深部巷道破碎围岩锚注机理及控制技术研究

摘要

深部巷道实际返修率高达90％以上,尤其软弱破碎围岩巷道控制一直是困扰煤矿安全、高效生产的重大难题之一,在诸如构造应力、强采动影响、断层破碎带等因素影响下,巷道围岩破碎程度高,出现大变形、大松动圈,造成支护失效、冒顶、剧烈底鼓、严重片帮等变形破坏现象,增加了巷道的返修强度与次数,费用远超成巷费用。
　　锚注支护可以从原位上提高围岩自承能力,改善支护构件锚固性能,有效控制围岩变形,越来越多的被深部巷道支护所采用。但是目前锚注支护多以工程类比为主,虽然众多学者针对锚注支护开展了大量的研究,但是对破碎岩体的锚注机理研究较少。因此,开展破碎岩体锚注试验及控制效果研究,明确破碎岩体锚注支护机理,可为深部巷道破碎围岩锚注支护设计提供指导,对煤矿安全高效运营具有重要意义,同时也可为交通隧道、水利水电等地下工程破碎岩体支护提供借鉴与参考。
　　本文以巨野矿区千米深井-赵楼煤矿为工程背景,针对高应力、软弱岩层等条件下,开挖后岩体破碎,锚注后岩体的参数获取以及承载特性等研究明显欠缺等问题,以室内以及现场试验为主,理论与数值分析为辅的手段,研究深部巷道破碎围岩锚注机理以及控制方法,主要研究工作及成果如下:
　　(1)随钻参数与破碎围岩锚注体力学参数关系研究
　　研发了多功能岩体数字钻探测试系统,由钻进系统、加载系统以及监测控制系统等组成,可施加最大扭矩400N·m,最大转速为400r/min,最大推进力50kN。定义了岩石单位切削能ηc,基于SVM建立了数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和岩石单位切削能ηc等5个物理参量与岩体UCS的定量关系。系统开展了不同水灰比、岩体粒径影响下破碎围岩锚注体数字钻探试验,验证了基于SVM的随钻参数与UCS关系模型,结果表明水灰比对破碎岩体锚注后的强度影响较大,水灰比为0.5和0.6的破碎岩体锚注后强度相近;不同粒径对破碎岩体锚注加固后强度影响较小。
　　(2)破碎围岩锚注体承载特性试验研究
　　针对破碎岩体锚注工况,制作了不同岩体粒径、不同水灰比以及不同锚杆数量的锚注体试件,开展了锚注体承载特性系列对比试验,定义了锚杆承载贡献率指标,对比分析了有无锚杆条件下锚注体裂纹发展规律,明确了不同因素影响下锚注体承载机制。
　　(3)不同条件下锚注支护构件锚固性能系列对比试验研究
　　建立了基于剪胀效应的软弱破碎围岩锚固体界面力学模型,推导了注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析了注浆前后围岩弹性模量、粘聚力、内摩擦角、剪胀角等力学参数变化对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义了注浆锚杆有效加固范围,系统开展了注浆前后普通锚杆和高强锚索等支护构件锚固性能系列对比试验,验证了理论模型的正确性,明确了锚注浆液扩散加固机制。浆液在岩体中的扩散效果不是等距均匀的,整体呈现“下方＞边侧＞上方”的趋势;浆液扩散效果随着注浆锚杆长度增加存在一个合理长度;高强锚索锚固性能的改善要综合考虑注浆加固以及稳定岩层的贡献大小。适用于赵楼煤矿类似巷道的注浆锚杆长度为2.5m左右,注浆锚杆间排距为1200×1600mm;高强锚索长度为5～6m左右。
　　(4)深部巷道锚注系列对比数值试验研究
　　考虑了支护方案、应力等级、岩体参数等级以及锚注加固强度等因素,设计了四大类51种数值对比方案,对比分析了围岩位移、塑性区、应力等变化规律,揭示了不同因素影响下围岩锚注控制机制。随着注浆加固范围的增加,各部位最大位移量、最大塑性区呈降低趋势,围岩应力峰值呈双线性变化特征;随着注浆加固参数等级的提高,各部位最大位移量、最大塑性区呈近似指数形式降低;围岩应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势,应力峰值整体呈上升趋势。
　　(5)深部巷道破碎围岩锚注控制现场对比试验研究
　　研发了新型高强锚注支护材料,设计了锚注联合支护方案,选择典型破碎围岩巷道开展了现场对比试验,结果表明煤巷沿空侧试验段平均收敛量比原方案降低了63.2％,实体侧降低了54.9％,岩巷试验段比原方案降低了81％～83％,高应力破碎围岩的变形得到了有效控制。将研究成果向极软弱破碎煤层巷道中进行了推广应用,设计并开展了四种锚注支护对比方案,结果表明注浆锚杆+注浆锚索联合支护、注浆锚杆+高强锚索联合支护等锚注方案可以代替传统的U型棚支护。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体锚注理论研究现状

