参数测定的基础上，确定了工程区域的岩体 力学特征，得出煤层及其顶板其围岩属于“软弱破碎”复合型软岩，揭示围岩变形速 度快、来压迅速、易发生冒落是导致井筒变形破坏严重和支护困难的主要原因。 （2）通过现场观测，掌握了井筒围岩变形破坏特征是①煤层在井筒顶部时，围岩 变形破坏迅速，掘进后就出现了冒落，甚至出现“抽冒”现象；②煤层在井筒两帮或底 部时，井筒顶部围岩出现脱落，四周收敛面积大。根据井筒围岩变形破坏特征，从围岩 性质和支护方式等方面分析井筒变形破坏的原因，提出了“利用围岩自稳，高强支护， 整体控制”的支护原则。 （3）运用 MIDAS/GTS 三维有限元数值模拟软件，对井筒无支护情况进行了模拟 分析，得到了斜井在不同断面情况下的应力分布及围岩变形规律。 （4）根据“极限自稳平衡拱”理论提出“减小自稳平衡拱的发育，控制自稳平衡 拱内岩体的稳定性”的支护理念。结合围岩力学性质和井筒围岩变形规律，分别提出两 种不同支护方案，并采用数值模拟对支护方案进行分析和优化。 通过巴音煤矿支护实践与实测表明，提出的支护方案能够有效控制软岩井筒变形。 关 键 词斜井 复合软岩 数值模拟 支护技术 研究类型应用研究 Subject Research on Supporting Technology of Inclined Shaft Crossing over Soft Rock in Bayin Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Lang Hongri （（Signature）） Instructor Huang Qing-xiang （（Signature）） Instructor Zhang Yunfeng （（Signature）） ABSTRACT The deation mechanism of soft rocks is different, and its failure mechanism is very complicated. Soft rock roadway supporting has become one of the technical problems of strata control. The soft rock supporting is based on surrounding rock type, rock deation and instability condition, requiring different supporting principles and supporting programs. Because of “Weak – Broken” complex soft rock, the roadway supporting is posing a challenge for Bayin coal mine. Site surveys, numerical calculations and theoretical analysis s are combined to research supporting problems and the conclusions are as following 1 The characteristics of rock mechanics of the project area are identified according to geological survey and measurement of the rock mechanical parameters. It draws the conclusion that the roof of the surrounding rock is “Weak – Broken” complex soft rock and reveal that the rapid rock deation, the quick pressure and the prone to caving are the main reasons for the serious damage and difficulties in supporting to the shaft. 2 By in-site observation, the characteristics of the wellbore surrounding rock deation and failure are mastered ①When the coal seam is at the top of the wellbore, the surrounding rock deation is rapid and destruction of boring appears after caving, and even “caving“ phenomenon; The top rock of the wellbor②e cave off when the coal seam is in the rib or bottom of wellbore, causing the rate of convergence of the around rock largely. According to the deation characteristics of the wellbore， the reasons of failure characteristics of the wellbore deation and failure are analyzed, putting forward the principle “Rock stability, High strength and support, the Overall control“, which are the ways to control the surrounding rock deation. 3 Three-dimensional finite element numerical simulation software MIDAS / GTS is used to analyze the deation of the wellbore with no supporting, gaining the results of stress distribution and rock deation when the wellbore has different cross-section. 4 According to the theory of “extreme homeostasis arch support“, the concept of “reducing the development of self-stabilizing balance of the arch and controlling the stability of homeostatic balance of rock mass in the arch “is put forward. Combining the rock mechanics and the conditions of wellbore deation, two different supporting programs are proposed separately, and numerical simulation is used to analyze and optimize the supporting programs. The supporting practice and measurement of Bayin proves that the proposed scheme can effectively control the deation of the soft rock shaft. Key wordsInclined Shaft Complex soft rock Numerical simulation Supporting technology Thesis Application Research 目录 I 目 录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................1 1.1.2 选题意义 ...............................................................................................................1 1.2 国内外研究动态及发展趋势........................................................................................2 1.2.1 软岩巷道支护技术发展及其控制理论的研究现状 ...............................................2 1.2.2 国内外锚杆支护理论的研究现状 ..........................................................................5 1.3 研究方案及技术路线 ...................................................................................................9 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................9 1.3.2 研究方案及技术路线 ............................................................................................9 2 巴音煤矿井筒地质条件及围岩物理力学性质 ................................................................. 11 2.1 井田概况 .................................................................................................................... 11 2.2 井筒布置 .................................................................................................................... 