地下煤矿软岩巷道注浆支护技术研究.pdf

分类号____________ 密 级______________ ＵＤＣ____________ 单位代码______________ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目地下煤矿软岩巷道注浆支护技术研究 学 号_________________________ 作 者_________________________ 专 业 名 称_________________________ 2012 年 05 月 31 日 赵志云 公 开 1 0 1 2 7 矿业工程 201002387 TD3 内蒙古科技大学硕士学位论文内蒙古科技大学硕士学位论文 论论文题目文题目 作者作者_________________________ 指指 导导 教教 师师 单位单位 论文提交日期论文提交日期2012 年 05 月 31 日 学位授予单位内学位授予单位内 蒙蒙 古古 科科 技技 大大 学学 张金山 教授 内蒙古科技大学 地下煤矿软岩巷道注浆支护技术研究 赵志云 地下煤矿软岩巷道注浆支护技术研究 Underground coal mine soft rock tunnel grouting support technology research 研 究 生 姓 名赵志云 指导教师姓名张金山 内蒙古科技大学矿业工程学院 包头 014010，中国 Candidate ZHAO Zhi-Yun Supervisor ZHANG Jin-Shan School of mining engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得内蒙古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。 签名___________ 日期____________ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名___________ 导师签名___________ 日期____________ 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 开展地下煤矿软岩巷道注浆支护技术研究具有非常重要的工程实用价值和理 论意义。本文以神华平沟煤矿 1006 运输顺槽注浆支护科研项目为依托，采用现场 调研、理论分析、现场监测相结合的方法，对软岩巷道注浆支护技术进行了研究。 采用注浆方法对地下煤矿软岩巷道进行支护，突破了传统的支护形式，是主 动地保持围岩的完整性和稳定性。浆液通过围岩中存在的裂隙进行扩散，并将裂 隙充填。浆液与破碎围岩固结成一个整体，充分发挥围岩自身的支承作用，提高 了岩体的强度。 本论文对目前的软岩巷道支护技术，注浆理论，注浆工艺等进行了概括。通 过做实验研究了注浆材料性能，比较了普通硅酸盐水泥和超细化注浆材料性能， 并研究不同配比下注浆材料的凝固时间和凝固强度，从而得出不同注浆材料对地 质情况的适应性；熟悉了注浆设计的过程，并结合实际情况对注浆参数通过注浆 试验进行修正。 根据实际情况对神华平沟煤矿 1006 运输顺槽进行注浆设计，分别采用了浅孔 注浆和深孔注浆两个方案进行注浆支护现场试验，注浆后，巷道顶板和两帮的破 碎情况得到控制，原先破碎顶板不再随采随冒。并采用收敛计量测了巷道顶板和 两帮的变形量，采用钻孔内窥仪和超声波仪完成了围岩密实程度测试，综合分析 了注浆支护后的效果， 从而肯定了 1006 运输顺槽软岩巷道注浆加固方案的可行性。 随后在 2011 年 12 月份顺利通过了神华乌海能源有限公司的专家和领导审核，成 功验收了该项目。 最后对煤矿软岩巷道注浆支护进行了技术可行性和经济效益分析，作出了结 论。 关键词关键词软岩巷道注浆支护；注浆工艺；注浆设计；现场试验；注浆效果 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Research support technology of soft rock roadway of underground mine has important practical engineering value and theoretical significance. Based on the project of Shenhua Pinggou coal mine about roadway grouting supporting. This article used the of combining the site investigation, theoretical analysis and the scene monitoring, studied the soft rock tunnel grouting support technology. The application of grouting for underground coal mine soft rock roadway support take the initiative to maintain the integrity and stability of the surrounding rock compared to the traditional support . The serous spreaded in the surrounding rock through fissures, and filled the fissures. The grout and the broken wall rock solidified into a whole, which can not only give full play to the supporting role of the surrounding rock itself, but also improve the strength of rock. This paper summarized the current soft roadway support technology, grouting theory, grouting process,Grouting material properties,and comparison of the perance of ordinary Portland cement and the refined grouting material, and the coagulation time and solidification strength of grouting material