1．2．2 岩体锚注数值试验研究现状

1．2．3 岩体锚注室内试验研究现状

1．2．4 巷道锚注支护技术研究现状

1．2．5 围岩控制效果评价方法研究现状

1．3 存在的问题

1．4 研究内容与技术路线

1．5 创新点

第二章 巷道破碎围岩变形破坏分析

2．1 工程背景

2．1．1 工程简介

2．1．2 区域地应力

2．1．3 典型岩样物理力学性能测试

2．2 典型煤巷-赵楼煤矿5302轨道巷变形破坏分析

2．2．1 巷道布设及地质概况

2．2．2 原支护方案及控制效果

2．2．3 原支护方案下现场监测

2．3 典型岩巷-赵楼煤矿七采辅运巷2#联络巷变形破坏分析

2．3．1 巷道布设及地质概况

2．3．2 原方案设计及控制效果

2．3．3 原支护方案下现场监测

2．4 现场问题小结及对策分析

2．5 本章小结

第三章 破碎岩体注浆加固随钻测试及UCS预测研究

3．1 多功能真三轴岩石钻探测试系统研发

3．1．1 研发背景

3．1．2 研发过程

3．1．3 系统稳定性测试

3．2 基于SVM的随钻参数与UCS关系模型研究

3．2．1 SVM非线性回归原理

3．2．1 钻头切削单位体积岩石所消耗的能量ηc

3．2．3 随钻参数与UCS关系模型建立

3．3 破碎岩体锚注加固钻进试验

3．3．1 试验方案设计

3．3．2 试验结果分析

3．4 本章小结

第四章 破碎岩体锚注承载特性试验研究

4．1 方案设计

4．2 试验过程

4．3 试验结果分析

4．3．1 不同粒径锚注体承载特性对比

4．3．2 不同锚杆数量锚注体承载特性对比

4．3．3 不同岩性锚注体承载特性对比

4．3．4 破碎岩体锚注体承载特性小结

4．4 本章小结

第五章 锚注补强力学效应及支护参数试验研究

5．1 支护构件锚注补强力学分析

5．1．1 软弱破碎围岩锚固体界面力学分析

5．1．2 锚注补强锚固体界面力学分析

5．1．3 界面剪应力提高算例分析

5．2 锚注支护构件参数比选试验

5．2．1 注浆前后普通锚杆锚固性能现场试验-5302轨道巷

5．2．2 注浆前后高强锚索锚固性能现场试验．七采辅运巷

5．2．3 现场锚注浆液扩散加固机制分析

5．3 本章小结

第六章 深部巷道锚注控制效果对比及支护材料研发

6．1 不同支护方案控制效果数值对比试验

6．1．1 数值试验方案设计

6．1．2 不同岩体参数等级条件下控制效果对比

6．1．3 不同地应力等级条件下控制效果对比

6．1．4 不同注浆加固范围条件下控制效果对比

6．1．5 不同注浆加固参数等级条件下控制效果对比

6．2 高强锚注支护材料研发

6．2．1 新型高强组合式中空注浆锚杆结构组成

6．2．2 新型高强中空注浆锚杆力学性能对比试验

6．2．3 新型高强组合式中空注浆锚杆围岩控制优势分析

6．3 本章小结

第七章 破碎围岩锚注控制现场对比试验研究

7．1 典型高应力破碎围岩锚注支护对比试验

7．1．1 沿空掘巷锚注补强对比试验

7．1．2 典型岩巷锚注试验

7．2 典型极软弱破碎煤层锚注联合支护对比试验

7．2．1 工程背景简介

7．2．2 原支护方案下围岩变形破坏分析

7．2．3 现场锚注方案及实施

7．2．4 现场控制效果对比

7．3 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 论文主要结论

8．2 论文展望

参考文献

致谢

博士期间参与科研项目

博士期间撰写科研论文

博士期间授权发明专利

博士期间获得荣誉及科研奖励