11 2.3 井筒地质情况 ............................................................................................................. 12 2.3.1 地层情况 .............................................................................................................. 12 2.3.2 井田内主要构造及影响 ....................................................................................... 12 2.3.3 煤层特征 .............................................................................................................. 13 2.3.4 煤层的顶、底板特征 ........................................................................................... 14 2.4 煤层物理特征 ............................................................................................................. 15 2.5 岩石物理力学参数测定 ............................................................................................. 16 2.6 煤 10 及其顶底板物理学参数分析 ............................................................................ 16 2.7 本章小结 .................................................................................................................... 17 3 巴音煤矿井筒变形特征.................................................................................................... 18 3.1 软岩分类及特征 ......................................................................................................... 18 3.1.1 软岩的概念及分类 ............................................................................................... 18 3.1.2 软岩变形特征 ...................................................................................................... 20 3.1.3 软岩工程的支护原则 ........................................................................................... 21 3.2 井筒典型变形破坏特征 ............................................................................................. 22 3.2.1 井筒断面特征及支护参数 ................................................................................... 22 3.2.2 井筒变形破坏特征 ............................................................................................... 23 3.2.3 井筒变形破坏原因分析 ....................................................................................... 25 3.2.4 井筒的支护原则................................................................................................... 26 目录 II 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 26 4 巴音煤矿斜井穿软岩带的数值模拟分析 ......................................................................... 27 4.1MIDAS/GTS 三维有限元数值模拟软件简介 ............................................................. 27 4.2 数值计算模型 ............................................................................................................. 29 4.3 数值计算结果分析 ..................................................................................................... 30 4.3.1 井筒三维应力分布及变形破坏规律 .................................................................... 30 4.3.2 井筒在不同典型断面应力分布规律 .................................................................... 31 4.3.3 井筒在不同典型断面变形破坏规律 .................................................................... 32 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 34 5 斜井穿软岩支护研究 ....................................................................................................... 35 5.1 巷道围岩支护极限自稳平衡拱理论 .......................................................................... 35 5.1.1 巷道的自稳平衡现象 ........................................................................................... 35 5.1.2 巷道顶部的自稳平衡拱 ....................................................................................... 35 5.1.3 巷道围岩控制的“极限自稳平衡拱” ................................................................ 36 5.1.4 巷道围岩稳定性分区 ........................................................................................... 37 5.2 软岩巷道围岩支护技术 ............................................................................................. 38 5.2.1 破碎岩体锚杆支护作用机理 ............................................................................... 38 5.2.2 破碎软岩注浆补强机理 ....................................................................................... 39 5.2.3 喷射混凝土作用原理 ........................................................................................... 40 5.3 井筒支护方案设计 ..................................................................................................... 40 5.3.1 原支护方式存在的问题 ....................................................................................... 40 5.3.2 支护方案设计 ...................................................................................................... 40 5.4 井筒支护方案优化后的效果模拟 .............................................................................. 41 5.4.1 井筒支护模拟 ...................................................................................................... 