本文關(guān)鍵詞：九龍礦深部巷道注漿加固時(shí)效性分析及實(shí)踐研究

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【摘要】：本文利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法對九龍煤礦深部巷道注漿加固時(shí)效性及現(xiàn)場實(shí)踐進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:(1)采用空芯包體應(yīng)力解除法測試地應(yīng)力表明九龍煤礦-850水平地應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力與水平面的夾角平均為235.7°,最小主應(yīng)力與水平面的夾角平均為49.8°;中間主應(yīng)力方向與水平面的夾角平均為136.3°,最大主應(yīng)力約為23.4MPa,中間主應(yīng)力約為18.1MPa,最小主應(yīng)力約為16.1MPa。九龍煤礦-850水平最大主應(yīng)力方向與九龍煤礦-850水平大巷方向夾角較大,不利于巷道的穩(wěn)定與維護(hù)。-850水平大巷幫部和直接底為泥巖,礦物成分主要為石英、黃鐵礦、菱鐵礦和粘土礦物,其中粘土礦物含量超過50%,并且粘土礦物中主要成分為伊利石/蒙脫石混層、伊利石高嶺石,其中伊利石/蒙脫石混層含量高達(dá)69%,高嶺石含量為21%,屬于強(qiáng)膨脹性軟巖巷道,巷道開挖后,幫部圍巖遇水膨脹易惡化。-850水平大巷老頂和老底圍巖均為粉砂巖,巖性較好,強(qiáng)度大于50MPa,直接頂和幫部圍巖均為砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度小于40MPa,強(qiáng)度最低的直接底圍巖為野青灰?guī)r,小于10MPa,且內(nèi)摩擦角和粘聚力均較小,不利于巷道圍巖穩(wěn)定性。(2)九龍煤礦-850水平大巷開挖后,由于巷道埋深大,受深部高地壓、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈開采擾動影響,巷道圍巖較為破碎,巷道開挖后變形量較大,特別是巷道兩幫圍巖,部分地方變形超過1m,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了較大隱患。窺視法測試圍巖松動圈表明,九龍煤礦-850水平大巷圍巖頂板松動圈范圍可達(dá)到0.8m-1.5m,右?guī)退蓜尤Ψ秶蛇_(dá)到1.4m-1.8m,左幫松動圈范圍可達(dá)到1.4m-2.0m,屬于大松動圈范圍,并且隨著巷道繼續(xù)向前開挖,同一測孔圍巖裂隙均有不同程度的發(fā)展,且發(fā)育較快,巷道圍巖整體變形較嚴(yán)重。巷道在掘進(jìn)支護(hù)過程中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)巷道支護(hù)。為保證九龍煤礦-850水平大巷掘進(jìn)速度和正常使用,采用“先柔后剛”的注漿加固支護(hù)對策,即先適當(dāng)減小第一次支護(hù)強(qiáng)度,后通過注漿加固支護(hù)控制圍巖變形。(3)CT掃描試驗(yàn)和裂紋分形維數(shù)計(jì)算表明,注漿后漿液較好的填充了破壞試件中的裂紋,恢復(fù)了試件完整性;注漿前試件裂隙分形維數(shù)約為1.4,注漿后約為1.0,分形維數(shù)注漿后明顯小于注漿前,從微觀上驗(yàn)證了試件注漿效果良好。采用水灰比1:0.6,膨潤土比例為水泥重量4%的超細(xì)水泥漿液對破壞軟巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室注漿試驗(yàn)后,試件破壞時(shí)縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變明顯大于注漿前試件破壞時(shí)應(yīng)變值,完整泥巖試件單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線基本成線性關(guān)系,試件韌性較差,易發(fā)生脆性破壞,而注漿后泥巖試件應(yīng)力應(yīng)變曲線成非線性關(guān)系,試件單軸抗壓強(qiáng)度得到一定程度恢復(fù),但原破壞裂隙區(qū)強(qiáng)度低,易引發(fā)裂縫。注漿后,試件韌性大大提高,在加載受力過程中,有較好的塑性變形能力,在破壞前能吸收較多的能量,避免試件因受力變形喪失穩(wěn)定性而提早破壞,試件注漿效果較好。