李粮店煤矿地应力分布规律及巷道稳定性分析.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 赵文生 指导教师 郭文兵 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 采矿理论与技术 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一三年六月二○一三年六月 李粮店煤矿地应力分布规律及巷道稳定性分析李粮店煤矿地应力分布规律及巷道稳定性分析 Ground Stress Distribution Charcteristics and Analysis of Roadway Surrounding Rock Stablity in Liliangdian Coal Mine 中图分类号中图分类号TD311353 密密 级公开级公开 UDC622.8 单位代码单位代码10460 李粮店煤矿地应力分布规律及巷道稳定性 分析 Ground Stress Distribution Charcteristics and Analysis of Roadway Surrounding Rock Stablity in Liliangdian Coal Mine 申请人姓名申请人姓名 赵文生赵文生 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 采矿理论与技术采矿理论与技术 导师导师 郭文兵郭文兵 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2013-06 答 辩 日 期答 辩 日 期 2013-06-02 河南理工大学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文 李粮店煤矿地应力分布规律及巷 道稳定性分析 ，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经 公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论 文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 致致 谢谢 本论文是在我导师郭文兵老师的悉心指导、严格要求下完成的，在郭文兵老 师的指导下，我受益匪浅。从论文的开题到现场搜集资料，从现场工作方案的制 定，到地应力测量、松动圈测量，从现场调查巷道支护破坏情况，到分析地应力、 松动圈和巷道稳定性情况，都给与我莫大的指导和帮助，使我的理论知识得到了 丰富，实践经验得到了积累，更重要的是我学到了科研的思路和方法，使我在专 业知识的学习进程又向前迈了一步。同时，郭文兵老师在生活和精神上给予了我 无微不至的关怀和帮助；导师严谨求实、谦虚谨慎、务实创新的科研作风、孜孜 不倦的工作精神和无私奉献的高尚品德都使我终身受益。在我的硕士论文完成之 际，谨向导师郭文兵老师致以最诚挚的感谢 在论文中，岩石物理力学参数的测定，苏承东老师给予了许多指导和帮助； 地应力现场测量工作相关问题，得到了宋常胜老师和张延新老师的悉心指导和帮 助；数值模拟的过程中得到了韦四江老师无私帮助，在论文开题答辩中，各位教 授、专家所提出的宝贵意见，使得我更加明确了论文的研究方向，在此向诸位老 师表示诚挚的谢意同学胡志华、马晓川、陈冰、赵浩、娄高中、黄广帅、徐飞 亚、王金帅、李圣军、白二虎等在论文的写作过程中提供了无私的帮助，在此向 他们表示感谢最后，特别感谢在百忙之中，评审我的论文和参加答辩的各位专 家、教授，热切、诚挚地希望得到您们的指导与帮助。 I 摘摘 要要 地应力是引起地下工程破坏的根本作用力，是决定巷道布置的重要因素，巷 道稳定性分析的重要参数。李粮店煤矿第一水平埋深 765m，开拓巷道部分地段在 现有的支护方式下难以维护，为了解决这个问题，以李粮店煤矿为工程背景，对 李粮店煤矿地应力分布规律及巷道稳定性进行了分析。 首先，本文通过现场采集巷道围岩岩样，实验室测试围岩物理力学性质，得 到了李粮店煤矿巷道围岩的物理力学参数；其次，结合现场实际，布置了四个地 应力测点，成功测得了井底车场和风井底附近的地应力大小和方向，并粗略估计 得到地应力各主应力随深度的线性变化关系；再次，结合李粮店开拓工程进展， 通过现场调查，分析了李粮店煤矿井下巷道的支护方式和破坏情况，并对巷道进 行了松动圈实测，得到了巷道松动圈的范围，分析了李粮店煤矿部分开拓巷道的 变形破坏因素，提出了一些建议和措施；最后，基于实测的地应力大小和方向， 利用 FLAC3D 软件，模拟两种不同巷道支护方式下的塑性区、位移和应力变化， 并进行了对比，提出一种较好的支护方案。 关键词关键词地应力测量；松动圈测量；巷道稳定性；FLAC3D 模拟 III Abstract Ground stress is the fundamental force causing damage of underground engineering, which is an important decisive factor of the roadway layout, and important parameters of the roadway stability analysis. The first level cover depth is 765m in Liliangdian coal mine, and the part of some development roadway is difficult to maintain in existing support. In order to solve the problem, ground stress distribution characteristics and roadway surrounding rock stability in Liliangdian coal mine is analysed under the engineering background of the Liliangdian coal mine. Firstly, roadway surrounding rock is collected at the scene, the physical and mechanical properties of surrounding rock is tested in laboratory, and the physical and mechanical properties of surrounding rock is obtained in laboratory. Secondly, ground stress measurement points are arranged based on the actual situation at the scene, data of four ground stress measurement points are layout, the size and direction of the ground stress are successfully measured in shaft station and air shaft, the changing relationships of each main stress with depth are obtained roughly. Thirdly, combine with advances in Engineering of Liliangdian coal mine, the support and damage of roadway is analysed in Liliangdian coal mine by field investigation, and the range of roadway loose circle is measured by loose circle measurement; according to the results of the loose circle measurement, the factors of roadway deation and failure is analysed, and some construction suggestions are raised. Finally, based on the measured size and direction of the ground stress, using FLAC3D software, the changes of stress, displacement and plastic zone of roadway are simulated under three different supports, which are contrasted to select a better support program. Keywordsground stress measurement; loose circle measurement, stability of roadway, FLAC3D simulation V 目 录 摘摘 要要 ............................