41 5.4.2 井筒支护体应力分析 ........................................................................................... 41 5.4.3 井筒支护后与无支护的应力效果分析 ................................................................ 43 5.4.4 井筒支护后与无支护的位移效果分析 ................................................................ 43 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 44 6 工程实践与支护效果 ....................................................................................................... 45 6.1 实验地段的工程地质条件 ......................................................................................... 45 6.2 支护参数的确定 ......................................................................................................... 45 6.2.1 注浆参数的确定................................................................................................... 45 6.2.2 锚杆参数的确定................................................................................................... 47 6.2.3 锚索参数的确定................................................................................................... 49 目录 III 6.3 井筒支护优化方案 ..................................................................................................... 50 6.4 施工工艺 .................................................................................................................... 51 6.4.1 注浆工艺及操作要求 ........................................................................................... 51 6.4.2 可缩性 U 型钢架安装工艺及操作要求 ............................................................... 53 6.4.3 锚杆施工工艺及操作要求 ................................................................................... 54 6.5 支护效果监测 ............................................................................................................. 55 6.5.1 监测方案 .............................................................................................................. 55 6.5.2 支护效果 .............................................................................................................. 55 6.6 本章小结 .................................................................................................................... 56 7 结论 .................................................................................................................................. 57 致 谢 ................................................................................................................................. 59 参考文献 ............................................................................................................................. 60 附 录 ................................................................................................................................. 63 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 巷道控制质量的好坏，直接地影响着矿井的安全和生产，其中煤矿软岩巷道围岩控 制问题又是巷道控制中的重大难题之一。据不完全统计， “九五”期间，我国在建的 10 个能源建设基地中 8 个出现软岩支护问题[1]， 至今还没有一种既有效而又经济维护软岩 巷道围岩稳定性的支护措施[2] ，造成建井困难，投资巨大，软岩支护问题也日趋严重。 其中大量节理裂隙极为发育的破碎软岩巷道在地压及工程应力的作用下变形和破坏严 重，如果支护设计不合理，巷道围岩变形更加剧烈，支护困难，最终将导致巷道破坏， 巷道需要重新维修，不仅浪费大量人力物力，而且直接影响煤矿高效生产，危及人身安 全。 软岩的种类复杂多样，各种软岩的成因不同，其围岩特性也不尽相同，如何控制软 岩就要通过对围岩自身特点的研究，并结合工程实践，才能有针对性提出软岩的控制技 术及合理的支护参数，为软岩巷道的支护提供一种安全、高效、低成本的方案。 1.1.2 选题意义 近年来，大量的研究表明锚杆支护作为一种主动支护能有效改善围岩力学特性，与 传统的被动支护形式相比具有明显的优势，在我国已经得到了大规模的普及和应用。但 由于对具有软岩特性的巷道围岩围岩应力和变形特性了解不够，因而选取的锚杆与围岩 应力和变形特征不符，其支护效果不理想，容易造成巷道围岩冒落，锚杆支护强度非常 低，在围岩破碎的条件下根本达不到围岩变形的要求，导致松散破碎区变大，最终超过 锚固区，此时锚杆系统失效和围岩一起移动，现场所表现的就是锚杆不破断但围岩位移 大甚至冒顶。 内蒙古兰太资源开发有限责任公司巴音煤矿，主、副、风井沿煤 10 底板掘进，倾 角在 25左右，相当于倾斜巷道。但因煤层及其顶板岩层软弱破碎，煤层倾角变化，井 筒掘进时常遇煤 10 及其顶板，且该矿未对此类岩层采取针对性的支护措施，导致井筒 变形破坏严重（如图 1.1）。该矿主井掘进遇煤 10 后曾发生大范围的冒落，不仅给巷道 的施工带来了巨大的影响，还严重地威胁矿工的生命安全。因此，探索出这类巷道围岩 的变形与失稳规律，提出经济、合理的支护控制对策，改善围岩的受力状态，建立稳定 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 支护系统，使巷道能正常运行的同时，保证煤矿安全生产，提高矿井的经济效益具有相 当重要意义。 图 1.1 井筒现场的破坏情况 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 软岩巷道支护技术发展及其控制理论的研究现状 （1）软岩巷道支护技术研究现状 软岩巷道控制一直是个难题，支护形式也是多种多样的归纳起来主要有下列几种形 式 砌碹支护、金属支架支护、喷锚支护及联合支护等多种方式。 1）砌碹支护 砌碹支护是煤矿井巷常用的支护方式之一，美国、澳大利亚在早期煤矿支护中应用 过此种支护方式，但目前已被锚杆完全取代[3]；目前，中国使用砌碹支护的巷道也在逐 步减少。 它是采用混凝土、 料石等材料砌筑而成连续整体的巷道支架， 它能够封闭围岩、 防止风化。 砌碹支护具有坚固、阻水、防火、耐久、通风阻力小等特点，它一般由基础、直墙、 拱三心拱、圆弧拱、半圆拱所构成，适用于围岩破碎，地压大以及服务年限较长的井 巷。缺点是劳动强度大、施工速度慢，属于刚性支护形式，承压时受力不均匀，易开裂、 变形，巷道维护较困难，因此，不适用于围岩变形很大的软岩巷道支护。 2）金属支架 西欧如英、法、德等国直到 20 世纪 80 年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不 1 绪论 3 同的金属支架。他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加工，其 加工质量好，性能可靠，机械化安装，效果好。俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为 主[4]，对不同围岩采用不同类型的金属支架。金属支架用量约占支护总量的 70左右。 我国从 1960 年开始使用金属支架支护巷道。 先后研制了 18、 25 号 U 型钢拱形支架 和 9、11、12 号矿用工字钢，目前研制的这两类支护钢材基本能够满足一般采区巷道和 综采巷道的支护要求。 金属支架优点[57] ①支护强度大。金属支架如果形状选择合适，其整体具有较高的承载能力，当围岩 压力较大时，可采用联合支护方式。 ②适应围岩变形能力较强，具有柔性支护的特点。U 型钢可缩性支架在围岩的压力 达到一定值时，支架就缩动，支架上承受的压力下降，从而避免支架遭到破坏。 ③可多次使用，综合成本低。