煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散机理及应用.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 博士学位论文 煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散 机理及应用 T h em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no ft h eg o a fg r o u t i n gw i t hh i g h a d d i t i o nf l ya s hi nc o a lm i n e 究生 科专业爰芷王程 究方向 养单位 煤炭科学研究总院 2 0 16 年4 月 研导学研培 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 ～ 。一 本人郑重声明此处所提交的学位论文煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散 机理及应用，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读博士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名3 矽伍彳日期2 夕一6 年咋月历日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散机理及应用系本人在煤炭科学研究总 院攻读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研 究总院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭 科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交 论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国 优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭 科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密剐 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 摘要 在分析总结现有研究成果的基础上，本文通过理论分析和现场试验相结合， 借助相似模拟实验、离散元数值计算等方法，对煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆 渗流加固机理及其应用等进行了深入研究。 一 为了深入研究高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能，在实验原材料的配比设计 实验的基础上，分析研究了高掺量粉煤灰一水泥注浆材料不同参数条件下的性 能，结果表明，水固比和速凝剂掺量对注浆材料的凝结时间、抗压强度、流动 度、结石率等有显著影响；同时，利用E S E M 技术从形貌上定性分析体系水化 产物的生成和粉煤灰活性的激发状态，采用X R D 技术可探测晶体结构及峰强变 化的特征分析水化产物的组成及变化，利用M I P 技术分析不同注浆材料组成的 孔结构，进而解释了其对宏观物理力学性能的影响；注浆材料电学性能分析结 果表明，以分析注浆材料电学特征作为无损、非破坏评价注浆材料性能的技术 手段是科学可行的。 在高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能研究的基础上，为进一步研究注浆材料 在采空区的渗流特征和规律，本文采用平面应力的物理相似模拟实验进行了模 拟研究。实验结果表明，在采空区中矸石堆积相对规则的垮落区，受孔隙分布 特征的影响，浆液在这类区域浆液渗流迹线分布呈现“脊椎式”；在采空区中矸 石堆积不规则的垮落区，受孔隙分布特征的影响，浆液在这类区域的渗流迹线 分布呈现“絮网式”；通过分析浆液的渗流迹线发现，同时也发现受浆液的两相 水、固 物质渗透不协调、水泥粉煤灰矿物盐类电解和矸石堆积体孔隙特征 等共同因素的作用，浆液在采空区矸石孔隙内流动过程中存在明显的阻滞效应； 另外，浆液通过对采空区矸石堆积体“脊椎式”或“絮网式”嵌锁加固形成注 浆固结体，改变了矸石堆积体的形态，提高了采空区介质的完整性及其强度， 在浆液扩散影响范围内形成一个“类矿柱”体。 在注浆材料性能和渗流特征规律研究的基础上，为进一步优化注浆参数， 应用平面应力问题的理论模型，通过离散元分析软件u D E C 3 ．1 的二维数值模 拟，优化分析了注浆压力、水灰比和固相比三个控制参数。结果表明，影响注 浆效果最显著的是注浆压力，其次是水灰比，再次是固相比；并且通过采空区 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 注浆效果主要影响因素对比优化分析，本文认为水泥粉煤灰浆液注浆主要参数 选择注浆压力1 ．0M P a 、水灰比1 1 ．2 ～1 1 ．4 、固相比3 7 的参数组合其技术 效果相对较好。 论文在试验研究的基础上，通过分析注浆加固之后采空区介质体的特点， 提出了“固结体 矸石体 岩梁体”协作支撑系统或采空区介质体协作支撑系统， 并通过构建采空区介质体支撑系统原理图，分析了采空区介质体的力学作用机 制和协作支撑系统稳定条件，本文认为注浆加固形成的固结体对矸石体的侧向 约束作用和对上覆岩层压力的竖向支撑作用，是保证整个协作支撑系统稳定的 关键。 本文在实验研究和理论分析的基础上，于安泰坑口选煤厂下伏采空区治理 工程中进行了注浆实践。实践表明依据本文研究结论所进行的现场试验设计， 浆液渗流性能良好，浆液的加固效应所形成的固结体，提高了采空区矸石体的 完整性、改善了其受力环境和承载能力，现场试验取得良好的效果。 该论文有图8 6 幅，表3 1 个，参考文献1 5 1 篇。 关键词高掺量粉煤灰；加固机理；阻滞效应；注浆参数优化 I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e v i o u sr e s e a r c h r e s u l t s ，t h em e c h a n i s ma n d a p p l i c a t i o no ft h eg o a fg r o u t i n gw i t hh i g ha d d i t i o nf l ya s hh a v eb e e ns t u d i e di nt h i s p a p e rt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，d i s c r e t ee l e m e n tn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，a n d f i e l dt e s tb a s e do nt h et h e O r e t i c a la n a l y s i sa n dS Oo n ． G r o u t i n gm a t e r i a li so n eo ft h ek e yp a r t so ft h eg r o u t i n gt e c h n i q u e ．T h em a t e r i a l p r o p e r t i e sd i r e c t l yi n f l u e n c et h ee n g i n e e r i n gq u a l i t y , a n dt h ee n g i n e e r i n gi n p u ti s a l s od e c i d e db yt h em a t e r i a lp r i c e ．