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I 论文题目复杂环境下软岩巷道联合支护技术应用研究 专 业矿业工程 硕 士 生蒋学明 （签名） 指导老师来兴平教授 （签名） 摘 要 论文以受水害影响的宁东矿区石槽村煤矿 112202 工作面软岩巷道为依托 工程，综合应用室内试验、理论分析和现场试验相结合的研究方法，从支护与 围岩相互作用的原理出发，提出了以喷射混凝土、高性能锚带网和注浆加固为 主的水害影响软岩巷道联合支护技术。 研究表明，石槽村矿围岩性质是顶板粉砂岩、顶板粉砂质泥岩、底板泥岩。 对围岩特性从微观矿物组分特性的角度进行分析，由 X 射线衍射结果得出其主 要成分是高岭石、石英、伊利石、蒙皂石、伊蒙混层，此外，还有其他一些微 量矿物成分存在。从岩石微观结构缺陷的角度分析研究水导致围岩与支护结构 失稳及破坏的机理， 由扫描电镜分析得出石槽村顶、 底板岩石内部微裂隙发育， 晶粒之间为粘土矿物胶结。这些裂隙的存在易于水分子的渗透于粘土矿物有机 质的结合，导致未经扰动和风化的完整岩块的泥化与膨胀作用明显。同时，在 开采扰动作用下， 岩体中产生大量微裂隙， 呈现不同规则网状与条带裂隙结构， 这些微裂隙的存在又进一步提供了水岩发生相互作用的通道。由于伊利石、蒙 皂石、伊蒙混层具有较强的吸水性，在遇水条件下会发生快速膨胀与泥化，导 致伊利石、蒙皂石、伊蒙混层充分遇水，从而加速了水与粘土矿物的相互作用， 致使围岩发生大规模变形破坏，加剧了巷道支护难度。 根据基础分析结果，针对巷道支护难题，在宁东矿区石槽村煤矿 112202 工作面运输巷、回风巷和辅运巷进行了现场工业性试验，从联合支护入手，针 对水害影响的软岩巷道，研究了该类巷道的围岩控制机理，提出了围岩控制技 术，即喷射混凝土、高性能锚带网索和注浆加固联合支护技术，并对该类巷道 实施的快速掘进技术。通过现场监测可知，联合支护技术在 112202 工作面取 得了良好的支护效果，为石槽村煤矿和宁东矿区的软岩支护提供了参考依据。 关关 键键 词词软岩巷道；联合支护；工程实践 研究类型研究类型应用研究 Subject Study on the Soft Rock Roadway Combination Supporting Technology Application Research Under Complex Environment Specialty Mining Engineering Name JIANG Xue-ming Signature Instructor LAI Xing-ping Signature ABSTRACT This paper bases on the engineering background of 112202 coal face in ningdong mining area shicaocun mine that affected by the inundation, Integrated application site measurement, theoretical analysis, physical modeling and numerical simulation of the combination of research s, starting with the process of the roadway under the influence of the progressive water by environment and dynamic deation ,to the center of water damage in the periodic characteristics and the attenuation law of anchorage perance , the behavior pattern of seam roadway rock erosioned by water were studied. it reveals the roadway flooding anchor property law and weakening the security control mechanism. Major work and conclusions are By the analysis of mineral material composition and X-ray diffraction of clay relative content ,it shows that shicaocun mine roof siltstone, silty mudstone roof, floor clay mineral kaolinite, 65, 45 and 64 . One roof silty mudstone smectite, Eamon was significantly increased mixed layer, both the total content of 31. Well 2-2 Coal Mine plum top and bottom of the mineral composition directly mainly kaolinite, quartz, illite, smectite, Eamon mixed layer, In addition, there exist a number of other trace minerals. As illite, smectite, Eamon has strong absorbent mixed layer, in contact with water generally occurs under conditions of rapid expansion and clay. By the SEM experiment showed that Plum coal seam 2-2 well within the micro-fractured rock, for the cementation between the grains. The existence of these cracks easy penetration of water molecules, the combination of organic III matter in clay minerals, resulting in a complete, without disturbance and weathered rocks of the obvious effect of clay and swelling. Meanwhile, when roadways Excavation Rock, the rock mass produce a large number of