in different ratio were studied, concluded that the adaptability of grouting materials on the geological condition is different; Familiar with the process of grouting design, and grouting parameters to be corrected by grouting test. According to the actual situation, design grouting way of the Shenhua Pinggou coal 1006 transportation crossheading, and use shallow hole grouting and deep hole grouting to do the field test of grouting, after grouting, the breakage of the tunnel roof and two help get control, original broken roof is no longer fall. In addition, use the convergence meter to measure the deation of tunnel roof and two help, use of drilling peep and ultrasound machines completed the test of compaction rate of the surrounding rock, comprehensively analyse the effects of grouting support, affirmed that the use of grouting reinforcement scheme is feasible. Then in December 2011, passed the Shenhua Wuhai energy Co., LTD of experts and leadership audit, and successful acceptance of the project. Finally, analysis the technical feasibility and economical benefit of the coal mine soft rock tunnel grouting support, and make a conclusion. 内蒙古科技大学硕士学位论文 III Key WordsSoft rock tunnel grouting support; Grouting process; Grouting design; Field test; Grouting effect 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 1 研究的目的、意义与国内外研究现状 ............................................................ 1 1.1 课题研究的背景...................................................................................... 1 1.2 研究的目的和意义 .................................................................................. 2 1.2.1 研究的目的 .................................................................................... 2 1.2.2 研究的意义 .................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状 ...................................................................................... 3 1.3.1 软岩巷道工程支护技术的研究现状 ............................................ 3 1.3.2 注浆理论研究现状 ........................................................................ 3 1.3.3 岩体结构理论研究现状 ................................................................ 3 1.3.4 注浆材料的研究现状 .................................................................... 4 1.3.5 注浆方法的研究现状 .................................................................... 4 1.3.6 注浆设备及配件的研究现状 ........................................................ 5 2 课题研究的主要内容和技术路线 .................................................................... 6 2.1 研究的主要内容 ...................................................................................... 6 2.2 研究的技术路线图 .................................................................................. 6 3 软岩巷道变形破坏机理及其支护理论研究 .................................................... 7 3.1 软岩的变形破坏机理及特征 .................................................................. 7 3.1.1 软岩的定义 .................................................................................... 