深部巷道破碎圍巖錨注機理及控制技術(shù)研究.pdf

1、深部巷道實際返修率高達90％以上,尤其軟弱破碎圍巖巷道控制一直是困擾煤礦安全、高效生產(chǎn)的重大難題之一,在諸如構(gòu)造應(yīng)力、強采動影響、斷層破碎帶等因素影響下,巷道圍巖破碎程度高,出現(xiàn)大變形、大松動圈,造成支護失效、冒頂、劇烈底鼓、嚴(yán)重片幫等變形破壞現(xiàn)象,增加了巷道的返修強度與次數(shù),費用遠超成巷費用。
　　錨注支護可以從原位上提高圍巖自承能力,改善支護構(gòu)件錨固性能,有效控制圍巖變形,越來越多的被深部巷道支護所采用。但是目前錨注支護多以工

2、程類比為主,雖然眾多學(xué)者針對錨注支護開展了大量的研究,但是對破碎巖體的錨注機理研究較少。因此,開展破碎巖體錨注試驗及控制效果研究,明確破碎巖體錨注支護機理,可為深部巷道破碎圍巖錨注支護設(shè)計提供指導(dǎo),對煤礦安全高效運營具有重要意義,同時也可為交通隧道、水利水電等地下工程破碎巖體支護提供借鑒與參考。
　　本文以巨野礦區(qū)千米深井-趙樓煤礦為工程背景,針對高應(yīng)力、軟弱巖層等條件下,開挖后巖體破碎,錨注后巖體的參數(shù)獲取以及承載特性等研究明顯

3、欠缺等問題,以室內(nèi)以及現(xiàn)場試驗為主,理論與數(shù)值分析為輔的手段,研究深部巷道破碎圍巖錨注機理以及控制方法,主要研究工作及成果如下:
　　(1)隨鉆參數(shù)與破碎圍巖錨注體力學(xué)參數(shù)關(guān)系研究
　　研發(fā)了多功能巖體數(shù)字鉆探測試系統(tǒng),由鉆進系統(tǒng)、加載系統(tǒng)以及監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成,可施加最大扭矩400N·m,最大轉(zhuǎn)速為400r/min,最大推進力50kN。定義了巖石單位切削能ηc,基于SVM建立了數(shù)字鉆探過程中鉆進速率V、轉(zhuǎn)速N、扭矩M、推進

4、力F和巖石單位切削能ηc等5個物理參量與巖體UCS的定量關(guān)系。系統(tǒng)開展了不同水灰比、巖體粒徑影響下破碎圍巖錨注體數(shù)字鉆探試驗,驗證了基于SVM的隨鉆參數(shù)與UCS關(guān)系模型,結(jié)果表明水灰比對破碎巖體錨注后的強度影響較大,水灰比為0.5和0.6的破碎巖體錨注后強度相近;不同粒徑對破碎巖體錨注加固后強度影響較小。
　　(2)破碎圍巖錨注體承載特性試驗研究
　　針對破碎巖體錨注工況,制作了不同巖體粒徑、不同水灰比以及不同錨桿數(shù)量的錨注

5、體試件,開展了錨注體承載特性系列對比試驗,定義了錨桿承載貢獻率指標(biāo),對比分析了有無錨桿條件下錨注體裂紋發(fā)展規(guī)律,明確了不同因素影響下錨注體承載機制。
　　(3)不同條件下錨注支護構(gòu)件錨固性能系列對比試驗研究
　　建立了基于剪脹效應(yīng)的軟弱破碎圍巖錨固體界面力學(xué)模型,推導(dǎo)了注漿前后錨固體界面剪應(yīng)力計算公式,分析了注漿前后圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角等力學(xué)參數(shù)變化對錨固體界面抗剪能力的影響規(guī)律。定義了注漿錨桿有效加固范圍

6、,系統(tǒng)開展了注漿前后普通錨桿和高強錨索等支護構(gòu)件錨固性能系列對比試驗,驗證了理論模型的正確性,明確了錨注漿液擴散加固機制。漿液在巖體中的擴散效果不是等距均勻的,整體呈現(xiàn)“下方＞邊側(cè)＞上方”的趨勢;漿液擴散效果隨著注漿錨桿長度增加存在一個合理長度;高強錨索錨固性能的改善要綜合考慮注漿加固以及穩(wěn)定巖層的貢獻大小。適用于趙樓煤礦類似巷道的注漿錨桿長度為2.5m左右,注漿錨桿間排距為1200×1600mm;高強錨索長度為5～6m左右。
　

7、　(4)深部巷道錨注系列對比數(shù)值試驗研究
　　考慮了支護方案、應(yīng)力等級、巖體參數(shù)等級以及錨注加固強度等因素,設(shè)計了四大類51種數(shù)值對比方案,對比分析了圍巖位移、塑性區(qū)、應(yīng)力等變化規(guī)律,揭示了不同因素影響下圍巖錨注控制機制。隨著注漿加固范圍的增加,各部位最大位移量、最大塑性區(qū)呈降低趨勢,圍巖應(yīng)力峰值呈雙線性變化特征;隨著注漿加固參數(shù)等級的提高,各部位最大位移量、最大塑性區(qū)呈近似指數(shù)形式降低;圍巖應(yīng)力峰值距離巷道周邊整體呈縮短趨勢,應(yīng)

8、力峰值整體呈上升趨勢。
　　(5)深部巷道破碎圍巖錨注控制現(xiàn)場對比試驗研究
　　研發(fā)了新型高強錨注支護材料,設(shè)計了錨注聯(lián)合支護方案,選擇典型破碎圍巖巷道開展了現(xiàn)場對比試驗,結(jié)果表明煤巷沿空側(cè)試驗段平均收斂量比原方案降低了63.2％,實體側(cè)降低了54.9％,巖巷試驗段比原方案降低了81％～83％,高應(yīng)力破碎圍巖的變形得到了有效控制。將研究成果向極軟弱破碎煤層巷道中進行了推廣應(yīng)用,設(shè)計并開展了四種錨注支護對比方案,結(jié)果表明注漿錨