micro-cracks, showing bands of different rules and the fracture network structure, the existence of these micro-cracks provided a further water-rock interaction of the channel occurs, leading to illite smectite, mixed layer imon full with water, which accelerates the interaction between water and clay minerals. Resistance to weathering of rock specimens from the pilot can see Plum 2-2 Well mine roadway roof and floor of coal shale in the lab soaking argilliferous easy to collapse, clay disintegration time of about 1.5 to 2.0 hours, this time strength has been basic small, can be broken by hand. In terms of timing, weathering the impact is greater than water, so water in the underground tunnel to avoid soaking for too long, try to use fast thinning, drainage, cut blocking the way to reduce the impact of the surrounding rock water impact. Roadway immediate roof silty mudstone with strong expansion properties, according to the measured maximum pressure and maximum expansion of the free swelling capacity, swelling characteristics should be the division level, to determine the design, calculation of the required resistance to the expansion deation is limited to a value, that is within the elastic deation of rock. Starting from control the dynamic process for seam roadway deation law of inundation proposed inundation seam roadway control techniques, include white washing technology, high-perance anchor with a network cable technology and grouting technology, seam roadway of inundation of rapid excavation techniques were studied. According to the production specification of geological site conditions, it proposed implementation scheme of the industrial tests in site, and studied propagation law of rock external and internal deation in digging process.it have a good effect in the support of engineering practice, it can effectively control the deation of seam roadway inundation. Key words Soft-rock roadway；roadway support ；Engineering Practice Thesis Application Research 西安科技大学工程硕士学位毕业论文 目录目录 1 绪论绪论 ......................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 .................................................................................. 1 1.2 课题研究现状 .................................................................................. 2 1.2.1 软岩支护理论 ........................................................................ 2 1.2.2 软岩支护技术 ........................................................................ 3 1.3 研究内容与技术路线 ....................................................................... 5 1.3.1 研究内容 ................................................................................ 5 1.3.2 技术路线 ................................................................................ 5 1.4 课题研究矿井概况........................................................................... 7 1.4.1 石槽村煤矿总体概况 ........................................ 错误错误未定义书签。未定义书签。 1.4.2 石槽村煤矿地层概况 .................................................................... 