7 3.1.2 软岩巷道变形破坏机制与特点 .................................................... 7 3.2 软岩巷道支护技术关键 .......................................................................... 7 3.3 软岩巷道支护的基本原则 ...................................................................... 8 3.4 软岩巷道注浆加固技术 .......................................................................... 9 3.5 本章小结 .................................................................................................. 9 4 注浆材料的研究.............................................................................................. 10 4.1 注浆材料材质的选择 ............................................................................ 10 4.1.1 硅酸盐水泥水化硬化特点 .......................................................... 10 4.1.2 硅酸盐水泥注浆材料性能 .......................................................... 12 4.1.3 硫铝酸盐水泥水化硬化特点 ...................................................... 13 4.1.4 硫铝酸盐注浆材料性能 .............................................................. 14 4.2 超细化对注浆材料性能的影响 ............................................................ 15 4.2.1 超细化对注浆材料的一般作用 .................................................. 15 4.2.2 超细化对硫铝酸盐注浆材料性能影响 ...................................... 15 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.2.3 超细化前后粒度变化 .................................................................. 16 4.2.4 超细化对凝结时间的影响 .......................................................... 17 4.2.5 超细化对强度的影响 .................................................................. 18 4.3 本章小结 ................................................................................................. 18 5 1006 运输顺槽注浆支护设计.......................................................................... 19 5.1 1006 运输顺槽支护方法选择 ................................................................ 19 5.2 注浆设计原则 ........................................................................................ 19 5.3 注浆方案设计 ........................................................................................ 20 5.4 注浆质量保障与安全措施 .................................................................... 22 6 1006 运输顺槽注浆支护.................................................................................. 24 6.1 工程概况 ................................................................................................ 24 6.2 1006 运输顺槽掘进情况及破坏原因分析 ............................................ 26 6.2.1 1006 运输顺槽掘进施工情况 ...................................................... 26 6.2.2 运输顺槽破坏原因分析 .............................................................. 27 6.3 1006 运输顺槽注浆支护设计 ................................................................ 27 6.3.1 注浆支护设计方案一浅孔注浆方案 ...................................... 27 6.3.2 注浆支护设计方案二浅深孔结合注浆方案 ...................... 29 6.4 工程需要的主要材料与施工设备 ........................................................ 