深部煤矿岩巷顶管法掘进的可行性研究.pdf

I 硕士学位论文 深部煤矿岩巷顶管法掘进的可行性研究 作 者 姓 名 谭颖垚 学 科 专 业 岩土工程 指 导 教 师 莫海鸿 教授 所 在 学 院 土木与交通学院 论文提交日期 2019 年 5 月 9 日 万方数据 II Feasibility Study of Pipe-jacking in Deep Rock Mass of Coal Mine A Dissertation ted for the Degree of Master CandidateTan Yingyao SupervisorProf. Mo Haihong South China University of Technology Guangzhou, China 万方数据 万方数据 万方数据 I 摘 要 随着煤矿工业逐渐进入深部地层，高抽巷、开采巷道等煤矿工业设施也必须开始面 对深部环境的特殊性。深部高地应力、高地温和高渗透压的特殊复杂地质环境导致巷道 开挖面临挑战，传统的巷道施工方法，如钻爆法和综掘法等已经难以满足深部地层环境 的施工要求，急需研发“小型化、机械化、自动化、智能化、信息化”的深部煤矿巷道施 工的成套设备及技术。针对这一需求，本文在深部岩石顶管隧洞的长期变形、深部岩石 顶管纠偏技术等方面开展了以下工作 1基于岩石的 Burgers 蠕变模型，推导出了深部岩石隧洞径向变形的数学描述，该 结果表明， 岩石隧洞的径向变形可以分为瞬时变形阶段、 蠕变衰减阶段和稳态蠕变阶段。 根据顶管工程施工的长期性与顶管工法的特殊性， 可以认为隧洞径向变形在顶管施工期 内都在不断增长。基于这一点，本文提出了在预防顶管施工出现管节“抱死”的情况下， 顶进速度、超挖量之间需要满足的关系式，通过这一关系式，可以在实际工程中由已知 的地层参数出发，选择恰当的超挖量与顶进速度，有效预防管节“抱死”。 本文还建立了 圆形隧洞在岩石地层的长期蠕变下变形的数值模拟模型， 该数值模拟模型验证了本文推 导的深部岩石地层圆形隧洞径向变形的可信性， 岩石隧洞径向变形的数值模拟结果也证 明了在 Burgers 蠕变模型下隧洞长期径向变形会不断增长，长距离顶管施工确实有管节 被“抱死”的风险。 2对于长距离顶进的工程， 本文假设顶管行进曲线会在反复纠偏的作用下形成多个 “波形”。在设定同样的纠偏角、初偏量、纠偏停止点和相似的初偏角的情况下，每一段 纠偏曲线都可以认为具有相同的“波形”。基于这一假设，本文给出了长距离顶管行进曲 线的数学描述。崎岖的顶管行进曲线必然会影响整个顶管工程的阻力情况，本文基于顶 管行进曲线的数学描述，提出了一套计算非直线顶进条件下的顶管阻力计算公式，并为 不同纠偏角下的顶管行进曲线的阻力计算提供了修正系数表。 该公式考虑了行进曲线崎 岖情况对顶管阻力的影响，并为合适纠偏角的选择提供了依据，过大的纠偏角会使得整 个纠偏曲线更为崎岖，顶管阻力更大；过小的纠偏角则会使单个纠偏曲线的最大偏离值 更大，使得整个顶管行进曲线的不稳定，需要根据实际情况进行选择。 关键词深部岩体；顶管施工；岩石蠕变；纠偏技术；顶力计算；数值模拟 万方数据 II ABSTRACT With the development of coal industry, deeper coal mining makes roadway excavation get involved into deep and complex mining environment. Coal mine industrial facility and auxiliary roadway, like high drainage roadway, have to face deep rock stratum. Some scholars summarized the deep mining environment characteristics as high geostress, high geothermal and high karst hydraulic, and traditional excavation s, like drilling and blasting, is time-consuming, which is unsafe for workers in gaseous and complex coal mine strata conditions. It is necessary to find a miniaturized, mechanized, automated, intelligent and infomatized technique for roadway excavating in deep rock stratum. For this demand, this paper will carry out research in tunnel long-term deation and pipe jacking correction technique, shown as following 1Basing Burgers model, this paper calculates the radial displacement of tunnel edge. According to the result, deation stages of radial displacement can be divided into instantaneous deation