(4)通過FLAC3D數(shù)值模擬對千米深井九龍煤礦-850水平大巷幫部圍巖注漿加固支護(hù)進(jìn)行分析,研究表明巷幫注漿加固支護(hù)后,巷道圍巖變形量、塑性區(qū)分布范圍大幅度減小,錨索軸力未達(dá)到屈服強(qiáng)度。巷幫注漿加固支護(hù),是讓壓與抗壓相結(jié)合,改善了圍巖物理力學(xué)性質(zhì),提高了其自承載能力,轉(zhuǎn)移了巷道頂板的支撐壓力,并使錨索在圍巖深部存在有效的拉力點(diǎn),發(fā)揮了自身高強(qiáng)抗拉作用,保證了巷道的長期整體穩(wěn)定性,解決了千米深井軟巖巷道支護(hù)難題。巷幫注漿加固時(shí)效性數(shù)值模擬研究表明,在初次支護(hù)后200時(shí)步時(shí),進(jìn)行注漿加固支護(hù),巷道圍巖內(nèi)塑性變形能由于初次支護(hù)后未得到充分釋放,巷道變形未收斂,注漿加固后很長一段時(shí)間,巷道圍巖變形仍呈線性增長;在初次支護(hù)后800、1000、1200、1600、2000時(shí)步時(shí),進(jìn)行注漿加固支護(hù),由于注漿加固過晚,巷道圍巖變形量過大,喪失注漿加固意義;在初次支護(hù)后400時(shí)步時(shí),進(jìn)行注漿加固支護(hù),巷道兩幫移近量較初次支護(hù)減小約60%,頂?shù)装逡平繙p小約40%,能最大程度的減小巷道圍巖變形。故九龍煤礦-850水平大巷最佳注漿加固時(shí)機(jī)為初次支護(hù)后400時(shí)步,結(jié)合現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果,為初次支護(hù)后12-18天。(5)九龍煤礦-850水平大巷兩幫移近量數(shù)據(jù)擬合曲線與數(shù)值模擬兩幫移近量曲線基本一致,說明應(yīng)用流變模型理論分析注漿時(shí)效性問題較可靠。擬合參數(shù)與現(xiàn)場實(shí)際礦壓監(jiān)測數(shù)值較吻合,說明二次支護(hù)加固時(shí)間的確定方法應(yīng)用于注漿時(shí)效性問題研究較為合理,并運(yùn)用MATLAB數(shù)值軟件,理論推導(dǎo)出九龍煤礦深部巷道變形蠕變公式:和應(yīng)變率方程:ε,=0.017t+58e-1.72t;擬合曲線表明:九龍煤礦-850水平大巷圍巖變形主要發(fā)生在巷道開挖后十天,十天后巷道變形先平緩,后期變形又再增大,體現(xiàn)了深部巷道變形破壞特征。理論分析表明,在滿足巷道應(yīng)變率在0.1 mmd-1-0.25 mmd-1區(qū)間的情況下,九龍煤礦深部巷道圍巖開挖14天后進(jìn)行注漿加固時(shí)機(jī)最佳。(6)九龍煤礦-850水平大巷注漿加固現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。綜合理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬結(jié)果表明,初次支護(hù)14天后對九龍煤礦-850水平大巷進(jìn)行二次深淺結(jié)合注漿加固支護(hù)效果較好,即:淺部封孔注漿,打設(shè)孔徑45mm、孔深1500mm的注漿孔,然后下入長度400mm、管徑42mm的注漿鋼管,間距1000mm,排距1000mm,注漿壓力為0.8-1.0MPa,注漿時(shí)間約為15min;深部加固注漿,打設(shè)孔徑45mm、孔深6000mm的注漿孔,然后下入長度5000mm的注漿錨索,間距1500mm,排距2000mm,注漿壓力約為3-4MPa,注漿時(shí)間約為20min。漿液水灰比按照先大后小的原則進(jìn)行,即先用1:1的漿液注入,再用0.8:1水灰比的漿液注入,最后0.65:1的漿液封孔。封孔方式采用注漿管纏麻用風(fēng)鉆借助安裝器將注漿管頂入孔中或用錘擊硬性打入注漿孔中,進(jìn)行密封。監(jiān)測結(jié)果表明,九龍煤礦-850水平大巷在注漿后期初始壓力釋放明顯,巷道頂板最大離層值約為2.5cm,控制在允許范圍內(nèi),巷道頂板圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);巷道兩幫移近量基本控制在30cm以內(nèi),頂?shù)装逡平炕究刂圃?0cm以內(nèi),兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?與巷道所處位置水平應(yīng)力較大相吻合,注漿支護(hù)后巷道整體成型好,30天后變形趨于穩(wěn)定;注漿后巷道所設(shè)測力錨桿受力增大明顯,隨著注漿時(shí)間的推移受力趨于穩(wěn)定,而且淺部受力大于深部,巷道變形經(jīng)過發(fā)展后趨于穩(wěn)定。