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................... III 目目 录录 .......................................................................................................................... V 1 概述概述 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究目的和意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 1 1.2.1 地应力测量研究现状 .................................................................................................. 1 1.2.2 巷道围岩控制技术研究现状 ...................................................................................... 3 1.3 研究内容和技术路线 ......................................................................................... 5 1.3.1 研究内容 ...................................................................................................................... 5 1.3.2 技术路线 ...................................................................................................................... 6 2 李粮店煤矿地质力学概况李粮店煤矿地质力学概况 ........................................................................................ 7 2.1 井田概况 ............................................................................................................. 7 2.2 井田地层 ............................................................................................................. 8 2.3 地质构造特征 ..................................................................................................... 9 2.4 围岩力学参数测定 ........................................................................................... 12 2.4.1 采样地点及尺寸 ........................................................................................................ 12 2.4.2 试样加工 .................................................................................................................... 12 2.4.3 试验设备及仪器 ........................................................................................................ 13 2.4.4 测定结果 .................................................................................................................... 14 3 矿井地应力分布规律实测研究矿井地应力分布规律实测研究 .............................................................................. 17 3.1 地应力测量原理及相关设备 .......................................................................... 17 3.1.1 地应力测量原理 ........................................................................................................ 17 3.1.2 测量设备 .................................................................................................................... 19 3.2 地应力测点选择和测量方法 .......................................................................... 20 3.2.1 测点选择的原则 ........................................................................................................ 20 3.2.2 地应力测量步骤 ....................................................................................................... 22 3.3 应力解除试验结果和弹性模量和泊松比的测定 .......................................... 24 3.3.1 地应力测量应力解除实验结果................................................................................. 24 VI 3.3.2 岩石弹性模量和泊松比的测定 .................................................................................28 3.4 地应力计算结果及分布特征 ......................................................................... 29 3.5 地应力场与井田构造关系分析 ..................................................................... 32 3.6 小结 ................................................................................................................. 33 4 巷道围岩稳定性调查实测分析巷道围岩稳定性调查实测分析 .............................................................................. 35 4.1 巷道稳定性现场调查 ..................................................................................... 35 4.1.1 李粮店煤矿巷道支护方式 ........................................................................................35 4.1.2 李粮店煤矿巷道变形破坏形式 ................................................................................38 4.2 巷道松动圈实测研究 ...................................................................................... 