stage, creep decaying stage and creep stabilization stage. For long-term construction of pipe jacking project and particularity of pipe jacking technique, it can be considered that radial displacement increases continuously in the whole pipe jacking construction period. Basing characteristics of long-term radial displacement of tunnel edge, this paper put forward theory for pipe section lock prevention, and with certain rock parameter, jacking speed and design length, this paper propose suggestion for over excavation selection. This paper also builds numerical model for theory verification. Radial displacement of tunnel edge in deep rock stratum is shown in numerical model and simulated result is similar to the theoretical result, which verifies the credibility of the theory. 2For long distance pipe jacking project, this paper assumes travel curve shows many “S“ type waves under repeated correction. With same initial deviation, correction angle and similar initial declination of each waves, each waves of travel curve can be assumed as same, and mathematical expression for each waves can be got. Different shape of travel curve will surely affect pipe jacking resistance, and this paper put forward theory to describe this kind of effect. With this theory, this paper also provides correction factor for resistance calculation in non-linear jacking. Basin the theory, it is also clear that bigger correction angle makes resistance increase, while smaller angle makes deviation maximum of each correction curve bigger, which makes travel curve deviate from design center axis easier. Therefore, it need to choose proper correction angle in actual pipe jacking project. Keywords Deep rock stratum; Pipe jacking; Creep; Correction technique; Resistance calculation; Numerical analysis; 万方数据 III 目 录 摘 要 ..................................................................... I 目 录 .................................................................. III 第一章 绪论 ............................................................... 1 1.1 选题的背景和研究意义 ............................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 4 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 5 1.2.1 深部地应力研究现状 ....................................................................................... 5 1.2.2 深部围岩变形计算理论研究现状 ................................................................... 