F o rf u r t h e rs t u d yo ft h e p r o p e r t yo fh i g ha d d i t i o n f l ya s h - c e m e n tg r o u t i n gm a t e r i a l ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e su n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r c o n d i t i o n sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e db a s e d ‘o nt h em i xd e s i g no fr a wm a t e r i a li n t h el a b o r a t o r y ．T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ew a t e r - s o l i dr a t i oa n dt h em i x i n ga m o u n t o It h ea c c e l e r a t o rh a v es i g n i f i c a n te f f e c to nt h es e t t i n gt i m e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ， f l u i d i t y , a n dt h es t o n er a t eo ft h eg r o u t i n gm a t e r i a l ．M e a n w h i l e ，E S E Ma n a l y s i s t e c h n i q u ew a su s e df o rt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h em o r p h o l o g yo ft h eh y d r a t i o n p r o d u c t sg e n e r a t e di ns y s t e m sa n dt h ea c t i v ee x c i t e ds t a t eo ff l ya s h ，c o m b i n e dw i t h X R D t e c h n i q u e ，w h i c ha n a l y z e dt h ec o m p o s i t i o no ft h eh y d r a t i o np r o d u c t sb a s e do n t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dc h a n g e si nt h ep e a ki n t e n s i t y ．M I Pt e c h n i q u ew a su t i l i z e d f o ra n a l y z i n gd i f f e r e n tp o r es t r u c t u r eo fg r o u t i n gm a t e r i a l ，a n dt h er e s u l te x p l a i n e d i t sm a c r o s c o p i ci m p a c to nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ．T h ee l e c t r i c a l p r o p e r t ya n a l y s i so fg r o u t i n gm a t e r i a lt h a ts h o u l dh a v en od e s t r u c t i o no nt h em a t e r i a l c a nb eas c i e n t i f i ca n df e a s i b l et e c h n i c a lm e a n ． F u r t h e r m o r e ，i no r d e rt os t u d yt h es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u t i n g m a t e r i a li nt h eo l dg o a f , t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hw a sc o n d u c t e db yt h ep h y s i c a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft h ep l a n es t r e s s ．I th a sb e e ns u g g e s t e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o n o ft h es l u r r ys e e p a g et r a c ed e p e n d so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r ed i s t r i b u t i o n ．I n d e t a i l ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h es l u r r ys e e p a g et r a c ep r e s e n t ss p i n es h a p ei nt h ec a v i n g z o n eo ft h eo l dg o a l , w h e r eg a n g u ea c c u m u l a t e dr e g u l a r l y , h o w e v e r , t h es l u r r y s e e p a g et r a c ed i s t r i b u t i o np r e s e n t sr e t i c u l a rs t r u c t u r ei nt h ec a v i n gz o n ew i t h u n r e g u l a rg a n g u ea c c u m u l a t i o n ．B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o no ft h e s l u r r ys e e p a g et r a c e ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e r ei so b v i o u sr e p r e s s i o ne f f e c td u r i n g t h eg r o u t i n gs l u r r yf l o w i n gt h r o u g ht h eg a n g u ep o r e si nt h eg o a fd u et oi n t e g r a t e d f a c t o r s ，s u c ha st h eu n c o o r d i n a t e dw a t e r - s o l i dp e n e t r a t i o no ft h es l u r r y , e l e c t r o l y s i s o ft h em i n e r a ls a l tc o n t a i n e di nt h ef l ya s h - c e m e n tg r o u t i n gm a t e r i a la n dt h eg a n g u e p o r e s ．