7 1.4.3 石槽村煤矿构造概况 .................................................................... 8 1.4.4 矿煤层概况 .................................................................................. 8 1.5 本章小结 ......................................................................................... 6 2 软岩巷道的基础试验研究软岩巷道的基础试验研究 ........................................................................ 7 2.1 巷道围岩组分与微结构实验研究 ..................................................... 8 2.1.1 围岩物质组成成分分析 .......................................................... 9 2.1.2X 射线衍射实验 ...................................................................... 9 2.1.3 扫描电镜实验 ...................................................................... 12 2.1.4 试验结果分析 ...................................................................... 14 2.2 巷道围岩抗风化试验研究 .............................................................. 15 2.2.1 巷道围岩浸水崩解性试验研究 ............................................. 17 2.2.2 巷道围岩吸水膨胀性试验研究 ............................................. 18 2.3 本章小结 ....................................................................................... 22 3 软岩巷道联合支护技术研究软岩巷道联合支护技术研究 .................................................................. 23 3.1 联合支护技术研究......................................................................... 23 3.1.1 软岩巷道围岩控制机理 ........................................................ 23 3.1.2 软岩巷道围岩控制手段 ........................................................ 23 3.2 喷射混凝土技术 ............................................................................ 24 3.2.1 喷射混凝土支护机理分析 ..................................................... 24 3.2.2 喷射混凝土技术 ................................................................... 24 目录 V 3.3 高性能锚带网索支护技术 .............................................................. 25 3.3.1 高强锚杆支护技术 ............................................................... 25 3.3.2 高预应力锚索支护技术 ........................................................ 26 3.4 注浆加固技术 ................................................................................ 27 3.4.1 注浆加固机理分析 ............................................................... 27 3.4.2 注浆加固技术 ...................................................................... 28 3.5 软岩巷道快速掘进技术 ................................................................. 29 3.6 本章小结 ....................................................................................... 30 4 工程实践工程实践 ............................................................................................... 31 4.1 开采技术条件 ................................................................................ 31 4.2 现场实施方案 ................................................................................ 33 4.2.1 高预应力支护体系 ............................................................... 33 4.2.2 喷射混凝土支护 ................................................................... 34 4.2.3 岩层内部注浆 ...................................................................... 