9 1.2.3 顶管沿程阻力计算理论研究现状 ................................................................. 10 1.2.4 顶管工程纠偏技术研究现状 ......................................................................... 12 1.3 主要技术路线与创新点 ............................................................................................ 13 1.3.1 本文主要技术路线 ......................................................................................... 13 1.3.2 本文主要创新点 ............................................................................................. 14 第二章 深部围岩变形规律 .................................................. 16 2.1 引言 ........................................................................................................................... 16 2.2 高抽巷围岩变形理论 ............................................................................................... 16 2.2.1 弹性分析 ......................................................................................................... 16 2.2.2 注浆压力影响 ................................................................................................. 21 2.2.3 塑性分析 ......................................................................................................... 23 2.2.4 蠕变分析 ......................................................................................................... 25 2.3 围岩长期变形 ............................................................................................................ 28 2.3.1 长期变形特性 ................................................................................................. 28 2.3.2 顶管施工控制理论 ......................................................................................... 30 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 31 第三章 数值模拟验证 ...................................................... 33 3.1 引言 ............................................................................................................................ 33 3.2 岩石本构参数 ............................................................................................................ 33 万方数据 IV 3.3 模型的建立与结果 .................................................................................................... 38 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 44 第四章 深部顶管施工的动态控制 ............................................ 46 4.1 引言 ........................................................................................................................... 