M o r e o v e r , o n c et h es l u r r yb e c o m e sg r o u t i n gs o i lt h r o u g hd i f f e r e n ts l u r r y ⅡI 万方数据 s e e p a g et r a c ed i s t r i b u t i o n s ，i th a sa l r e a d yc h a n g e dt h em o r p h o l o g yo ft h eg a n g u e a c c u r n u l a t i o nb o d y ，a n di m p r o v e dt h ei n t e g r i t ya n d t h es t r e n g t ho ft h em e d i u m T h es t u d yo ft h eg r o u t i n gm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dt h es e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c sh a s m a d ep r e p a r a t i o nf o rf u r t h e ro p t i m i z i n gt h eg r o u t i n gp a r a m e t e r s ．T h e o r e t i c a lm o d e l o ft h eD l a n es t r e s sa n dt h ed i s c r e t ed e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et h a ti s U D E C 3 1 t w o ．d i m e l l s ；i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e df o rt h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so f t h r e ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h eg r o u t i n gp r e s s u r e ，w a t e rc e m e n tr a t i o ，a n d t h es o l i dp h a s er a t i o ．T h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e dt h a tg r o u t i n gp r e s s u r e1 St h em o s t s i g n i f i c a n tp a r a m e t e ri n f l u e n c i n gt h eg r o u t i n ge f f e c t ，f o l l o w e db yw a t e r c e m e n tr a t i o ， a n dt h es o l i dp h a s er a t i oi st h el a s to n e ．S p e c i f i c a l l y , i ft h eg r o u t i n gp r e s s u r ev a l u e I S 1 ．0 M P a ．t h e 、 r a t e rc e m e n tr a t i oi si nt h er a n g eo f1 1 ．2M I ．4 ，a n dt h es o l i dp h a s ei s 3 7 ，t h eg r o u t i n ge f f e c tc a l la c h i e v e ar e l a t i v e l yg o o dl e v e l ． T h i sp a p e ra l s op r o p o s e dt h eg o a lm e d i u mc o o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e mt h a t I S c o m p o s e db yt h eg r o u t i n gs o i l ，g a n g u ea n dr o c kb e a m ．B a s e do nt h es c h e m a t i c d i a g r a mo ft h eg o a fm e d i u mc o o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，t h ea n a l y s i so f t h eg o a t m e d i u mm e c h a n i c a lm e c h a n i s m ， a n dt h es t a b l ec o n d i t i o n so ft h e m e d i u m c o o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，i th a sb e e nf o u n d t h a tt h eg r o u t i n gs o i lf o r m e dd u r i n g t h eg r o u t i n gp r o c e s sh a sl a t e r a lr e s t r a i n tu p o nt h eg a n g u ea n d v e r t i c a ls u p p o r t i n gr o l e t ot h eo v e r l y i n gs t r a t a , w h i c ha r et h ek e yp a r t st oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ee n t i r e c o o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m ． O nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，g o a lg r o u t i n g w a sc o n d u c t e di nt h ec o a lp r e p a r a t i o np l a n to fA n t a i ．T h ep r a c t i c er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h eg r o u t i n gs l u r r ys e e p a g ee x p r e s s e dg o o dp e r f o r m a n c e ，t h eg r o u r i n g s 0 1 l f o n n e da f t e rr e i n f o r c i n ge f f e c th a si m p r o v e dt h eg a n g u ei n t e g r i t y , e v e n0 2 m i z e d t h e s t r e s se n v i r o n I n e n ta n dt h ec a r r y i n gc a p a c i t y ．T h ef i e l dt r i a l sh a v ea c h i e v e dg o o d e f f e c t s 。 