九龙矿深部巷道注浆加固时效性分析及实践研究

发布时间：2017-10-08 15:18

  本文关键词：九龙矿深部巷道注浆加固时效性分析及实践研究

  更多相关文章： 流变模型 地质力学特征 实验室注浆试验 围岩变形破坏规律 注浆加固时间

【摘要】：本文利用实验室实验、数值模拟、理论分析和现场试验等方法对九龙煤矿深部巷道注浆加固时效性及现场实践进行了研究。研究结果表明:(1)采用空芯包体应力解除法测试地应力表明九龙煤矿-850水平地应力场是以水平构造应力为主,最大主应力与水平面的夹角平均为235.7°,最小主应力与水平面的夹角平均为49.8°;中间主应力方向与水平面的夹角平均为136.3°,最大主应力约为23.4MPa,中间主应力约为18.1MPa,最小主应力约为16.1MPa。九龙煤矿-850水平最大主应力方向与九龙煤矿-850水平大巷方向夹角较大,不利于巷道的稳定与维护。-850水平大巷帮部和直接底为泥岩,矿物成分主要为石英、黄铁矿、菱铁矿和粘土矿物,其中粘土矿物含量超过50%,并且粘土矿物中主要成分为伊利石/蒙脱石混层、伊利石高岭石,其中伊利石/蒙脱石混层含量高达69%,高岭石含量为21%,属于强膨胀性软岩巷道,巷道开挖后,帮部围岩遇水膨胀易恶化。-850水平大巷老顶和老底围岩均为粉砂岩,岩性较好,强度大于50MPa,直接顶和帮部围岩均为砂质泥岩,强度小于40MPa,强度最低的直接底围岩为野青灰岩,小于10MPa,且内摩擦角和粘聚力均较小,不利于巷道围岩稳定性。(2)九龙煤矿-850水平大巷开挖后,由于巷道埋深大,受深部高地压、高地温、高岩溶水压和强烈开采扰动影响,巷道围岩较为破碎,巷道开挖后变形量较大,特别是巷道两帮围岩,部分地方变形超过1m,给煤矿的安全生产带来了较大隐患。窥视法测试围岩松动圈表明,九龙煤矿-850水平大巷围岩顶板松动圈范围可达到0.8m-1.5m,右帮松动圈范围可达到1.4m-1.8m,左帮松动圈范围可达到1.4m-2.0m,属于大松动圈范围,并且随着巷道继续向前开挖,同一测孔围岩裂隙均有不同程度的发展,且发育较快,巷道围岩整体变形较严重。巷道在掘进支护过程中,应当加强巷道支护。为保证九龙煤矿-850水平大巷掘进速度和正常使用,采用“先柔后刚”的注浆加固支护对策,即先适当减小第一次支护强度,后通过注浆加固支护控制围岩变形。(3)CT扫描试验和裂纹分形维数计算表明,注浆后浆液较好的填充了破坏试件中的裂纹,恢复了试件完整性;注浆前试件裂隙分形维数约为1.4,注浆后约为1.0,分形维数注浆后明显小于注浆前,从微观上验证了试件注浆效果良好。采用水灰比1:0.6,膨润土比例为水泥重量4%的超细水泥浆液对破坏软岩进行实验室注浆试验后,试件破坏时纵向应变和横向应变明显大于注浆前试件破坏时应变值,完整泥岩试件单轴抗压强度应力应变曲线基本成线性关系,试件韧性较差,易发生脆性破坏,而注浆后泥岩试件应力应变曲线成非线性关系,试件单轴抗压强度得到一定程度恢复,但原破坏裂隙区强度低,易引发裂缝。注浆后,试件韧性大大提高,在加载受力过程中,有较好的塑性变形能力,在破坏前能吸收较多的能量,避免试件因受力变形丧失稳定性而提早破坏,试件注浆效果较好。(4)通过FLAC3D数值模拟对千米深井九龙煤矿-850水平大巷帮部围岩注浆加固支护进行分析,研究表明巷帮注浆加固支护后,巷道围岩变形量、塑性区分布范围大幅度减小,锚索轴力未达到屈服强度。巷帮注浆加固支护,是让压与抗压相结合,改善了围岩物理力学性质,提高了其自承载能力,转移了巷道顶板的支撑压力,并使锚索在围岩深部存在有效的拉力点,发挥了自身高强抗拉作用,保证了巷道的长期整体稳定性,解决了千米深井软岩巷道支护难题。巷帮注浆加固时效性数值模拟研究表明,在初次支护后200时步时,进行注浆加固支护,巷道围岩内塑性变形能由于初次支护后未得到充分释放,巷道变形未收敛,注浆加固后很长一段时间,巷道围岩变形仍呈线性增长;在初次支护后800、1000、1200、1600、2000时步时,进行注浆加固支护,由于注浆加固过晚,巷道围岩变形量过大,丧失注浆加固意义;在初次支护后400时步时,进行注浆加固支护,巷道两帮移近量较初次支护减小约60%,顶底板移近量减小约40%,能最大程度的减小巷道围岩变形。故九龙煤矿-850水平大巷最佳注浆加固时机为初次支护后400时步,结合现场矿压观测结果,为初次支护后12-18天。(5)九龙煤矿-850水平大巷两帮移近量数据拟合曲线与数值模拟两帮移近量曲线基本一致,说明应用流变模型理论分析注浆时效性问题较可靠。