31 6.5 现场注浆记实 ........................................................................................ 32 6.5.1 第一阶段注浆浅孔注浆 .......................................................... 32 6.5.2 第二阶段注浆深孔注浆 .......................................................... 33 6.5.3 第三阶段注浆深孔注浆 .......................................................... 34 6.5.4 第四阶段注浆浅-深孔结合注浆 ............................................ 35 6.5.5 设备维护与维修 .......................................................................... 35 6.5.6 第五阶段注浆浅-深孔结合注浆 ............................................ 36 6.6 注浆效果分析 ........................................................................................ 37 6.6.1 巷道表面位移监测 ...................................................................... 37 6.6.2 围岩表面位移数据分析结果 ...................................................... 39 6.6.3 煤矿用钻孔电子窥视仪观测结果 .............................................. 40 6.6.4 超声波测试结果 .......................................................................... 43 6.6.5 巷道支护的稳定性分析 .............................................................. 48 6.7 小结 ........................................................................................................ 48 7 技术和经济效益分析...................................................................................... 50 7.1 技术上的可行性分析 ............................................................................ 50 7.2 经济效益分析 ........................................................................................ 50 结 论.............................................................................................................. 53 参 考 文 献........................................................................................................ 54 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 在学研究成果 ...................................................................................................... 57 致 谢 .............................................................................................................. 58 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 研究的目的研究的目的、、意义与国内外研究现状意义与国内外研究现状 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 我国煤矿每年新掘进巷道总长度高达 8000km，其中有多半是开掘在煤层中的煤 巷。我国煤矿开采深度以 812m/年的速度增加，最深达 1300 多米，预计 20 年后， 我国有很多煤矿将进行 1500m 的深部开采。深部开采会引起高地温、高水压、高地 压和强烈的开采动压的影响。随着煤矿开采深度的增加，受地质条件的影响，不可避 免的要面对越来越多的软岩问题。据调查，由于松软围岩采煤工作面顶板冒落造成工 作面停产时间占总停产时间的 50％左右，我国每年大约有 20％左右的采煤工作面因 顶板控制状态不理想而处于低产状态。 越来越多的巷道布置在煤层中， 围岩压力加大， 巷道围岩控制难度增加，巷道变形、失稳已成为制约矿井安全高效生产的重大问题。 在软岩中开拓巷道，由于变形使巷道围岩释放了大量的能量，扩大了围岩弱面进 一步发展，同时围岩膨胀、松动、变形、破碎，产生新的裂隙，扩大巷道围岩松动圈 的范围，破碎区围岩的性质同破碎之前相比，有较大的差异。对于软围岩回采巷道， 围岩变形量大，为了改善巷道维护状况，可采取两种有效方式。一方面要努力改善周 围岩体结构及其性能， 提高巷道周围岩体承压的能力和充分发挥围岩潜在的自身承载 能力；另一方面要研究围岩和支护的相互关系，采用合理的支护措施，才能有效地对 围岩进行维护。 神华平沟煤矿是神华乌海能源有限责任公司的主力矿井。该矿 10煤层厚度为 0.72m2.10m，平均厚度为 1.28m，倾角为 9 ，硬度系数 f 约为 24。10煤层顶板为 已采 9 煤层的底板，为灰色泥岩；在 10煤层掘进 1006 运输顺槽时，掘进工作面顶板 随采随冒，极易发生顶板冒、漏事故，并且由于 9上方采空区有大量积水渗下，导致 巷道掘进非常困难，再加上原先支护方式主要靠生产经验采用锚杆、锚索、可缩性 U 型钢支架等联合支护 [1，2]，虽然巷道的矿山压力显现不十分明显，但支护成本高，掘 进效率低，严重影响着该矿正常掘进作业。 