富含软泥的溶洞性顶板巷道围岩稳定性控制研究

摘要

受煤层赋存条件的影响，富含软泥入侵的溶洞性顶板广泛分布于我国许多矿区，用于其孔洞发育、原位强度低、围岩整体性差，使得该类顶板巷道的稳定性控制已成为亟待解决的技术难题。本文以永聚煤业10＃煤溶洞性顶板巷道为工程背景，结合溶洞注浆加固理论，分析研究溶洞性顶板巷道围岩的稳定性控制机理。采用溶洞注浆相似模拟、注浆岩体力学实验及数值模拟相结合的方法，探讨溶洞性顶板合理的注浆材料、注浆参数以及巷道支护方式，经实际工程应用与现场监测取得了良好的应用效果。
　　本研究主要内容包括：⑴富含软泥的溶洞性顶板，受孔洞效应影响其原位力学性能强度偏低（单轴抗压强度约为10.7MPa～18.9MPa）、自稳能力较差，在高地应力的作用下巷道顶板极易发生坍塌、冒落，溶洞性顶板巷道围岩的稳定性维护极为困难。⑵针对软泥入侵溶洞性顶板特性，结合相关围岩注浆加固原位改性理论，提出了对溶洞性顶板的分段封堵、分区注浆的加固技术，注浆加固后其顶板围岩完整性得到明显改善，顶板支护结构的承载能力得到提高;分析表明注浆材料、注浆参数及支护方式的合理选择直接决定溶洞性顶板巷道围岩的稳定控制。⑶针对软泥入侵溶洞性顶板实际工程条件，运用注浆相似模拟、数值模拟以及力学性能实验等方法进行综合分析，确定溶洞性顶板注浆最优浆液水灰比为0.8∶1;水玻璃用量为25％所用水泥体积量;巷道顶板最佳支护方式为拱形断面+锚杆（索）+29U型钢+钢纤维混凝土联合支护。⑷试验表明:富含软泥的溶洞性顶板采用注浆加固后（水灰比0.8∶1），围岩强度提高37.9％～165％，巷道围岩顶底板移近量减小58.61％～89.25％，巷道围岩两帮收敛量减小66.16％～93.79％。其顶板力学性能得到大幅提高，顶板围岩自稳能力有了较大的改善，注浆效果显著;数值模拟研究表明，高应力作用下软泥溶洞性顶板巷道破坏影响范围为巷道尺寸的3～4倍范围，该范围内溶洞的分布对巷道围岩的稳定性影响明显。⑸软泥-浆液结石体在较短时间内能完成膨胀变形（约8h），采用0.8∶1的注浆水灰比，其最终膨胀量约为原结石体体积的3.1％，根据注浆工程手册，压力夯实注浆在该膨胀量作用下，效果最为显著;而且使得在溶洞性顶板巷道围岩注浆加固过程中，缩短了注浆施工过程，对软泥溶洞顶板快速加固效果明显，对富含软泥的溶洞性顶板注浆改性施工具有实际指导意义。⑹在永聚煤业10＃煤轨道大巷进行了实际工程应用，并对实施的巷道围岩变形与锚杆（索）工作载荷进行了监测。结果表明:巷道围岩变形收缩量与顶板载荷最终均达到了稳定状态，溶洞性顶板巷道注浆加固与支护取得了良好的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题意义与背景

1．2 溶洞性顶板巷道围岩稳定性控制现状

1．2．1 溶洞性顶板现状

1．2．2 巷道围岩注浆加固现状

1．2．3 高预应力支护理论研究

1．3 溶洞性顶板围岩稳定性存在的问题

1．4 研究内容

1．5 研究方法

1．6 研究的技术路线

第二章 溶洞性顶板巷道围岩原位特性研究

2．1 工程概况

2．2 溶洞性顶板巷道围岩原位力学特性实验

2．2．1 基本情况

2．2．2 测试结果

2．2．3 部分试件应力应变曲线

2．2．4 部分岩芯试件实验过程

2．2．5 顶板原位力学实验结果分析

2．3 本章小结

第三章 溶洞性顶板巷道围岩注浆加固机理研究

3．1 溶洞性顶板巷道围岩变形破坏特征

3．2 溶洞性顶板注浆加固机理与技术

3．2．1 溶洞性项板孔洞分布特征

3．2．2 溶洞性顶板巷道围岩加固机理

3．3 溶洞性顶板巷道围岩注浆方案设计

3．3．1 注浆工艺

3．3．2 钻孔设计

第四章 溶洞性顶板巷道围岩注浆改性实验研究

4．1 注浆模拟试验方案

4．1．1 相似模拟理论

4．1．2 试验原型条件

4．1．3 试验方案设计

4．1．4 试验模型材料及配比

4．1．5 试验模型制作及实验设备

4．2 溶洞性顶板巷道围岩注浆实验

4．2．1 主要实验设备

4．2．2 溶洞性顶板巷道围岩注浆实验

4．2．3 溶洞性顶板巷道围岩抗压破坏实验

4．2．4 压力实验试块变形破坏对比分析

4．2．5 实验结果综合分析

4．3 本章小结

第五章 溶洞性顶板巷道稳定性数值模拟研究

5．1 数值模拟基本情况概述

5．1．1 概述

5．1．2 巷道围岩参数

5．1．3 开掘条件

5．2 数值模拟方法简介

5．2．1 数值模拟方法概述

5．2．2 材料属性与模型计算过程

5．3 溶洞性顶板巷道围岩注浆效果数值模拟研究分析

5．3．1 四种方案的围岩屈服破坏对比计算与分析

5．3．2 四种方案的围岩应力对比计算与分析

5．3．3 四种方案的围岩移动对比计算与分析

5．3．4 四种方案注浆效果综合对比分析

5．4 溶洞性顶板巷道围岩综合支护方案数值模拟研究分析

5．4．1 两种方案的对比计算与分析

5．4．2 最优方案的稳定性进一步研究

5．4．3 综合对比分析

5．5 本章小结

第六章 工程应用与监测

6．1 溶洞性顶板巷道围岩控制措施

6．2 矿压观测实施

6．2．1 观测仪器布置

6．2．2 观测实施

6．3 观测数据处理

6．4 巷道围岩变形分析

6．5 围岩应力分析

6．6 工程监测综合分析

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 本文的创新之处

7．3 不足之处与未来研究方向

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间的学术成果