T h i sp a p e rh a s8 6f g u r e s ，31t a b l e s ，a n d1 51 r e f e r e n c e s K e yw o r d s h i g ha d d i t i o nf l ya s h ；s e e p a g ea n a l y s i s ；r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ； r e p r e s s i o n e f f e c t ；o p t i m i z a t i o no fg r o u t i n gp a r a m e t e r s I V 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 目录 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 注浆技术的发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 高掺量粉煤灰水泥注浆材料特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 采空区渗透注浆扩散理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 采空区渗透注浆模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．2 ．5 采空区注浆效果检测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 ，1 ．3 文献研究评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．4 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．1 原材料及试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．1 ．1 试验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．1 ．2 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 高掺量粉煤灰。水泥注浆材料组成及性能优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．2 ．1 试验方案⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 。2 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 高掺量粉煤灰一水泥注浆材料微观结构研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 2 ．3 ．1E S E M ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．．．⋯2 9 2 ．3 ．2X 衍射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 2 ．3 - 3M I P 孔结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 2 ．4 高掺量粉煤灰一水泥注浆材料电学性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 2 ．4 ．1 注浆材料典型电阻率曲线的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 2 ．4 ．2 基于电阻率参数的注浆材料早期结构特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 采空区注浆渗流相似模拟实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．2 相似模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 长壁采空区覆岩结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 采空区注浆液渗流迹线分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．4 ．1 采空区孔隙结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．4 ．2 注浆浆液特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 3 ．4 ．3 注浆浆液渗流迹线分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．5 采空区注浆液的阻滞效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 3 ．5 ．1 浆液特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 3 ．5 ．2 浆液阻滞效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．6 采空区注浆液加固效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．6 ．1 加固效应的宏观分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 3 ．6 ．2 加固效应的微观分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 4 采空区注浆渗透参数数值计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．1U D E C 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．2 数值模拟的假定条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．2 ．1 采空区顶板岩体结构假定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 ⋯1 ●． 4 ．2 ．2 注浆过程及效果假定⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．3 数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．3 ．1 数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．3 ．2 计算模型参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．3 ．3 计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．4 采空区注浆参数优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．4 ．1 注浆压力参数优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 4 ．4 ．2 注浆水灰比参数优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．4 ．3 注浆固相比参数优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 5 采空区注浆加固支撑机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 5 ．