煤矿软岩巷道不仅关系到神华乌海平沟煤矿的生产安全、经济等诸方面，同时也 是很多矿面临的重要问题。但由于各矿的地质情况不同，生产条件各异，都需要开展 系统全面的支护理论、支护方法、支护材料、设计方法、施工工艺等方面的研究。只 要解决了软岩巷道支护，就能从根本上改变巷道支护状况，实现安全、高效支护，为 矿井的高效率与安全生产创造良好条件 [3]。 地下煤矿软岩巷道支护的方式有棚式支护、石材整体式支架、锚喷支护、注浆支 护。注浆支护 [4]是煤矿软岩巷道支护的一种重要方式，所以开展地下煤矿软岩巷道注 浆支护技术研究具有非常重要的工程实用价值和理论意义。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1.2 研究的目的和意义研究的目的和意义 1.2.1 研究的目的研究的目的 注浆技术是一项实用性很强，应用范围广的工程技术。煤矿注浆支护是主动地保 持围岩的完整性、稳定性，控制围岩变形、位移及裂隙发展，充分发挥围岩自身的支 承作用。即以护为主，以支为辅，是加固松动圈，常用于断层破碎带等不稳定岩石巷 道的支护。 1通过实验研究，了解不同注浆材料对于各种地质情况下煤矿软岩巷道的适用 性，特别是研究一种适合于神华乌海平沟煤矿 1006 运输顺槽的注浆材料。 2煤矿软岩巷道注浆支护以后，将松散的、破碎的围岩固结成一个整体，提高 了围岩的整体强度，保证荷载均匀，避免巷道出现应力过度集中而造成破坏；与原岩 形成整体，在动压的作用下其振动频率与原岩一致而不易破坏。 3煤矿软岩巷道注浆支护以后，作用在拱顶上的压力有效地传递到巷道两帮和 底板，加大了组合拱的厚度，作用在两帮和底板上的荷载集中度得到缓解，使两帮和 底板岩石中的应力和塑性变形减弱，从而保证了两帮的稳定，减轻了底臌。同时在底 板和两墙稳定的情况下又能够保障拱顶的稳定。 4神华乌海平沟煤矿 1006 运输顺槽经过注浆支护以后， 将围岩中的裂隙进行充 填，提高了围岩的强度和整体性，使巷道顶板和两帮的破碎情况得到控制，从而保证 了 1006 运输顺槽安全的、高效的掘进。 1.2.2 研究的意义研究的意义 煤矿软岩巷道不稳定影响采矿工程的进度和质量、增加工人劳动的风险、给煤矿 生产带来了危险因素、严重者甚至造成生命和财产的重大损失。我国煤田水文地质情 况复杂，有许多待开采的煤炭储量受到较为严重的软围岩的威胁，对其进行防治具有 非常重要的现实意义。同时，随着越来越多的煤矿进入深部开采，由于深部岩石具有 高应力、高温、流变现象严重的软岩较多，煤矿软岩巷道的支护技术等问题面临更大 挑战。然而，注浆支护是矿井软岩巷道支护的重要方法之一，合适的注浆支护，具有 减轻矿井支护负担，降低吨煤成本，提高工效和质量，加固井巷薄弱地段，减少突水 机率、延长矿井服务年限的明显优点。开展煤矿软岩巷道破坏机理及其注浆支护技术 研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 本研究对普遍存在着的软围岩回采巷道的 掘进和维护的困难也将起到积极作用， 甚至对国内类似条件下的矿井具有推广应用价 值和借鉴意义。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 软软岩巷道工程支护技术岩巷道工程支护技术的的研究研究现状现状 软岩的大变形力学特性，使软岩巷道支护技术比较复杂，单一的支护方式难以保 证软岩巷道工程的安全。所以，软岩巷道工程支护技术由过去单一的支护形式逐步发 展为各种多次支护、联合支护方式，如锚喷、锚网喷 [5，6]、锚喷网架[7]支护系列技术、 钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固系列 技术和预应力锚索支护系列技术。特别是近年来注浆技术的发展，使其成为软岩巷道 支护的重要技术之一， 其独特优点是能把破碎围岩固结成一个整体， 控制巷道稳定性， 这是目前我国软岩巷道支护的趋势和方向 [8，13]。 1.3.2 注浆理论研究现状注浆理论研究现状 注浆事业的快速发展带动了注浆理论在一定程度上的提高。然而，由于施工工程 的隐蔽性和复杂的地层条件、注浆介质和注浆工艺难以模拟，所以注浆理论的研究难 以展开。到现在为止，注浆理论方面国内外的研究现状主要有以下两个方面 [9]。 （1）渗透注浆理论; （2）劈裂注浆理论 [10]。 浆液在裂缝或孔隙中的流变性可用层流条件下的流变参数来表示， 由于浆液类型 不同导致浆液的流变性也不同，一般将浆液分为非牛顿体和牛顿体，前者表示浆液内 剪应力与剪切率不成正比关系，如流动性不好的水泥悬浊液归属于非牛顿体，后者表 面浆液流动时剪应力与剪切率成正比，如流动性好的化学浆液就归属于牛顿体 [11]。 注浆工程中最常应用的是劈裂注浆法和渗透注浆法， 其相应的理论研究是非常重 要的 [12]。 1.3.3 岩体结构理论研究现状岩体结构理论研究现状 岩体的裂隙和孔隙导致岩体强度的降低，岩体的裂隙和孔隙也是浆液流动的渠 道， 由于岩体的结构不同， 造成浆液流经的途径方式不同， 进而导致不同的注浆效果， 所以研究整个注浆系统的基础是对岩体结构的研究。 目前在岩体结构方面的研究国内 外主要有以下方面 [13] （1）多孔介质理论； （2）拟连续介质理论； （3）孔隙和裂隙双重介质理论； 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - （4）裂隙介质理论。 虽然现在岩体结构理论模型较多，但大多是关于多孔介质模型的研究，而浆液中 的水泥颗粒较大限制了浆液的渗透性，一般不能通过岩块的孔隙渗入，而主要通过裂 隙进行渗透，因此，岩体结构模型中适用于注浆理论模型不多 [14]。 1.3.4 注浆材料的研究现状注浆材料的研究现状 现代工程中越来越多的用到新技术和新的材料,在地下工程和隧道的施工中为了 节约成本而出现了很多种新的注浆材料。 总体可以分为固体注浆材料和化学注浆材料 两大类 [15]。 1固体注浆材料 ①水泥粘土浆； ②单液水泥浆 [16]； ③粘土浆； ④水泥水玻璃浆。 2化学注浆材料 [17] ①环氧树脂类浆液； ②水玻璃类灌浆材料； ③甲凝浆液。 3发展前景 传统固体注浆材料颗粒较大,可注性较低, 不能满足各种地层的不同要求;化学 注浆材料虽可注性好、凝结时间易控制,但较固体注浆材料胶凝后抗压强度明显弱很 多;注浆材料的环保性、毒性、腐蚀性对实际工程中注浆材料的选择造成了很大的局 限性;很多注浆材料因自身和施工成本较高而得不到广泛的应用。所以，现阶段注浆 材料的耐久性、环保性、能适应不同环境的性能成为人们主要研究的方向。总之，寻 求可灌性好、渗透性强、固结体