34 4.2.4 现场支护方案设计 ............................................................... 34 4.3 现场实测研究 ................................................................................ 37 4.3.1 实测的内容及方法 ............................................................... 38 4.3.2 实测变形分析 ...................................................................... 39 4.4 小结 .............................................................................................. 46 致 谢 ...................................................................................................... 47 参考文献 ................................................................................................... 49 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 据中国煤炭工业协会统计[1]， 2007 年国有大中型煤矿煤巷树脂锚杆支护应用 达到 60以上，实现了由棚式支护为主向锚杆支护的逐步转化，取得显著经济和 社会效益。但是巷道顶板的可靠度仍不能满足矿井安全生产的需要，根据中国煤 炭工业协会煤矿支护专业委员会统计[2]，2008 年全国煤矿共发生各类事故 1954 起,死亡 3215 人;其中发生顶板事故 1032 起,死亡 1222 人;分别占事故起数、死亡 人数的 52.8和 38.0,所占比例最大。在年掘进进尺高达 15000 公里的浩大井巷 工程（约 80为软岩巷道和半煤岩巷）中如何有效提高支护对巷道的安全控制成 为矿井最关注的支护和安全技术问题之一。 神华宁夏煤业集团公司宁东矿区石槽村煤矿 [3]是一个新建的本质安全高效 特大型矿井。井田主体构造为鸳鸯湖背斜东翼，是近南北走向的单斜构造，除井 田西南边界鸳鸯湖背斜以外，井田范围内褶曲不发育，仅在局部地段出现波状起 伏。矿井含煤地层延安组平均厚 299.21m，可采煤层平均总厚 28.19m，各煤层顶 底板岩性和厚度变化较大，井田内各可采煤层顶底板岩性主要为砂岩及粉砂岩， 泥岩次之，部分煤层在局部范围内有泥岩或炭质泥岩的伪顶、伪底，在煤系地层 的顶部有一定数量的粗粒砂岩及中粒砂岩构成煤层的直接顶板。纵观全井田煤层 顶底板岩性，其总体特征如下 （1）岩石较松散。该井田由于在成煤阶段岩石成熟度较低，因此岩石一般 比较松软，特别是泥岩及粉砂岩类。砂岩胶结物大部分为铝土质及钙质，所以质 地比较松软，仅部分砂岩较为致密坚硬。 （2）岩石遇水软化。在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水 后短时间内迅速膨胀、崩解和软化。 （3）岩石极易风化。钻孔岩芯取出后在地表暴露约一月后的粉砂岩和泥岩， 即风化成碎块。较松软的砂岩易风化成碎块，只有坚硬致密的细砂岩耐风化。 （4）岩体多较完整。井田内岩石节理、裂隙不甚发育，受地质运动和切割 较少，构造不发育，因此，岩石未遭大的破坏，大多较完整。 井田的主要充水形式以层状裂隙充水形式较为普遍，由于裂隙发育的不均一 性，不同地段岩层透水性和涌水量也有较大的差异，一般情况下，巷道最初揭露 含水层时，涌水量较大，如果补给充足，持续时间较长，补给不足时，涌水量逐 渐变小或疏干。 目前矿井正在准备的 112202 首采面，2-2 煤顶板为 1.0 米左右的粉砂岩，局 西安科技大学工程硕士学位毕业论文 2 部夹薄层中砂岩，含水；其上覆 2.03 米的粉砂岩，夹薄层泥岩和中粒砂岩，局部 含水。2-2 煤层底板为浅灰色粉砂岩，伪底泥岩厚 0.5 米，直接底厚 2.3 米，较坚 硬，回风巷沿煤层走向整个 2－2 煤层底板在掘进过程中都比较坚硬，且该层位 厚度变化不大，机巷沿掘进方位该层位变化较大，距煤层底板厚度不一。 在巷道掘进中，巷道直接顶厚度和性质变化较大、围岩暴露后易风化破碎， 顶板砂岩含水层对于锚杆和锚索施工存在潜在的影响，造成掘巷速度慢，巷道维 护困难。由于水的作用造成巷道围岩性能劣化，围岩变形急剧增加，巷道冒顶隐 患提高等支护难题，在煤巷支护中这一问题尤为突出。解决好这一问题对该矿建 设具有极大的现实意义。 本文研究的复杂环境是指松散破碎软岩与水害共同作用下的一种围岩赋存 环境。根据近年来宁东矿区发生的多起煤巷冒顶事故的调查统计情况看，有大约 50左右的冒顶属于这种类型。初步调研表明，随着巷道变形围岩裂隙扩展张开， 导通顶板含水层，形成动态水流通道，持续弱化顶板岩体和巷道围岩支护结构， 如不及时采取措施就可能导致围岩突变，支护结构失效，顶板垮冒。 1.2 课题研究现状 1.2.1 软岩支护理论 最早的软岩巷道支护理论是从浅埋隧道的设计方法中发展而来，它是建立在 松 散 体 理 论 基 础 上 的 “ 荷 载 -结 构 ” 模 型 [4] ， 以 海 姆 （ 1912） Heim、 朗 金 （W.J.M..Rankine， ） 、金尼克为代表。随着人们对大量工程实践的总结以及对岩 体变形规律认识的加深，借助于材料力学和结构力学的最新研究成果，提出了具 有定性观点的共同承载模型地压理论。主要有坍落拱[5]（太沙基 Terzaghi 理论； 俄国学者普罗托奇雅阔诺夫在 1907 提出普氏理论自然平衡拱） 、 新奥法[6]（1965 奥地利学者 L．v．Rabcewice 总结提出，米勒教授（1980）全面论述） 、中国矿 业大学董方庭教授（1996）提出松动圈理论[7]、于学馥教授等人（1982）提出“轴 变论”理论[8]、西安科技大学惠兴田教授（2000）提出“自稳隐性拱理论”[9]等。 这些理论认为围岩破坏后能自行稳定，稳定的围岩具有自承能力，围岩与支护 结构共同承载，支护结构的作用是控制破坏区的稳定。新奥法强凋发挥围岩自身 承载能力，采用柔性让压支护技术。松动圈理论要求限制松动区的发展与裂化； 轴变论主张硐室断面具有合理稳定的轴比。随后出现的组合控制理论，如冯豫、 陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术[10]；孙钧、郑雨天和朱效嘉 教授等提出的锚喷－弧板支护理论[11]； 何满潮提出的关键部位耦合组合支护理论 [12]；朱维申教授提出的“岩体动态施工力学”理论[13]；侯朝炯教授提出的“岩体强 度强化理论”[14]。