拟合参数与现场实际矿压监测数值较吻合,说明二次支护加固时间的确定方法应用于注浆时效性问题研究较为合理,并运用MATLAB数值软件,理论推导出九龙煤矿深部巷道变形蠕变公式:和应变率方程:ε,=0.017t+58e-1.72t;拟合曲线表明:九龙煤矿-850水平大巷围岩变形主要发生在巷道开挖后十天,十天后巷道变形先平缓,后期变形又再增大,体现了深部巷道变形破坏特征。理论分析表明,在满足巷道应变率在0.1 mmd-1-0.25 mmd-1区间的情况下,九龙煤矿深部巷道围岩开挖14天后进行注浆加固时机最佳。(6)九龙煤矿-850水平大巷注浆加固现场工业性试验。综合理论推导和数值模拟结果表明,初次支护14天后对九龙煤矿-850水平大巷进行二次深浅结合注浆加固支护效果较好,即:浅部封孔注浆,打设孔径45mm、孔深1500mm的注浆孔,然后下入长度400mm、管径42mm的注浆钢管,间距1000mm,排距1000mm,注浆压力为0.8-1.0MPa,注浆时间约为15min;深部加固注浆,打设孔径45mm、孔深6000mm的注浆孔,然后下入长度5000mm的注浆锚索,间距1500mm,排距2000mm,注浆压力约为3-4MPa,注浆时间约为20min。浆液水灰比按照先大后小的原则进行,即先用1:1的浆液注入,再用0.8:1水灰比的浆液注入,最后0.65:1的浆液封孔。封孔方式采用注浆管缠麻用风钻借助安装器将注浆管顶入孔中或用锤击硬性打入注浆孔中,进行密封。监测结果表明,九龙煤矿-850水平大巷在注浆后期初始压力释放明显,巷道顶板最大离层值约为2.5cm,控制在允许范围内,巷道顶板围岩达到稳定状态;巷道两帮移近量基本控制在30cm以内,顶底板移近量基本控制在20cm以内,两帮移近量大于顶底板移近量,与巷道所处位置水平应力较大相吻合,注浆支护后巷道整体成型好,30天后变形趋于稳定;注浆后巷道所设测力锚杆受力增大明显,随着注浆时间的推移受力趋于稳定,而且浅部受力大于深部,巷道变形经过发展后趋于稳定。松动圈测试结果表明,巷道与注浆前对比同一深度的围岩破碎情况均明显得到改善,浅部裂隙的填充度较深部明显。综合矿压观测和松动圈测试结果,表明注浆加固支护效果显著,巷道支护强度足够,满足了巷道后期使用,达到了预期的效果,保证了九龙煤矿-850水平大巷长期安全稳定,对同类其它深井软岩巷道支护具有借鉴意义。
【关键词】：流变模型 地质力学特征 实验室注浆试验 围岩变形破坏规律 注浆加固时间
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD353
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-17
• 第一章 引言17-23
• 1.1 研究背景和意义17-18
• 1.2 国内外研究进展情况18-20
• 1.2.1 国外研究现状18-19
• 1.2.2 国内研究现状19
• 1.2.3 深部岩巷注浆加固研究中存在的问题19-20
• 1.3 主要研究内容20
• 1.4 研究方法及技术路线20-23
• 1.4.1 研究方法和方案20-21
• 1.4.2 技术路线21-23
• 第二章 九龙煤矿地质力学评价及深部破坏巷道支护对策研究23-71
• 2.1 九龙煤矿深部岩巷地应力测试23-30
• 2.1.1 空心包体地应力测量相关设备23
• 2.1.2 空心包体应力计结构23-24
• 2.1.3 空心包体地应力测量原理24-27
• 2.1.4 岩石弹性模量和泊松比的测定27
• 2.1.5 地应力测点的选择27
• 2.1.6 地应力测量步骤27-29
• 2.1.7 矿区地应力测量结果及其分布特征分析29-30
• 2.2 岩巷围岩成分分析30-40
• 2.2.1 实验试样采集30-31
• 2.2.2 实验测试内容31
• 2.2.3 实验主要仪器与试剂31-32
• 2.2.4 D/MAX 2500型X射线衍射仪实验原理32
• 2.2.5 粘土矿物总量和常见非粘土矿物X射线衍射分析实验32-36
• 2.2.6 粘土矿物相对含量X射线衍射分析实验36-40
• 2.3 围岩基本力学性质测试40-55
• 2.3.1 试样采集40-41
• 2.3.2 九龙煤矿深部围岩物理力学参数试件制作41
• 2.3.3 试验主要仪器41-42
• 2.3.4 九龙煤矿深部围岩物理力学参数试验方案42-44
