【摘要】：我國煤炭行業(yè)已經(jīng)進入千米以下的深部開采時代,目前我國每年掘進6000kM的煤礦巷道中,深部巷道占了28%~30%。深部高地應力、高地溫和高滲透壓的特殊復雜地質(zhì)環(huán)境導致巷道的開挖更加困難,傳統(tǒng)炮掘法和綜掘法難以滿足現(xiàn)代煤礦安全、高效、綠色開采要求,為實現(xiàn)深部煤礦可持續(xù)開采的目標,提高煤炭行業(yè)生產(chǎn)的整體綜合效益,迫切需要研發(fā)“小型化、機械化、自動化、智能化、信息化”的深部煤礦巷道施工成套設備及技術~([3])。相對于大斷面(直徑D?4.0m)TBM的施工,頂管機設備小,適用于煤礦深部的運輸與安裝。不同于TBM工法,頂管施工時工人在工作硐室對頂管機進行遠程控制,巷道掘進、支護及出渣均由機械自動完成,工人不需到采掘工作面進行作業(yè),避免了因工作面坍塌或瓦斯突出造成的工傷事故,所以頂管技術如能成功應用于深部煤礦的巷道施工,不僅解決了現(xiàn)有小斷面硬巖巷道施工速度慢、作業(yè)環(huán)境惡劣、經(jīng)濟效益差的問題,還最大程度地實現(xiàn)了煤礦無塵生產(chǎn)的本質(zhì)安全,大大降低了工人的勞動強度,是深部煤礦智能化無人開采技術的重大變革和突破。由于深部地層巖體結構特征、力學行為和工程響應與淺部地層巖體有本質(zhì)區(qū)別,深部煤礦巷道的建設環(huán)境和淺部隧道存在顯著差異,頂管法在淺部的施工理論及技術已經(jīng)不能完全適用于深部施工,相關的理論研究也尚屬空白,所以本文主要圍繞頂管技術應用于深部煤礦高抽巷施工開展一系列關鍵巖石科學與施工技術問題研究。本文采用彈塑性理論對頂管施工的圓形巷道圍巖變形進行分析,并根據(jù)深部小斷面圓形巷道圍巖地應力接近靜水壓力、偏應力較小及塑性應變水平較低的特點,首次提出并推導了基于伯格斯(Burgers)模型的深部頂管施工巷道圍巖徑向蠕變位移的理論計算公式,給出了具有工程參考意義的頂管機頭超挖量(35)R的簡化計算公式。算例分析指出:⑴由于頂管開挖的巷道直徑較小,在1.5m~2.0m之間,即使處于軟巖地層(彈性模量E(28)4.5GPa),在高地應力的狀態(tài)下(p_v(28)30M Pa),巷道圍巖的彈塑性徑向位移量級也很小(不超過10mm),由于巷道徑向超挖量一般在50mm以上,所以巷道瞬間變形不會造成抱管事故;⑵深部巷道長期變形屬于不穩(wěn)定蠕變,巷道圍巖初期(第一周)蠕變速度增長很快,隨后增長穩(wěn)定,但不收斂,24小時(1d)時巷道徑向變形比初始瞬時變形增長了45.5%,48小時(2d)時巷道徑向變形比初始瞬時變形增長了57.6%,96小時(4d)時巷道的徑向變形比初始瞬時變形增長了62.0%,此后巷道徑向變形進入線性增長階段,所以頂管施工必須保證一定的掘進速度;⑶計算分析同時指出,在注漿壓力作用下,可以減小圍巖變形,使巷道圍巖更為穩(wěn)定。本文利用離散元PFC3D程序?qū)ο锏廊渥兲匦赃M行了系統(tǒng)的研究。首先,調(diào)用伯格斯接觸模型,通過虛擬蠕變試驗對巷道所處粉砂巖層的微觀參數(shù)進行標定,并與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對比,驗證了離散元方法用于巖石蠕變問題分析的可行性。然后,建立巷道的平面應變離散元模型,設置多個測量球,得到了巷道圍巖的應力應變在時間和空間上的分布情況。以張集礦北區(qū)1413A高抽巷為例,對采礦巷道進行了數(shù)值模擬,并與理論解對比,發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好,可為后續(xù)深部煤礦巷道圍巖變形的深入研究提供有益的參考。