松動圈測試結(jié)果表明,巷道與注漿前對比同一深度的圍巖破碎情況均明顯得到改善,淺部裂隙的填充度較深部明顯。綜合礦壓觀測和松動圈測試結(jié)果,表明注漿加固支護(hù)效果顯著,巷道支護(hù)強(qiáng)度足夠,滿足了巷道后期使用,達(dá)到了預(yù)期的效果,保證了九龍煤礦-850水平大巷長期安全穩(wěn)定,對同類其它深井軟巖巷道支護(hù)具有借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：流變模型 地質(zhì)力學(xué)特征 實(shí)驗(yàn)室注漿試驗(yàn) 圍巖變形破壞規(guī)律 注漿加固時(shí)間
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-17
• 第一章 引言17-23
• 1.1 研究背景和意義17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展情況18-20
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀19
• 1.2.3 深部巖巷注漿加固研究中存在的問題19-20
• 1.3 主要研究內(nèi)容20
• 1.4 研究方法及技術(shù)路線20-23
• 1.4.1 研究方法和方案20-21
• 1.4.2 技術(shù)路線21-23
• 第二章 九龍煤礦地質(zhì)力學(xué)評價(jià)及深部破壞巷道支護(hù)對策研究23-71
• 2.1 九龍煤礦深部巖巷地應(yīng)力測試23-30
• 2.1.1 空心包體地應(yīng)力測量相關(guān)設(shè)備23
• 2.1.2 空心包體應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)23-24
• 2.1.3 空心包體地應(yīng)力測量原理24-27
• 2.1.4 巖石彈性模量和泊松比的測定27
• 2.1.5 地應(yīng)力測點(diǎn)的選擇27
• 2.1.6 地應(yīng)力測量步驟27-29
• 2.1.7 礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果及其分布特征分析29-30
• 2.2 巖巷圍巖成分分析30-40
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試樣采集30-31
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容31
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)主要儀器與試劑31-32
• 2.2.4 D/MAX 2500型X射線衍射儀實(shí)驗(yàn)原理32
• 2.2.5 粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)32-36
• 2.2.6 粘土礦物相對含量X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)36-40
• 2.3 圍巖基本力學(xué)性質(zhì)測試40-55
• 2.3.1 試樣采集40-41
• 2.3.2 九龍煤礦深部圍巖物理力學(xué)參數(shù)試件制作41
• 2.3.3 試驗(yàn)主要儀器41-42
• 2.3.4 九龍煤礦深部圍巖物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)方案42-44
• 2.3.5 試驗(yàn)分析44-55
• 2.3.6 試驗(yàn)結(jié)果55
• 2.4 松動圈測試55-68
• 2.4.1 松動圈的形成及測試意義55-56
• 2.4.2 松動圈測試方法的選取56-57
• 2.4.3 窺視法測試松動圈57-58
• 2.4.4 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析58-68
• 2.5 深部巷道破壞機(jī)制分析及支護(hù)對策研究68-70
• 2.5.1 深部巷道破壞機(jī)制分析68-69
• 2.5.2 深部破壞巷道支護(hù)對策研究69-70
• 2.6 本章小結(jié)70-71
• 第三章 九龍煤礦深部圍巖實(shí)驗(yàn)室注漿試驗(yàn)研究71-91
• 3.1 概述71
