楊家村煤礦5煤淋水區巷道頂板錨索封孔注漿技術探討

                  論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
                  論文字數:42333 論文編號:sb2022102720481449582 日期:2022-11-18 來源:碩博論文網

                  本文是一篇工程碩士論文,筆者以楊家村煤礦5-1上煤層1#探巷淋水頂板為研究對象,采用現場調研、室內試驗以及鉆孔窺視等方法分析弱膠結軟巖巷道頂板變形破壞特征及原因,原始創新提出普通錨索封孔注漿技術控制圍巖變形。
                  1 緒論 
                  1.1 選題背景及意義
                  煤炭是我國重要的消費能源,隨著我國經濟的不斷發展,對煤炭的需求量也居高不下,為保證我國經濟的健康、穩定發展,需要保證煤礦企業的高質量發展[1]。隨著我國中部和東部地區煤炭產量的減少,煤炭主產區逐漸向西部轉移,西部地區煤炭資源主要集中在晉陜蒙寧地區,西部地區煤礦基巖層多為泥化弱膠結軟巖,此類圍巖具有強度低、膠結性差、遇水易軟化膨脹等特點[2-3],而且該類軟巖處于淺埋地層中水平應力逐漸占據主導地位[4],在高應力條件下軟巖巷道變形量大,變形持續時間長,需要大量人力、物力和財力不斷地返修、維護,這極大影響煤礦的正常生產,降低煤礦的生產效率[5-10]。目前,以錨桿和錨索為核心的支護技術逐步成為保證我國煤巷安全的重要支護方式,錨桿和錨索支護在控制巷道圍巖變形、阻擋頂板離層等方面具有顯著效果,弱膠結軟巖巷道支護的主要形式與以往軟巖支護形式類似,但支護效果并不理想。因此,迫切需要對該類弱膠結軟巖巷道的變形破壞特點與支護圍巖結構相互作用機理進行研究,提出針對該類弱膠結軟巖巷道的合理支護措施。
                  內蒙古雙欣礦業有限公司楊家村煤礦為典型的西部弱膠結軟巖礦井,弱膠結軟巖存在強度低、易風化、易遇水軟化和錨固易失效等特點。以楊家村煤礦515107輔助運輸順槽巷為例,頂板上覆巖層是以砂質泥巖為主的復合頂板,巷道頂板縱向裂隙較為發育,同時復合頂板圍巖層理發育顯著,容易與4煤采空區交互貫通,造成頂板圍巖及錨索孔淋水顯現明顯,在水與圍巖的相互作用下,頂板圍巖內部膠結物流失嚴重,頂板離層及下沉變形嚴重。金屬支架等剛性被動支護形式無法根本改變軟巖巷道圍巖自身承載能力差的缺點,這就需要通過圍巖注漿或錨噴支護等支護形式來加強軟巖自身承載能力,從而達到圍巖加固和注漿堵水的目的。
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                  1.2 國內外研究現狀
                  1.2.1 軟巖巷道支護研究現狀
                  軟巖巷道支護一直是國內外學者爭相研究的課題,特別是我國煤炭資源開采重心由東部地區逐漸轉向西部地區,西部地區弱膠結軟巖的存在嚴重制約著我國煤炭企業的高質量發展。因此,針對目前軟巖巷道支護所存在的難題,國內外學者應該推陳出新,提出科學、合理的軟巖巷道支護理論和軟巖巷道支護技術,為更好的控制軟巖巷道的穩定與安全貢獻力量。
                  1)國內外軟巖巷道支護理論研究現狀
                  國外學者針對軟巖巷道的支護問題已經提出諸多理論,最早由A.Haim等人在20世紀早期提出較為經典的“古典壓力理論”,該理論認為支護結構所承受的壓力就是它上部巖層的重力,隨著煤巷開采深度的加大,該理論逐漸不能滿足實際工程的需要[11-12]。隨后Karl Terzaghil理論和普氏理論為代表的坍落拱理論的出現,一定程度上提升了軟巖巷道支護的理論層次,該理論最先提出圍巖具有自承載能力,同時還提出坍落高度易受地下工程結構物的跨度和圍巖性質的影響[13]。到20世紀50年代出現了以彈塑性力學為基礎的Fenner公式和Kastner公式,并在解決軟巖巷道支護問題中發揮作用[14]。到20世紀60年代,一種新型隧道支護方法—新奧法應運而生,該理論能夠充分利用圍巖的自承力和開挖面的空間約束作用,該方法的出現對解決軟巖巷道的支護問題產生了深遠影響[15-16]。在20世紀70年代和80年代分別出現了由M.D.Salamon提出的能量支護理論和日本學者櫻井春輔提出的圍巖應變控制理論,前者主要觀點是支護結構與圍巖共同作用、協調變形,圍巖與支護結構能夠相互平衡能量,后者建立了圍巖應變、允許應變以及支護結構三者之間的關系[17-19]。
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                  2 弱膠結軟巖巷道頂板變形破壞特征及原因分析
                  2.1 工程概況
                  2.1.1巷道布置
                  楊家村煤礦5煤以5-1上煤層1#探巷為典型代表,楊家村煤礦5-1上煤層掘進工作面正掘段地面位置開始于匯友裝飾材料庫南偏西47°方向339m處,結束于匯友裝飾材料庫北偏西7°方向1892m處。神銅35KV、北神110KV線路、北高110KV線路、外環路、國電內蒙古東勝熱電有限公司運灰公路及部分土路從工作面上部穿過,其余為一片山丘。地面標高為1474.0m~1546.0m,巷道標高為1288.3m~1336.1m。5-1上煤層1#探巷工作面位于51采區中部;北部為實炭區;南部為5-1上煤層輔助運輸大巷;西部為實炭區;東部為實炭區;上部為4-1煤層414108工作面,已開采;下部為5-1煤層,未開采。5-1上煤層1#探巷平面布置圖如圖2-1所示。