1 采空区注浆加固支撑系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．2 采空区介质体的力学作用机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．2 ．1 固结体的支撑作用机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 5 ．2 ．2 采空区介质体协作支撑系统的力学作用过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 5 ．3 采空区介质体协作支撑系统稳定条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 5 ．3 ．1 固结体的支撑条件及控制机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 4 5 ．3 ．2 采空区介质体协作支撑系统的稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 5 ．4 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 安泰坑口选煤厂下伏采空区注浆治理工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 8 6 ．1 研究区工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 6 ．1 ．1 地面拟建构筑物及采空区分布状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 8 6 ．1 ．2 采空区钻探地层揭露情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 6 ．2 采空区注浆处理技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 6 ．2 ．1 注浆孔布设参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．2 ．2 浆液配比选择与注浆量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 3 6 ．2 ．3 注浆材料现场配比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 6 ．3 采空区注浆效果的物探检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 5 6 ．3 ．1 采空区治理解释依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 6 ．3 ．2 数据的处理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 6 6 。3 ．3 物探结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 6 ．4 采空区注浆效果的钻孔检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 4 6 ．4 ．1 检测孔施工揭露⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 6 ．4 ．2 钻孔岩芯力学测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 6 6 ．4 ．3 钻孔电视观测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．118 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 7 主要结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 I I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 7 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 4 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 攻读博士学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 3 I V 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景和意义 能源在我国经济和社会发展中具有特别重要的战略地位。我国一次能源消费 以煤为主【l 】，2 0 1 4 年，煤炭提供了我国一次能源7 5 ％左右，在一次能源消费结构 中的比重仍达到6 4 ．2 ％，煤炭作为主体能源在短期内不会改变【2 】。煤炭的大量开 采和利用在维持经济快速增长的同时也付出了沉重的环境代价，由此带来的生态 环境恶化问题依然存在。我国煤炭以井工开采为主，其产量占煤炭总产量的9 5 ％ 以上【3 ] ，且井工开采的矿井基本以长壁工作面、全陷法处理顶板为主，再加上不 断增大的开采强度及规模，导致采煤区地面沉陷的现象时有发生，且问题严重。 据不完全统计，我国采煤沉陷面积已超过2 0 0 0 k m 2 ，且仍以每年2 0 0 k m 2 的面积 不断扩大，因此，有关开采沉陷的生态环境和生产安全影响问题以及采空区的建 设和治理问题引起了各方的高度重视和关注【4 】。 近年来，矿区的工程建设难以回避采空区的影响，为了保证采空区上部建 构 筑物的安全，不得不对采空区进行处理。如太原一佳县高速公路【5 J ，乌 鲁木齐一奎屯高速公路【6 】，徐州绕城高速公路‘7 1 等交通设施建设；大同市某变电 站下伏采空斟8 1 ，承德某特殊钢厂下伏采空区[ 9 1 等能源输送工程；南水北调工程 【lo ] 等国家级大型水利工程，都面临采空区的治理问题。为保证工程建设安全，采 空区注浆治理是常用的应对措施。 对于采空区的治理，目前主要采取压力注浆法、井下回填法和开挖回填法。 压力注浆法是指通过人工制造压力方法，将具有胶结性能的浆液材料注入 地基土颗粒的空隙、土层界面或岩层空隙，亦或煤矿开采后形成的采空区残余空 隙，以增加强度、降低空隙的施工过程，简称注浆法。 井下回填法是指利用矸石、灰岩或砂岩等片石材料，通过人工回填砌筑于 采矿后形成的空洞内，利用其支撑作用，确保采空区上方覆岩稳定、顶板安全。 该方法适用于煤矿井下采空区尚未塌陷且简单清理后施工人员能进入的巷道治 理工程。 开挖回填法开挖回填方法是对建筑场地下的采空区先开挖至采空区 空洞 部位，然后采用灰土回填方法。开挖后宜采用灰土或素土分层回填夯实，回填土 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 层的密实度应满足设计要求。 针对大部分采空区的条件，采空区处理最为常用的方法为压力注浆法。在土 木、水利、矿山、交通等许多领域中该方法同样得到了广泛的应用[ 1 1 - 1 9 】。诸多注 浆实践表明，采用什么注浆材料，如何合理布置注浆钻孔，注浆效果如何检测等 都是采空区注浆技术中关键的问题，还需要开展更为全面、深入、系统的实验与 研究。 为回应煤矿采空区治理工程实践的迫切需要，在天地科技技术创新基金 K J 一2 0 1 2 一T D K C ，0 4 支持下，本文以山西省柳林县安泰煤业坑口选煤厂采空区 注浆治理为背景，针对采空区注浆材料、注浆渗透扩散机理与注浆效果检测等关 键问题，进行了系统地实验研究、理论分析和工程实践检测研究，为采空区治理 工程实践提供了理论和技术支持，进一步丰富和完善了采空区治理理论和技术体 系。 1 ．2 文献综述 1 ．2 ．1 注浆技术的发展历程 1 国外注浆技术的发展历程 注浆技术实用