• 2.3.5 试验分析44-55
• 2.3.6 试验结果55
• 2.4 松动圈测试55-68
• 2.4.1 松动圈的形成及测试意义55-56
• 2.4.2 松动圈测试方法的选取56-57
• 2.4.3 窥视法测试松动圈57-58
• 2.4.4 现场测试及结果分析58-68
• 2.5 深部巷道破坏机制分析及支护对策研究68-70
• 2.5.1 深部巷道破坏机制分析68-69
• 2.5.2 深部破坏巷道支护对策研究69-70
• 2.6 本章小结70-71
• 第三章 九龙煤矿深部围岩实验室注浆试验研究71-91
• 3.1 概述71
• 3.2 实验室试件现场破坏模拟71-72
• 3.3 实验室试件注浆试验72-74
• 3.4 试件注浆前后CT扫描试验74-80
• 3.4.1 试验原理74-75
• 3.4.2 试验方案75
• 3.4.3 试验分析75-80
• 3.5 分形维数计算及分析80-89
• 3.5.1 裂纹的定义及提取80
• 3.5.2 盒维数法计算裂纹的分形维数80-89
• 3.6 试件注浆前后强度试验89-90
• 3.7 本章小结90-91
• 第四章 -850水平大巷注浆加固时效性数值模拟分析91-103
• 4.1 数值模拟方法选择91
• 4.2 FLAC~3D软件简介91
• 4.3 FLAC~3D数值分析流程91-92
• 4.4 初始模型设置92-95
• 4.4.1 建立基本模型92-93
• 4.4.2 本构模型的选取及赋值93
• 4.4.3 初始应力的生成93-95
• 4.5 注浆加固方案及时效性分析95-100
• 4.5.1 初次支护方案分析95-96
• 4.5.2 注浆加固支护方案分析96-99
• 4.5.3 注浆加固时效性分析99-100
• 4.6 本章小结100-103
• 第五章 九龙煤矿深部软岩巷道注浆时效性理论分析103-117
• 5.1 概述103
• 5.2 模型单元体分析103-107
• 5.2.1 非线性牛顿体103-105
• 5.2.2 弹性体模型105
• 5.2.3 粘弹性固体模型105-106
• 5.2.4 粘塑性体106-107
• 5.3 九龙煤矿注浆工程概况107-108
• 5.4 注浆时效性理论模型建立108-111
• 5.4.1 无支护断面变形分析108-109
• 5.4.2 注浆模型确定109-110
• 5.4.3 组合模型公式推导110-111
• 5.5 注浆时效性理论分析111-114
• 5.5.1 MATLAB软件介绍111-112
• 5.5.2 两帮移近量数据拟合112-113
• 5.5.3 注浆加固时间确定113-114
• 5.6 本章小结114-117
• 第六章 九龙煤矿深部巷道注浆加固现场试验研究117-139
• 6.1 九龙煤矿-850水平大巷工程地质条件117-118
• 6.1.1 巷道名称、位置及相邻关系117
• 6.1.2 巷道用途及性质117
• 6.1.3 设计施工长度117
• 6.1.4 巷道地质情况117
• 6.1.5 巷道布置117-118
• 6.2 巷道原支护方案118-119
• 6.3 注浆加固支护技术119-122
• 6.3.1 注浆支护原理119
• 6.3.2 注浆加固工艺119-122
• 6.3.3 注浆材料122
• 6.3.4 注浆参数122
• 6.4 现场矿压监测122-132
• 6.4.1 矿压监测目的122
• 6.4.2 巷道矿压监测内容122-123
• 6.4.3 测站布置与具体观测方法123-126
• 6.4.4 巷道矿压观测结果分析126-132
• 6.5 巷道注浆加固效果分析132-138
• 6.5.1 注浆效果检测方法及测试孔布置132-133
• 6.5.2 注浆加固效果分析133-138
• 6.6 本章小结138-139
• 第七章 结论与展望139-143
• 7.1 结论139-141
• 7.2 创新点141
• 7.3 展望141-143
• 参考文献143-151
• 致谢151-153
• 作者简介153
• 在学期间发表的学术论文153
• 在学期间参加科研项目153
• 主要获奖153-154

【参考文献】

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本文编号：994760