本文根據(jù)深部巖層頂管工程的糾偏原理,首次提出頂進軌跡的二次曲線特征方程,并根據(jù)該方程推導了管周摩擦力的遞推式,給出了沿程阻力的修正系數(shù)K值表;本文同時提出深部巖層頂管工程頂力與圍巖性質(zhì)密切相關,并根據(jù)情況I、II、III、IV類的不同圍巖性質(zhì)推導了不同的頂力計算公式。算例分析指出:⑴糾偏角越小,形成的糾偏軌跡曲線偏差量越大,糾偏所需要的距離也越遠,頂管整體穩(wěn)定性越差;但糾偏角越大,管節(jié)接頭應力集中增加越快,容易導致管節(jié)接頭破壞,建議糾偏角不宜大于0.5°。⑵影響機頭偏差值?_(max)最敏感的因素是初始機頭傾角?_o,?_o越大,?_(max)越大;當?_o?1?時,每頂進一節(jié)管(2m),機頭即偏差軸線3.5cm;其次是糾偏角?,?越大,?_(max)越小。所以當機頭出現(xiàn)偏差的時候,施工操作首先應判斷初始機頭傾角?_0的大小,即使機頭絕對偏差值較小,但初始機頭傾角?_o較大時,也需要開始進行糾偏;在硬巖地層里初始機頭傾角?_o不應超過1.0°。在糾偏角?一定的情況下,頂力損耗率隨著頂進距離的增加而增加;另外,在同樣頂距的情況下,頂力損耗率隨著糾偏角的增加而增加,而且糾偏角對頂力損耗率影響更大。同時分析指出頂進速度越快,頂力也越大,施工完成時的巷道徑向位移越小,發(fā)生抱管事故的概率也就越低,但施工的能耗和成本會相應增加,所以頂進速度需對頂力與超挖量進行綜合分析后確定。本文建立彈塑性模型對頂管管節(jié)受力進行有限元分析,通過與足尺物理試驗對比分析證明了該數(shù)值模型的有效性,并利用該模型對管節(jié)受力進行了展開分析,分析結果可指導優(yōu)化礦用管材的結構設計。本文首次提出了頂管技術應用于深部煤礦高抽巷頂管施工的圍巖分級方法,根據(jù)巖石的單軸抗壓強度、巖體的完整程度、巖石單軸抗壓強度與地應力比值R_c/p_v、渣料情況等四個主要影響因素,將深部巷道圍巖分從好到差分為I、II、III、IV類級別。I類圍巖地層,頂管工法非常適用,不僅施工掘進效率高,而且圍巖穩(wěn)定,發(fā)生抱管事故的概率很小;II類圍巖地層,頂管工法仍然適用,施工掘進效率較高,圍巖較穩(wěn)定,發(fā)生抱管事故的概率較小;III類圍巖地層,頂管工法可以適用,但施工掘進效率較低,圍巖變形較大,發(fā)生抱管事故的概率較大,施工要有相應措施,譬如加大頂力儲備,加大注漿壓力,增加中繼間及加大超挖間隙值;IV類圍巖地層,此時圍巖會發(fā)生嚴重變形,極容易發(fā)生抱管事故,頂管工法已不適用,建議采用常規(guī)的炮掘法和綜掘法開挖。本文對首次深部煤礦高抽巷頂管工業(yè)試驗進行了分析,試驗現(xiàn)場觀測表明頂管結構受力復雜,與理論研究相符,也驗證了前文的圍巖變形理論。通過分析總結了深部巷道首次頂管施工的寶貴經(jīng)驗,對設備、管材及施工工的藝改造給出了優(yōu)化的建議,為下一次500m長距離深部巷道頂管施工的大型工業(yè)試驗做了技術儲備。綜上所述,本文主要圍繞探討深部煤礦巷道頂管施工的適用性展開理論與實踐的研究工作,初步構建了深部煤礦巷道頂管施工理論與實踐的技術體系,可以指導深部煤礦頂管工程的可行性研究與施工組織設計,其研究成果對推動深部煤礦開采的技術革命具有重要理論意義和應用價值,但由于深部地層的復雜性,頂管技術在礦區(qū)的全面推廣及應用還面臨許多技術上的不成熟,需要進行更為全面的、深入的、系統(tǒng)的理論及工程試驗研究。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD263