46 4.2 纠偏曲线的数学描述 ............................................................................................... 47 4.3 深部顶管工程的阻力计算 ....................................................................................... 51 4.4 工程算例 .................................................................................................................... 53 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 56 第五章 结论、建议、成果及展望 ............................................ 57 结论 .................................................................................................................................. 57 建议 .................................................................................................................................. 58 成果 .................................................................................................................................. 58 展望 .................................................................................................................................. 59 附录 ..................................................................... 60 参考文献 ................................................................. 66 攻读硕士学位期间取得的研究成果 ........................................... 68 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 选题的背景和研究意义 1.1.1 选题背景 受能源结构的限制，煤炭一直是我国能源产业中占最大头的化石能源，从 1990 年 开始到 2016 年，在中国的一次能源消耗总量中，煤炭资源各年份平均占 70。煤炭产 业在我国能源产业中有着极为重要的地位，以 2016 年全国煤炭产量为例，34.106 亿吨 的煤矿产量，占到能源消耗总量的 62.0[1]。随着中国国民经济的不断发展，对煤炭能 源的需求也在不断增大，煤矿的开采规模也在不断增加，这导致煤炭浅层资源已经接近 枯竭，仅存者也不支持大规模开采，煤矿开采不得不开始进入深部地层。目前在我国探 明的煤炭资源中，埋深在 1000m 以下的就约有 2.95 万亿吨，占到煤炭资源探明总量的 53[2]。在未来 20 年，中国的很多煤矿都将进入 10001500m 的深部开采阶段[3]，与深 部煤炭开采息息相关的开采工法经济性、安全性问题研究已经迫在眉睫。 在煤矿生产中，危害最大同时也极为常见的灾害就是煤矿的瓦斯灾害，在一次死亡 10 人以上的国有重点煤矿特大事故中， 瓦斯相关的事故就占到了 80， 是煤矿安全生产 的“第一杀手”。 瓦斯除了危害煤矿安全生产以外， 抽出来的瓦斯如何处理也是一个难题， 瓦斯的主要成分是甲烷，其单位温室效应要比二氧化碳强 21 倍，直接排放到大气环境 中，必然会导致强烈的温室效应，破坏地球大气环境。同时，甲烷又可以充当一种重要 的化工原料和能源来源，我国已经成功利用瓦斯制作炭黑，瓦斯发电厂也已经在一些矿 区得到建设，为这些矿区提供了必要的电能及热能；在一些发达国家，如英国、澳大利 亚、日本、德国等已经在 70 年代建立煤矿瓦斯电站，这些足以说明瓦斯抽采、利用的 可能性。因此，如何对瓦斯进行有效的收集利用，使之既能改善煤矿生产环境，又能让 瓦斯为国民生产建设提供动力，减轻环境污染，发展煤矿资源的多样用途，是未来煤矿 行业的一个重要课题。 目前，瓦斯抽采放的常见方法有1、本煤层钻孔抽采；2、开掘瓦斯专用抽采巷 道； 3、 采用定向钻抽采技术抽采瓦斯， 即直接在采煤工作面或煤层顶板布置走定向钻孔 抽采本煤层和邻近煤层瓦斯。这些抽采方法能够解决部分煤矿瓦斯抽放问题，但面对深 部岩体煤矿的瓦斯抽放，这些方法都存在着不足。