深部巷道破碎圍巖錨注機(jī)理及控制技術(shù)研究.pdf

1、深部巷道實(shí)際返修率高達(dá)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(qiáng)采動(dòng)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(dòng)圈,造成支護(hù)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(qiáng)度與次數(shù),費(fèi)用遠(yuǎn)超成巷費(fèi)用。
　　錨注支護(hù)可以從原位上提高圍巖自承能力,改善支護(hù)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(hù)所采用。但是目前錨注支護(hù)多以工

2、程類比為主,雖然眾多學(xué)者針對(duì)錨注支護(hù)開展了大量的研究,但是對(duì)破碎巖體的錨注機(jī)理研究較少。因此,開展破碎巖體錨注試驗(yàn)及控制效果研究,明確破碎巖體錨注支護(hù)機(jī)理,可為深部巷道破碎圍巖錨注支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),對(duì)煤礦安全高效運(yùn)營(yíng)具有重要意義,同時(shí)也可為交通隧道、水利水電等地下工程破碎巖體支護(hù)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(duì)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(chǎng)試驗(yàn)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(jī)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(cè)試系統(tǒng),由鉆進(jìn)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)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(jìn)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(jìn)速率V、轉(zhuǎn)速N、扭矩M、推進(jìn)

4、力F和巖石單位切削能ηc等5個(gè)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(yàn),驗(yàn)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(duì)破碎巖體錨注后的強(qiáng)度影響較大,水灰比為0.5和0.6的破碎巖體錨注后強(qiáng)度相近;不同粒徑對(duì)破碎巖體錨注加固后強(qiáng)度影響較小。
　　(2)破碎圍巖錨注體承載特性試驗(yàn)研究
　　針對(duì)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(duì)比試驗(yàn),定義了錨桿承載貢獻(xiàn)率指標(biāo),對(duì)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(jī)制。
　　(3)不同條件下錨注支護(hù)構(gòu)件錨固性能系列對(duì)比試驗(yàn)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(jì)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(duì)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(qiáng)錨索等支護(hù)構(gòu)件錨固性能系列對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證了理論模型的正確性,明確了錨注漿液擴(kuò)散加固機(jī)制。漿液在巖體中的擴(kuò)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(shì);漿液擴(kuò)散效果隨著注漿錨桿長(zhǎng)度增加存在一個(gè)合理長(zhǎng)度;高強(qiáng)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(xiàn)大小。適用于趙樓煤礦類似巷道的注漿錨桿長(zhǎng)度為2.5m左右,注漿錨桿間排距為1200×1600mm;高強(qiáng)錨索長(zhǎng)度為5～6m左右。
　

7、　(4)深部巷道錨注系列對(duì)比數(shù)值試驗(yàn)研究
　　考慮了支護(hù)方案、應(yīng)力等級(jí)、巖體參數(shù)等級(jí)以及錨注加固強(qiáng)度等因素,設(shè)計(jì)了四大類51種數(shù)值對(duì)比方案,對(duì)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(jī)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(shì),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(jí)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(shì),應(yīng)

8、力峰值整體呈上升趨勢(shì)。
　　(5)深部巷道破碎圍巖錨注控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究
　　研發(fā)了新型高強(qiáng)錨注支護(hù)材料,設(shè)計(jì)了錨注聯(lián)合支護(hù)方案,選擇典型破碎圍巖巷道開展了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明煤巷沿空側(cè)試驗(yàn)段平均收斂量比原方案降低了63.2％,實(shí)體側(cè)降低了54.9％,巖巷試驗(yàn)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(jìn)行了推廣應(yīng)用,設(shè)計(jì)并開展了四種錨注支護(hù)對(duì)比方案,結(jié)果表明注漿錨