这些理论都是利用和发展了新奥法的主动支护、柔性支护的基 1 绪论 3 本原则，采用让抗结合，分步治理的支护技术，初期发挥围岩自身的承载能力， 利用支护结构及时强化围岩， 防止围岩弱化失稳， 从而达到最优控制围岩的目的。 20 世纪 70 年代，M.D.salamon 等人提出能量支护理论[15]；于学馥教授等人 运用系统论、控制论、突变论、智能论、优化论等理论提出开挖系统控制理论[16]。 其基本原理是以能量守恒和能量转化为基础，通过调整围岩内的应力及能量分 布，改善支撑压力区的应力状态，以此提高围岩稳定性。 何满潮提出关键部位耦合支护理论，该理论认为巷道支护破坏大多是由于 支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。首先破坏的部位 称之为关键部位，是发生大变形过程中局部应力、应变和能量不协调所造成的。 近几年，随着岩石力学理论和实践进展，把力学、物理学、系统工程、现代 数理科学、现代信息技术等最新成果引入岩石力学，而计算机的广泛应用为流变 学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论 等在岩石力学与工程中的应用提供可能。耗散结构论、协同论、分叉和混沌理论 正试图用于认识和解释岩体力学的各种复杂过程。 1.2.2 软岩支护技术 现有的软岩巷道支护技术主要有棚式金属支架支护、锚网索预应力支护、注 浆、柔模混凝土锚碹支护和它们之间的联合支护等。以下分别进行分析 （1）棚式金属支架[17]棚式金属支架通过提供被动的径向约束力，直接作 用于巷道围岩的表面，来平衡围岩的变形压力，减少围岩变形。棚式金属支架仅 能被动承受因围岩变形而产生的压力，在支设初期无法及时主动承载，大量的实 践表明金属支架只有在均布载荷方式下才能表现出较高的强度和承载力，而软岩 变形不均匀，不同部位变形并不一样，易造成应力集中、点载荷等受力劣化状态， 使得棚式金属支架承载能力大大降低。棚式金属支架支护具有变形适应能力差， 抗变形能力差，支护强度低、无法与围岩形成同步协调承载的缺点。粉砂质泥岩 岩体可塑性很强，具有很强的流变性，变形随时间的延长逐渐增加，如遇水渗入 或受到扰动影响，变形会进一步加速。当采用刚性支架时，刚性支架对围岩流变 变形的限制，随着时间的推移，将产生强大的流变附加应力。流变附加应力相对 刚性支架的强度是非常大的，它甚至可以轻松将重型 U 型钢扭成麻花。为了满足 支护强度的要求，即使采用重型 U 型钢、小排距全封闭 U 型钢甚至使用了刚度 非常大的双层型钢焊接而成的双桁架进行支护，仍然满足不了泥化岩体支护强度 的要求而扭曲变形破坏。刚性支护结构一旦破坏突破，变形破坏就会迅速扩展， 导致巷道失稳破坏。实践已经证明，粉砂质泥岩软岩巷道中，单纯的棚式金属支 架支护只能起到减缓变形的作用，而不能从根本上治理粉砂质泥岩软岩巷道变形 破坏，仅仅靠棚式金属支架支护已不适应该类条件下的支护要求。 西安科技大学工程硕士学位毕业论文 4 （2）锚网索预应力支护[18]采用柔性的、具有主动支护作用的锚网索等预 应力支护体系控制围岩变形，是基于巷道深、表岩体的相对位移，利用杆体直接 作用于巷道周边一定范围内的岩体，约束周围岩体的变形，而产生支护阻力，限 制围岩变形。预应力支护体系具有柔性让压、合理变形、及时支护和经济性等优 点，被煤矿巷道支护广泛采用。但由于粉砂质泥岩岩体遇水弱化强度大大降低， 以锚固力强化围岩的控制方法，失去了有效应力传递与承载介质，造成锚固松弛 乃至失效。粉砂质泥岩岩体的流变特性导致围岩持续长期大变形，也会造成树脂 锚固剂与岩体胶结面损伤，降低锚固可靠性与锚固强度，由于锚固力“传递介质” 岩石的强度遇水弱化、锚固可靠性与锚固强度降低，很容易导致锚杆整体从岩石 中拉松或拔出的情况，从而使支护失效，巷道变形破坏。由于预应力体系发挥支 护作用的前提，要求锚固可靠、围岩具有一定承载能力，对于裂隙水泥化巷道中 的应用受到限制，需要配合其它控制手段避免锚固岩体的泥化失效。 （3）注浆[19 ，20]注浆可以直接作用于巷道围岩本身，在原位改造围岩，主 动加固并直接改善围岩破裂体力学性能，从根本改善围岩性状，提高围岩力学性 能，以最大限度地提高围岩的承载能力，促使围岩形成整体结构，而且可以封堵 裂隙，防止裂隙水的浸入与围岩风化。注浆作为控制围岩泥化，阻止粉砂质泥岩 岩体遇水力学性质劣化的关键手段，能充分保护和发挥围岩自身的承载能力，在 软岩等复杂条件的巷道工程中广泛应用。但是由于粉砂质泥岩岩体与水相互作用 而弱化的特殊性，而且水泥浆液凝胶过程中析水导致粉砂质泥岩岩体弱化，使得 以水为载浆介质的水泥注浆不可以应用。粉砂质泥岩软岩影响因素多变、变形规 律复杂、而且注浆的关键参数注浆时机把握不好，使得普通水泥注浆支护效果并 不理想，必须寻找新型替代注浆材料。 （4）柔模混凝土锚碹支护[21,22]柔模混凝土锚碹支护是西安科技大学王晓 利教授发明的一种新型支护结构。该技术的具体工艺过程是预先用制作柔性模 板，柔性模板通过锚杆和钢筋网固定在巷道周边，用混凝土泵将大流动性免振捣 自密实混凝土拌和物灌入柔模中，利用柔模透水不透浆的特性，将多余的水分排 出，降低水灰比，提高混凝土强度，在巷道周边就形成一个锚碹联合支护结构。 图 1.1 柔模混凝土连续锚碹 图 1.2 柔模混凝土条带锚碹 1 绪论 5 （5）组合控制技术[23]为了克服单一支护的缺点，现场施工中采取了很多 组合控制技术，常用的有锚注支护[24]、锚喷与金属支架联合支护、金属支架与注 浆等组合支护。但在粉砂质泥岩软岩巷道中应用时，由于对巷道围岩遇水弱化机 理、变形规律没有明确的把握，而且采用的组合支护往往集中在迎头施工，控制 理念仍旧是硬岩一蹴而就的静态控制思想，无法根据现场情况及时改进支护方 案。即使采用让抗结合，分步治理的支护技术，同样也存在一个合理支护时机问 题和支护强度等控制关键因素的选择问题。很多盲目采用多种组合控制手段的治 理措施并没有起到预想的效果。 1.3 研究内容与技术路线 1.3.1 研究内容 本课题的主要研究内容围岩矿物成分分析与研究；围岩结构试验与研究； 围岩抗风化性能测试与研究；联合支护技术研究；支护设计；监控量测与分析。 1.3.2 技术路线 根据课题研究内容，确定以现场试验和监测为主，以理论分析和室内试验为 辅的研究方法。本课题研究采用的技术路线如图 1.3 所示。 西安科技大学工程硕士学位毕业论文 6 图 1.3 研究的技术路线 1.4 本章小结 本章介绍了项目研究背景，综述了国内外研究软岩巷道围岩控制理论与技术 的相关内容，并指出了目前研究存在的问题与不足。同时，简单介绍了本文的研 究内容和技术路线。 现场调查及资料收集 对任务理论分析及制订研究计 地质调查 监测反馈 总结破坏规律及机理