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                  2.2 弱膠結軟巖巷道頂板變形破壞特征
                  弱膠結軟巖存在膠結性差、遇水易泥化等特征,該巷道局部區域頂板圍巖及錨索孔淋水沖刷現象嚴重,進一步導致錨桿、錨索銹蝕嚴重,錨桿斷裂現象時有發生,加劇了巷道頂板煤巖層軟弱破碎,并且變形破壞區域均集中在頂板部位。弱膠結軟巖巷道圍巖自身承載能力較低,采用架棚支護只能承受上覆巖層的一小部分壓力,想要提高軟巖巷道自身承載能力應該采用圍巖注漿加固和錨噴支護等技術措施。
                  2.2.1頂板變形破壞分析
                  經過資料收集和現場勘察,巷道圍巖呈現出以下變形破壞特征:
                  1)在頂板無淋水條件下:①頂板錨桿和錨索以及錨索梁出現較多破斷和扭曲變形現象,錨固支護失效造成頂板破碎,需要不斷補打錨桿、錨索以及架棚進行補強支護;②巷道頂板局部錨網撕裂變形嚴重,局部出現頂煤懸頂和漏頂現象,頂板圍巖表面裂隙較為發育,導致頂板整體大面積下沉。
                  2)在頂板圍巖及錨索孔淋水條件下:①巷道頂板出現大面積淋水區域,錨索孔內淋水順著錨索線成“線狀”流動,需要組織人員不斷觀測巷道淋水量變化狀況,及時進行排水設施布置和錨網索補強支護。②頂板錨桿、錨索等支護構件受頂板淋水沖刷影響銹蝕嚴重,錨索及錨索梁變形嚴重,錨固性能降低,支護能力嚴重下降,進一步導致頂板破碎下沉,同時也造成底板積水和幫部大量流水,影響巷道正常使用。
                  3)巷道頂板在無淋水與有淋水條件下均呈現下沉和垮落變形特征,錨網索聯合支護逐漸失去有效支護能力,采用工字鋼架棚支護后仍然繼續出現頂板破碎、下沉和垮落現象,垮落最大深度可達1m,需在工字鋼和頂板之間填充大量木塊支撐,同時部分工字鋼棚扭曲變形嚴重。
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                  3 普通錨索封孔注漿支護技術理論研究 ............................... 19
                  3.1 普通錨索封孔注漿技術理論分析 .............................. 19
                  3.2 單根錨索封孔注漿數值模擬 ............................. 22
                  3.3 本章小結 .............................. 28
                  4 普通錨索封孔注漿支護技術試驗研究 ................................ 31
                  4.1 封孔材料配比試驗 .............................. 31
                  4.2 封孔相似模擬試驗 ..................................... 36
                  4.3 鋼管封孔注漿相似模擬試驗 ..................... 40
                  5 普通錨索封孔注漿支護優化分析與現場應用 ............................... 47
                  5.1 錨索封孔注漿支護技術數值模擬 ................................ 47
                  5.2 錨索封孔注漿支護工程應用 .................................. 51
                  5 普通錨索封孔注漿支護優化分析與現場應用
                  5.1 錨索封孔注漿支護技術數值模擬
                  水和弱膠結軟巖的相互作用,一方面加劇了頂板弱膠結煤巖層力學性能的弱化,另一方面使頂板錨桿、錨索錨固性能降低,甚至失效。采用數值模擬軟件FLAC3D,通過對弱膠結軟巖淋水巷道不同支護方案的模擬分析,進一步優化錨索封孔注漿技術支護理論和現場施工工藝,為現場工業性試驗及類似條件下巷道支護提供經驗數據和技術支持。模擬方案主要分為以下三種:
                  1)頂板淋水條件下1#探巷原支護方案;
                  2)在頂板淋水條件下1#探巷原支護方案的基礎上,采用錨索封孔堵水不注漿的支護方案;
                  3)在頂板淋水條件下1#探巷原支護方案的基礎上,采用錨索封孔注漿堵水加固的支護方案。

