深部煤矿高抽巷顶管施工力学行为及对策研究

发布时间：2020-08-12 22:51

【摘要】：我国煤炭行业已经进入千米以下的深部开采时代,目前我国每年掘进6000kM的煤矿巷道中,深部巷道占了28%~30%。深部高地应力、高地温和高渗透压的特殊复杂地质环境导致巷道的开挖更加困难,传统炮掘法和综掘法难以满足现代煤矿安全、高效、绿色开采要求,为实现深部煤矿可持续开采的目标,提高煤炭行业生产的整体综合效益,迫切需要研发“小型化、机械化、自动化、智能化、信息化”的深部煤矿巷道施工成套设备及技术~([3])。相对于大断面(直径D?4.0m)TBM的施工,顶管机设备小,适用于煤矿深部的运输与安装。不同于TBM工法,顶管施工时工人在工作硐室对顶管机进行远程控制,巷道掘进、支护及出渣均由机械自动完成,工人不需到采掘工作面进行作业,避免了因工作面坍塌或瓦斯突出造成的工伤事故,所以顶管技术如能成功应用于深部煤矿的巷道施工,不仅解决了现有小断面硬岩巷道施工速度慢、作业环境恶劣、经济效益差的问题,还最大程度地实现了煤矿无尘生产的本质安全,大大降低了工人的劳动强度,是深部煤矿智能化无人开采技术的重大变革和突破。由于深部地层岩体结构特征、力学行为和工程响应与浅部地层岩体有本质区别,深部煤矿巷道的建设环境和浅部隧道存在显著差异,顶管法在浅部的施工理论及技术已经不能完全适用于深部施工,相关的理论研究也尚属空白,所以本文主要围绕顶管技术应用于深部煤矿高抽巷施工开展一系列关键岩石科学与施工技术问题研究。本文采用弹塑性理论对顶管施工的圆形巷道围岩变形进行分析,并根据深部小断面圆形巷道围岩地应力接近静水压力、偏应力较小及塑性应变水平较低的特点,首次提出并推导了基于伯格斯(Burgers)模型的深部顶管施工巷道围岩径向蠕变位移的理论计算公式,给出了具有工程参考意义的顶管机头超挖量(35)R的简化计算公式。算例分析指出:⑴由于顶管开挖的巷道直径较小,在1.5m~2.0m之间,即使处于软岩地层(弹性模量E(28)4.5GPa),在高地应力的状态下(p_v(28)30M Pa),巷道围岩的弹塑性径向位移量级也很小(不超过10mm),由于巷道径向超挖量一般在50mm以上,所以巷道瞬间变形不会造成抱管事故;⑵深部巷道长期变形属于不稳定蠕变,巷道围岩初期(第一周)蠕变速度增长很快,随后增长稳定,但不收敛,24小时(1d)时巷道径向变形比初始瞬时变形增长了45.5%,48小时(2d)时巷道径向变形比初始瞬时变形增长了57.6%,96小时(4d)时巷道的径向变形比初始瞬时变形增长了62.0%,此后巷道径向变形进入线性增长阶段,所以顶管施工必须保证一定的掘进速度;⑶计算分析同时指出,在注浆压力作用下,可以减小围岩变形,使巷道围岩更为稳定。本文利用离散元PFC3D程序对巷道蠕变特性进行了系统的研究。首先,调用伯格斯接触模型,通过虚拟蠕变试验对巷道所处粉砂岩层的微观参数进行标定,并与室内试验数据对比,验证了离散元方法用于岩石蠕变问题分析的可行性。然后,建立巷道的平面应变离散元模型,设置多个测量球,得到了巷道围岩的应力应变在时间和空间上的分布情况。以张集矿北区1413A高抽巷为例,对采矿巷道进行了数值模拟,并与理论解对比,发现两者吻合较好,可为后续深部煤矿巷道围岩变形的深入研究提供有益的参考。本文根据深部岩层顶管工程的纠偏原理,首次提出顶进轨迹的二次曲线特征方程,并根据该方程推导了管周摩擦力的递推式,给出了沿程阻力的修正系数K值表;本文同时提出深部岩层顶管工程顶力与围岩性质密切相关,并根据情况I、II、III、IV类的不同围岩性质推导了不同的顶力计算公式。算例分析指出:⑴纠偏角越小,形成的纠偏轨迹曲线偏差量越大,纠偏所需要的距离也越远,顶管整体稳定性越差;但纠偏角越大,管节接头应力集中增加越快,容易导致管节接头破坏,建议纠偏角不宜大于0.5°。⑵影响机头偏差值?_(max)最敏感的因素是初始机头倾角?_o,?_o越大,?_(max)越大;当?_o?1?时,每顶进一节管(2m),机头即偏差轴线3.5cm;其次是纠偏角?,?越大,?_(max)越小。所以当机头出现偏差的时候,施工操作首先应判断初始机头倾角?_0的大小,即使机头绝对偏差值较小,但初始机头倾角?_o较大时,也需要开始进行纠偏;在硬岩地层里初始机头倾角?_o不应超过1.0°。在纠偏角?一定的情况下,顶力损耗率随着顶进距离的增加而增加;另外,在同样顶距的情况下,顶力损耗率随着纠偏角的增加而增加,而且纠偏角对顶力损耗率影响更大。同时分析指出顶进速度越快,顶力也越大,施工完成时的巷道径向位移越小,发生抱管事故的概率也就越低,但施工的能耗和成本会相应增加,所以顶进速度需对顶力与超挖量进行综合分析后确定。本文建立弹塑性模型对顶管管节受力进行有限元分析,通过与足尺物理试验对比分析证明了该数值模型的有效性,并利用该模型对管节受力进行了展开分析,分析结果可指导优化矿用管材的结构设计。本文首次提出了顶管技术应用于深部煤矿高抽巷顶管施工的围岩分级方法,根据岩石的单轴抗压强度、岩体的完整程度、岩石单轴抗压强度与地应力比值R_c/p_v、渣料情况等四个主要影响因素,将深部巷道围岩分从好到差分为I、II、III、IV类级别。I类围岩地层,顶管工法非常适用,不仅施工掘进效率高,而且围岩稳定,发生抱管事故的概率很小;II类围岩地层,顶管工法仍然适用,施工掘进效率较高,围岩较稳定,发生抱管事故的概率较小;III类围岩地层,顶管工法可以适用,但施工掘进效率较低,围岩变形较大,发生抱管事故的概率较大,施工要有相应措施,譬如加大顶力储备,加大注浆压力,增加中继间及加大超挖间隙值;IV类围岩地层,此时围岩会发生严重变形,极容易发生抱管事故,顶管工法已不适用,建议采用常规的炮掘法和综掘法开挖。本文对首次深部煤矿高抽巷顶管工业试验进行了分析,试验现场观测表明顶管结构受力复杂,与理论研究相符,也验证了前文的围岩变形理论。通过分析总结了深部巷道首次顶管施工的宝贵经验,对设备、管材及施工工的艺改造给出了优化的建议,为下一次500m长距离深部巷道顶管施工的大型工业试验做了技术储备。综上所述,本文主要围绕探讨深部煤矿巷道顶管施工的适用性展开理论与实践的研究工作,初步构建了深部煤矿巷道顶管施工理论与实践的技术体系,可以指导深部煤矿顶管工程的可行性研究与施工组织设计,其研究成果对推动深部煤矿开采的技术革命具有重要理论意义和应用价值,但由于深部地层的复杂性,顶管技术在矿区的全面推广及应用还面临许多技术上的不成熟,需要进行更为全面的、深入的、系统的理论及工程试验研究。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD263
【图文】：