【圖文】：

華南理工大學博士學位論文之更加偏離上隅角，無法抽出上隅角瓦斯；⑶高位鉆孔抽放上隅角瓦斯，該方法受限于現(xiàn)有鉆進設備鉆孔半徑小、鉆孔淺且不均勻的客觀條件，治理一個回采工作面需要施工多個鉆場，每施工一個鉆場都要開上山巷，不僅費時費力，而且效率低下，經(jīng)濟成本低。近些年，掘進高抽巷抽采上隅角瓦斯在煤礦得到了廣泛應用。高抽巷布置在頂板破壞裂隙帶內(nèi)，當頂板跨落后，臨近層及圍巖內(nèi)的瓦斯平衡受到破壞，由臨近層及圍巖解吸的瓦斯沿裂隙向采空區(qū)流動，通過抽采采空區(qū)頂板裂隙及冒落間內(nèi)積存的高濃度瓦斯切斷上臨近層的瓦斯涌向工作面通道，對采空區(qū)下部瓦斯起到拉動作用，從而減少工作面瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯積聚。高抽巷具有抽采濃度大、抽采量穩(wěn)定特點，特別適合高瓦斯區(qū)域瓦斯治理，抽采出的高濃度瓦斯不經(jīng)過采煤及回風巷區(qū)域，安全可靠性高，屬本質(zhì)安全型抽采方法。具體見圖 1- 1[5]。

集礦井下成功進行了掘進巷道 560m 的工業(yè)試驗，從工程實踐上論證了 TBM 應用于煤礦巷道建設的可行性，但 TBM 的應用也遇到了一些問題，如：①對于高抽巷等的小斷面煤礦輔助巷道，斷面面積達到 2m2就能滿足設計要求，但 TBM 掘進的巷道的斷面尺寸往往都要達到 7~10m2，其掘進的巷道利用率低，大大增加了施工成本；②TBM 設備直徑一般在 4m 以上，目前煤礦機械設備主要是依靠豎井提升進行運輸，大多數(shù)的豎井無法滿足 TBM 的下井運輸要求；③TBM 掘進機結構復雜，設備小型化難度大，制造成本高，井下安裝輔助工序時間長，效率較低。所以，種種因素均限制了 TBM 在深部煤礦高抽巷施工的應用[5]。頂管法是繼盾構及 TBM 掘進法之后發(fā)展起來的一種全斷面隧道掘進技術，見圖 1-2。頂管法是先在始發(fā)井內(nèi)設置支座和安裝液壓千斤頂，借助主頂油缸及管道、中繼間等的推力，把工具管或掘進機從始發(fā)井內(nèi)穿過地層一直推至接收井內(nèi)吊起，與此同時，緊隨工具管或掘進機后面，將預制的管節(jié)頂入地層。預制的管節(jié)既是施工期間傳遞頂力的構件，也是管道工程運營期間的主體構件。

唐彬[24]以淮南礦務局張集煤礦 TBM 施工的高抽巷為工程背景，采試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的綜合方法，系統(tǒng)研究 TBM 施巖穩(wěn)定性，探索深部復雜地層在 TBM 施工時巷道圍巖變形與擾動的力學行為頂管掘進的巷道穩(wěn)定性分析國內(nèi)外還沒見文獻發(fā)表。2 長距離硬巖頂管施工動態(tài)控制技術的研究現(xiàn)狀理想的直線頂管是不偏離目標的，但在實際中，由于受管節(jié)外形尺寸的平整度損耗變形、機具及管材自重、地質(zhì)不均勻、開挖方式及施工測量偏差等眾多因作用在機頭上的力系平衡永遠是暫時的，在不平衡的外力和力矩作用下，機頭路線產(chǎn)生偏離，后續(xù)必須靠糾偏使機頭不斷修正，所以頂管的常態(tài)一般是扭 1-3。Norris[27]發(fā)現(xiàn)頂管的初始階段是最難控制校準的，并且頂進過程的某處一率，后續(xù)的管節(jié)經(jīng)過該處時依然會保持該曲率，鮑立平[53]給出的頂管工程實測證了 Norris 的觀點。

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本文編號：2791130