                  工程碩士論文參考
                  工程碩士論文參考

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                  6 結論與展望
                  6.1 結論
                  頂板圍巖及錨索孔淋水問題嚴重制約著楊家村煤礦弱膠結軟巖巷道的穩定與安全,開展楊家村煤礦弱膠結軟巖頂板淋水巷道圍巖控制研究,為類似條件下的巷道圍巖支護提供實踐經驗。以楊家村煤礦5-1上煤層1#探巷為研究背景,采用現場調研、資料收集、理論分析、室內試驗以及現場試驗和數值模擬等研究手段,得出以下結論。
                  1)5-1上煤層弱膠結軟巖巷道頂板變形破壞是多種因素綜合作用的結果:①弱膠結軟巖巷道圍巖強度較低,頂板以泥質類巖層為主,頂板圍巖及錨索孔淋水沖刷加劇了巖層強度弱化;②巷道掘進過程中出現斷層,同時受到上覆4-1煤層采空區側支承壓力和采空區疊加動壓影響,巷道圍巖穩定性受到較大影響;③頂板受到斷層及圍巖裂隙水、采空區積水等影響,錨索孔導通頂板圍巖上部弱含水層,形成導水通道,導致頂板錨桿錨索等支護構件銹蝕、斷裂,錨固易失效;④地質鉆孔測試和頂板錨索孔的存在加劇了對頂板水的擾動發育。綜合分析認為弱膠結軟巖巷道頂板變形破壞的主因是軟巖圍巖自身承載能力較弱與頂板淋水弱化的影響。
                  2)基于弱膠結軟巖頂板淋水巷道變形破壞特征及原因分析,原始創新提出普通錨索封孔注漿支護技術,通過對錨索封孔段受力分析,得出封孔段抗剪強度τ與鉆孔半徑、注漿壓力、封孔長度以及錨索半徑呈正比,并推導了封孔段受力的數學表達式??1 2τ=Pr/r+r;結合單根錨索封孔注漿數值模擬結果,驗證了理論分析中封孔段易破壞區域分布在封孔段與錨索桿體以及錨索孔壁的接觸處,通過錨索封孔注漿理論計算與數值模擬得出,普通錨索封孔段在理想狀態下至少能承受5MPa注漿壓力。
                  參考文獻(略)


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