示意图,平面布置,示意图,上隅角瓦斯

华南理工大学博士学位论文之更加偏离上隅角，无法抽出上隅角瓦斯；⑶高位钻孔抽放上隅角瓦斯，该方法受限于现有钻进设备钻孔半径小、钻孔浅且不均匀的客观条件，治理一个回采工作面需要施工多个钻场，每施工一个钻场都要开上山巷，不仅费时费力，而且效率低下，经济成本低。近些年，掘进高抽巷抽采上隅角瓦斯在煤矿得到了广泛应用。高抽巷布置在顶板破坏裂隙带内，当顶板跨落后，临近层及围岩内的瓦斯平衡受到破坏，由临近层及围岩解吸的瓦斯沿裂隙向采空区流动，通过抽采采空区顶板裂隙及冒落间内积存的高浓度瓦斯切断上临近层的瓦斯涌向工作面通道，对采空区下部瓦斯起到拉动作用，从而减少工作面瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯积聚。高抽巷具有抽采浓度大、抽采量稳定特点，特别适合高瓦斯区域瓦斯治理，抽采出的高浓度瓦斯不经过采煤及回风巷区域，安全可靠性高，属本质安全型抽采方法。具体见图 1- 1[5]。

示意图,顶管工程,技术,示意图

集矿井下成功进行了掘进巷道 560m 的工业试验，从工程实践上论证了 TBM 应用于煤矿巷道建设的可行性，但 TBM 的应用也遇到了一些问题，如：①对于高抽巷等的小断面煤矿辅助巷道，断面面积达到 2m2就能满足设计要求，但 TBM 掘进的巷道的断面尺寸往往都要达到 7~10m2，其掘进的巷道利用率低，大大增加了施工成本；②TBM 设备直径一般在 4m 以上，目前煤矿机械设备主要是依靠竖井提升进行运输，大多数的竖井无法满足 TBM 的下井运输要求；③TBM 掘进机结构复杂，设备小型化难度大，制造成本高，井下安装辅助工序时间长，效率较低。所以，种种因素均限制了 TBM 在深部煤矿高抽巷施工的应用[5]。顶管法是继盾构及 TBM 掘进法之后发展起来的一种全断面隧道掘进技术，见图 1-2。顶管法是先在始发井内设置支座和安装液压千斤顶，借助主顶油缸及管道、中继间等的推力，把工具管或掘进机从始发井内穿过地层一直推至接收井内吊起，与此同时，紧随工具管或掘进机后面，将预制的管节顶入地层。预制的管节既是施工期间传递顶力的构件，也是管道工程运营期间的主体构件。

示意图,顶管,顶进,轨迹

唐彬[24]以淮南矿务局张集煤矿 TBM 施工的高抽巷为工程背景，采试验、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的综合方法，系统研究 TBM 施岩稳定性，探索深部复杂地层在 TBM 施工时巷道围岩变形与扰动的力学行为顶管掘进的巷道稳定性分析国内外还没见文献发表。2 长距离硬岩顶管施工动态控制技术的研究现状理想的直线顶管是不偏离目标的，但在实际中，由于受管节外形尺寸的平整度损耗变形、机具及管材自重、地质不均匀、开挖方式及施工测量偏差等众多因作用在机头上的力系平衡永远是暂时的，在不平衡的外力和力矩作用下，机头路线产生偏离，后续必须靠纠偏使机头不断修正，所以顶管的常态一般是扭 1-3。Norris[27]发现顶管的初始阶段是最难控制校准的，并且顶进过程的某处一率，后续的管节经过该处时依然会保持该曲率，鲍立平[53]给出的顶管工程实测证了 Norris 的观点。

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