• 3.2 實(shí)驗(yàn)室試件現(xiàn)場破壞模擬71-72
• 3.3 實(shí)驗(yàn)室試件注漿試驗(yàn)72-74
• 3.4 試件注漿前后CT掃描試驗(yàn)74-80
• 3.4.1 試驗(yàn)原理74-75
• 3.4.2 試驗(yàn)方案75
• 3.4.3 試驗(yàn)分析75-80
• 3.5 分形維數(shù)計(jì)算及分析80-89
• 3.5.1 裂紋的定義及提取80
• 3.5.2 盒維數(shù)法計(jì)算裂紋的分形維數(shù)80-89
• 3.6 試件注漿前后強(qiáng)度試驗(yàn)89-90
• 3.7 本章小結(jié)90-91
• 第四章 -850水平大巷注漿加固時(shí)效性數(shù)值模擬分析91-103
• 4.1 數(shù)值模擬方法選擇91
• 4.2 FLAC~3D軟件簡介91
• 4.3 FLAC~3D數(shù)值分析流程91-92
• 4.4 初始模型設(shè)置92-95
• 4.4.1 建立基本模型92-93
• 4.4.2 本構(gòu)模型的選取及賦值93
• 4.4.3 初始應(yīng)力的生成93-95
• 4.5 注漿加固方案及時(shí)效性分析95-100
• 4.5.1 初次支護(hù)方案分析95-96
• 4.5.2 注漿加固支護(hù)方案分析96-99
• 4.5.3 注漿加固時(shí)效性分析99-100
• 4.6 本章小結(jié)100-103
• 第五章 九龍煤礦深部軟巖巷道注漿時(shí)效性理論分析103-117
• 5.1 概述103
• 5.2 模型單元體分析103-107
• 5.2.1 非線性牛頓體103-105
• 5.2.2 彈性體模型105
• 5.2.3 粘彈性固體模型105-106
• 5.2.4 粘塑性體106-107
• 5.3 九龍煤礦注漿工程概況107-108
• 5.4 注漿時(shí)效性理論模型建立108-111
• 5.4.1 無支護(hù)斷面變形分析108-109
• 5.4.2 注漿模型確定109-110
• 5.4.3 組合模型公式推導(dǎo)110-111
• 5.5 注漿時(shí)效性理論分析111-114
• 5.5.1 MATLAB軟件介紹111-112
• 5.5.2 兩幫移近量數(shù)據(jù)擬合112-113
• 5.5.3 注漿加固時(shí)間確定113-114
• 5.6 本章小結(jié)114-117
• 第六章 九龍煤礦深部巷道注漿加固現(xiàn)場試驗(yàn)研究117-139
• 6.1 九龍煤礦-850水平大巷工程地質(zhì)條件117-118
• 6.1.1 巷道名稱、位置及相鄰關(guān)系117
• 6.1.2 巷道用途及性質(zhì)117
• 6.1.3 設(shè)計(jì)施工長度117
• 6.1.4 巷道地質(zhì)情況117
• 6.1.5 巷道布置117-118
• 6.2 巷道原支護(hù)方案118-119
• 6.3 注漿加固支護(hù)技術(shù)119-122
• 6.3.1 注漿支護(hù)原理119
• 6.3.2 注漿加固工藝119-122
• 6.3.3 注漿材料122
• 6.3.4 注漿參數(shù)122
• 6.4 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測122-132
• 6.4.1 礦壓監(jiān)測目的122
• 6.4.2 巷道礦壓監(jiān)測內(nèi)容122-123
• 6.4.3 測站布置與具體觀測方法123-126
• 6.4.4 巷道礦壓觀測結(jié)果分析126-132
• 6.5 巷道注漿加固效果分析132-138
• 6.5.1 注漿效果檢測方法及測試孔布置132-133
• 6.5.2 注漿加固效果分析133-138
• 6.6 本章小結(jié)138-139
• 第七章 結(jié)論與展望139-143
• 7.1 結(jié)論139-141
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)141
• 7.3 展望141-143
• 參考文獻(xiàn)143-151
• 致謝151-153
• 作者簡介153
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文153
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目153
• 主要獲獎153-154

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：994760