随着工作面的不断掘进，通风系统也 万方数据 华南理工大学硕士论文 2 在同步抽出瓦斯，传统通风系统会由于进风通道与回风通道之间的气压差，使部分空气 流发生回流并积聚在工作面上隅角处，这种情况一般被称为上隅角瓦斯超限问题，为了 解决上隅角瓦斯超限问题，传统工程会采用以下几种方法 1、在上隅角插管进行抽放 瓦斯，但由于实际插管并不能保证精准停留在顶板裂隙上端，抽采位置一旦发生偏离， 将导致无法抽取瓦斯；2、在采空区埋管抽放瓦斯，但埋管容易由于裂隙带的塌落而偏 离，导致无法抽出上隅角瓦斯，且采空区埋管无法将管路布置到煤层上端，也就无法将 上隅角瓦斯抽出来； 3、 布置高位钻孔用以抽放上隅角瓦斯， 该方法理论上能够解决上隅 角瓦斯超限问题，但实际上该方法受限于现有钻进设备钻孔半径小、钻孔浅且不均匀的 客观条件，治理一个回采工作面需要施工多个钻场，施工一个煤矿开采工作面都要开上 山巷，不仅费时费力，而且效率低下，经济效益低。一些工程人员提出可以采用挖掘高 抽巷的方式解决上隅角的瓦斯超限问题， 这是一种布置在开挖巷道的上部顶板裂隙带并 沿着开采巷道不断前进的辅助巷道，随着开采巷道的生产掘进，顶板裂隙带将会发生垮 塌， 裂隙带内及上隅角处的瓦斯平衡就会被破坏， 高抽巷通过负压和顶板裂隙抽出瓦斯， 改变上隅角瓦斯积聚的气流环境，从而根本上解决上隅角瓦斯超限问题。与传统治理方 法相比，设置高抽巷的方法具有抽采量稳定、效率高等优点，且抽采路径与通风系统分 离，具有很高的安全性。 目前国内煤矿开挖高抽巷的方法主要有三种 1、 炮掘法； 2、 风镐法和水力掘进法； 3、综掘法。 炮掘法是指利用打眼加炸药爆破的方法开掘隧道的方法， 是目前采煤区进行采煤的 主要方式之一，炮掘法需要的掘进设备少，适用性强。但是受到炸药性能、爆破技术、 施工手段的限制，炮掘法施工速度较慢，这一点在掘进小断面、硬岩巷道时尤为突出。 另外，高巷道施工所在的岩体裂隙带还容易引起安全事故。 风镐是通过风来驱动的，属于气动工具的一种，用压缩空气为动力，经压缩后使锤 体往复冲击运动，进而掘进巷道。水力掘进则是通过高压水对岩体进行冲击，进而进行 掘进。风镐法和水力掘进法具有灵活、方便、成本低廉，适应性强等优点，可掘进断面 尺寸跨度大的巷道，但只适用于硬度较低的岩层，并不适合地应力水平高、岩体硬度大 的深部岩体高抽巷施工，而且风镐法和水力掘进法的施工环境极为恶劣，已经不符合现 代化煤矿产业的需求。 综掘法经过多年的发展，已经开发出多种悬臂式掘进机，掘进的机械化程度也在不 断提高，但复杂的配套设备使得综掘法不适合掘进断面小于 16m2的巷道，加上支护成 万方数据 第一章 绪论 3 本高、支护速度无法匹配掘进速度等问题，综掘法不适宜在深部岩体中进行高抽巷的施 工。 以上的高抽巷施工传统方法都存在作业环境恶劣、效率低下、矿工劳动强度高和等 不适用于深部地质环境的问题，不能够满足深部开采环境下的高抽巷施工要求。研究表 明，高抽巷施工位于具有高地温、高地应力和高渗透压力的特殊复杂工程环境时，工程 灾害类型会比浅部明显增多，如瓦斯灾害、水害、地压、地温等。这种与浅部岩土环境 截然不同的工程环境使得深部建设高抽巷变得更加困难， 这会使得传统方法施工高抽巷 的难度增大，因此需要更为适应深部巷道掘进的施工方法。 顶管法是继盾构及 TBM 掘进法之后发展起来的一种全断面隧道掘进技术，它是通 过在始发井内设置支座和千斤顶，借助千斤顶的顶力，将管节从始发井不断顶进地层中 的隧道施工技术。在施工距离较长的情况下，可以通过设置中继环的方式传递顶推力增 加施工距离。在浅层地层的长期顶管施工工程实践中可以总结出顶管施工的几个优点 1、顶管法综合成本低，相比于其它全断面隧道掘进技术，顶管法施工系统更加简单，不 需要复杂的管片拼装器械，成本更低；2、顶管法的施工周期短，顶管工法具备开挖、出 土、支护一体的施工模式，整体施工时间更短；3、顶管法的施工环境相比于明挖法、矿 山法等施工方法更良好，这主要是由于顶管法可以免除施工人员在掌子面的直接作业， 一体化的破岩、出岩作业也解决了隧道施工中由于破岩而导致的灰尘环境，大大改善了 施工人员的施工环境。 顶管法在隧道实践中所表现的优点使之存在着应用于深部煤矿高抽巷施工， 并改善 目前高抽巷施工现状的可能性， 但首先需要对顶管法在深部地层中的适应性进行一定的 分析。深部煤矿高抽巷工程环境最首要的特征是硬岩地层，这是由于深层煤矿赋存环境 所决定的，因此煤矿高抽巷顶管施工的首要问题就是顶管工程在岩石地层中的适用性。 近几年，国内的工程公司及机械设备公司在刀盘，驱动系统和纠偏油缸等配置上结合了 盾构机的设计理念对顶管机进行了改进，大大提高了顶管机的破岩及顶推能力，改良后 的顶管技术已经大量运用于长距离浅层硬岩顶管工程 1、 2011 年 12 月， 广东省基础工程公司承建的西气东输浙江常山江岩石顶管隧道顺 利贯通，隧道全长 306m，工程处于岩溶地质带，地下水压大，地质情况复杂、岩石硬度 大且破裂，局部存在大粒径孤石。[4] 2、2016 年 4 月，中石油管道局四公司承建的鞍大原油管道工程青云河顶管穿越工 程顺利贯通，该工程全长 530m，地层为花岗片麻岩，风化程度大部分为中风化、强风 万方数据 华南理工大学硕士论文 4 化，平均强度为 41MPa。[5] 3、2015 年 8 月，南宁市邕宁区龙岗片区道路污水管顶管工程采用了中铁工程装备 集团研发的硬岩顶管机进行施工， 顶管施工断面直径为 2.8m， 施工地段存在褶皱、 断裂， 地质状况比较复杂。[6] 4、2016 年，宁波大工业供水项目 DN1600 钢管硬岩顶管工程，单次顶进最大长度 为 670m，顶进地层主要为微风化晶屑熔结凝灰岩，饱和抗压强度达到 120179MPa。[7] 以上工程实践说明了顶管工程在孤石多发地层、岩石地层、硬岩地层中的施工技术 已经发展成熟，基本具备应用于深部煤矿高抽巷施工的前提。国外顶管工程也有岩石地 层的实践，但由于煤层赋存环境的不同，且国外对深部煤层开采的需求尚不强烈，所以 国外没有深部煤矿高抽巷顶管施工的先例， 因此针对深部煤矿高抽巷顶管施工而研发的 整套设备及技术将会是国际首创。2015 年煤科集团沈阳研究有限公司成功研制了矿用 顶管设备样机， 并于8月在安徽淮南进行了初次工业试验， 取得了一些重要的实验数据。 这次工业试验暴露了深部煤矿高抽巷顶管施工中许多亟待解决的问题， 这些问题的根本 原因是深部工程环境与浅层工程环境的不同， 其典型特征是“三高一扰动”， 即高地应力、 高地温、高岩溶水压及采矿扰动[3]。针对深部工程环境的特殊性，必须对现有顶管工程 理论及技术进行更为全面、深入、系统的理论分析与工程实践。 1.1.2 研究意义 针对煤矿开采逐渐进入深部开采环境， 瓦斯防治亟需高抽巷顶管理论与施工技术发 展的现状，研究者需要从深部煤矿高抽巷顶管施工系统工程中的多个方面进行研究。本 文主要基于 2015 年的深部顶管工业试验进行深部顶管施工的可行性研究，主要有两个 着力点 一是深部围岩在开挖顶管隧道后的长期变形特性。 这主要是根据高抽巷顶管施工长 距离的特征所进行的研究。高抽巷的施工长度一般是由煤矿开采距离所决定的，而一般 的煤矿开采巷道可以达到几公里，在浅层地区，顶管施工的速度在 5m/d 左右，在深部 岩石地层顶管施工的速度会更慢，这意味着顶管施工周期非常长，几公里的高抽巷施工 期限可以达到两年多。顶管工程的特征是管节必须从后面通过千斤顶向前顶进，这意味 着所有管节都需要通过最初的断面，一旦某个管节被围岩“抱死”，整个顶管工程都将失 败，因此需要对顶管施工期内围岩变形情况进行理论分析，并思考防范“抱死”的技术方 法。 万方数据 第一章 绪论 5 二是高抽巷顶管隧道施工过程中的动态纠偏问题。高抽巷作为煤矿开采辅助巷道， 其隧道断面不需要太大，这也是高抽巷采用顶管法进行施工的优点之一，但小断面施工 与高抽巷长距离顶进结合将会带来隧道行进不稳定的问题。 在浅层土质地层中进行顶管 施工时，顶管隧道行进曲线会随着管节的不断顶入而渐趋平滑，但在深部岩石地层中， 由于围岩强度高，一旦顶管行进曲线形成，其形状将不会发生大的改变。在长距离的顶 进过程中，顶管行进受多重因素影响，难免出现偏离，不断偏离、纠偏下的顶管行进曲 线显示出相对曲折的特点。曲折的顶管行进曲线引起沿程阻力的变化，进而影响了顶进 效率，分析深部岩层顶管曲线形状的形成原因及特点，并考虑这种特点对沿程阻力的影 响，将为深部煤矿高抽巷顶管施工的纠偏提供理论依据。 以上两个着力点是基于目前国内外首次深部煤矿高抽巷顶管施工工业试验中所出 现的一些问题针对性提出的，深部煤矿高抽巷顶管施工技术难点还有很多，这两个方向 仅仅是较为初级的问题。 这两个问题的解决完成了深部顶管施工的一些可行性研究工作， 可以在下一次工业试验中改良部分技术， 并可作为下一步深部高抽巷顶管施工的技术储 备，具有重要的研究意义。 1.2 国内外研究现状 顶管技术应用于深部煤矿高抽巷施工是一个系统工程，一方面，它需要针对深部地 层的工程环境进行具体分析；另一方面，顶管工程在浅层地层中的工程实践及技术储备 相当成熟，基于深部地层的特征，熟知浅部顶管施工的技术是将顶管技术应用于深部煤 矿高抽巷顶管施工的第一步，以下是深部地应力、深部围岩变形理论、高抽巷顶管施工 阻力计算及纠偏技术的研究现状。 1.2.1 深部地应力研究现状 随着人类对深部资源的开采，深部岩体力学问题逐渐受到重视，深部应力水平特征 被认为是深部岩体力学，乃至深部开采灾害防治的关键。 1878 年瑞士地质学家海姆A.Heim在公路隧道工程中，通过对岩体的观察与分析， 提到了地应力的概念，并提出了针对垂直地应力与水平地应力关系的海姆假设，海姆假 设包括 1、原岩应力各向等压，即静水压力状态。 2、 在漫长的地质年代后， 岩体在自重下的变形已经发展完全， 岩体的力学状态将会 万方数据 华南理工大学硕士论文 6 更加贴合静水压力的特点，即最终的水平应力与垂直应力相等。 即 hv H 1-1 式中 h 为水平应力； v 为垂直应力；为覆盖层的容重；H为覆盖岩层的深度。 1926 年原苏联地质学家金尼克在海姆假设的基础上提出了金尼克假设，金尼克假 设认为 1、地壳中各点的垂直应力等于该点以上覆盖岩层的重量。 2、地壳中水平应力是泊松效应的结果，其值为垂直应力与一个修正系数的乘积。 即 1 vh HH -    ； 1-2 式中 h 为水平应力； v 为垂直应力；为覆盖层的容重；H为覆盖岩层的深度； 为岩层泊松比。 我国地质学家李四光在 20 年代则指出“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。 海姆假设与金尼克假设，以及李四光的论断是人们对地应力早期认识中得到，随着 深部资源开采以及地应力测量方法的完善， 一些学者开始针对深部岩体力学特征提出深 部地应力理论。 在如何区分普通岩体地应力状态和深部岩体地应力状态问题上，南非学者 N.C.Gay 在 1975 年根据地应力测量数据，提出了临界深度的概念。他认为在临界深度以上为普 通岩体地应力状态，临界深度以下为深部岩体地应力状态[8]。E.Hoek 和 E.T.Brown[9]则 认为由于不同方向上的水平地应力并不一定相等， 需要对水平地应力与垂直地应力的比 值 K 进行估算，并指出水平应力和垂直