39 4.2.1 松动圈测试测试仪器 .................................................................................................39 4.2.2 测站及测孔布置 .........................................................................................................41 4.2.3 测试结果 .....................................................................................................................41 4.3 巷道围岩稳定性分类 ...................................................................................... 44 4.4 围岩变形破坏分析及施工建议 ...................................................................... 45 4.5 本章小结 .......................................................................................................... 46 5 基于实测地应力的巷道支护优化数值模拟基于实测地应力的巷道支护优化数值模拟 .......................................................... 47 5.1 模型的建立 ...................................................................................................... 47 5.1.1 模型建立的原则 .........................................................................................................47 5.1.2 模型建立满足的假设条件 .........................................................................................47 5.2 参数的选取 ...................................................................................................... 49 5.3 数值模拟方案设计 ......................................................................................... 50 5.4 模拟结果及分析 .............................................................................................. 51 5.4.1 塑性区分析 ................................................................................................................52 5.4.2 位移分析 ....................................................................................................................53 5.4.3 应力分析 ....................................................................................................................54 5.5 数值模拟结论 .................................................................................................. 55 5.6 小结 .................................................................................................................. 55 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 57 6.1 结论 .................................................................................................................. 57 6.2 展望 .................................................................................................................. 58 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 59 VII 附件附件 地应力计算软件处理结果地应力计算软件处理结果 ............................................................................... 63 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 71 1 概述 1 1 概述 1.1 研究目的和意义 地应力（又称原岩应力或岩体初始应力）是存在于地层中未受扰动的天然应 力，是由于岩体自重和地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素，而在岩 体中形成的天然应力，是引起采矿工程围岩、水利水电、铁道、公路以及岩土开 挖工程变形甚至破坏的根本作用力[1]。 准确的地应力资料是地面和地下岩石工程稳 定性分析，实现岩土工程相关设计和决策科学化的必要前提[2]。大量的矿井生产实 践证明，生产过程中遇到的重大技术研究问题如巷道围岩失稳破坏、冲击地压危 险预测及防治、上覆岩层变形破坏等都与地应力有关，矿井地应力场的研究受到 普遍关注，生产实践中对地应力及围岩力学参数等基础技术数据的需要已越来越 迫切[3,4]。地应力的大小和方向一般不能通过数学计算或模型分析的方法得到，要 准确了解工程区域的地应力分布状态，最可靠的办法是进行地应力实测[1]。 李粮店煤矿是一座现代化矿井，位于河南省新郑市，长葛市和尉氏县交界地 带，设计生产能力 240 万 t/年，目前处于基建阶段，计划 2014 年投产，第一水平 标高-663m， 埋深 765m， 煤层平均厚度 4.88m， 煤层顶板以砂岩为主， 夹薄层泥岩， 底板以灰黑色砂质泥岩及泥岩为主。井下巷道为满足矿井生产的需要，设计断面 较大，巷道所处岩性较为破碎，造成巷道变形大难维护，影响煤矿正常生产作业， 同时存在很大的安全隐患。为了保证井下巷道得到科学合理的支护，就需要对影 响巷道稳定的各个因素进行充分调查，只有详细的了解了影响工程的诸多因素， 并对各个因素进行理论分析、计算和模拟，才能保证矿井正常安全生产。在诸多 影响采矿工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要和最根本的因素之一[5]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 地应力测量研究现状 近半个世纪以来，随着人们对地应力认识的深化和研究工作的开展，目前世 界上已有几十个国家开展了地应力测量工作，测量方法有十余类，测量仪器达数 百种[6,7]。依据测量原理的不同，可以将测试方法分为直接法和间接法两大类。直 接测量法有扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法及声发射法。间接测 量法包括应力解除法、应变解除法、地球物理法、地质测绘法等。 （1）国外研究现状 美国是世界上最早进行地应力测量的国家之一，美国的许多学者和专家在地 河南理工大学硕士学位论文 2 应力测量理论和技术作出了重大贡献，很多新的地应力测量仪器被研制出，60 年 代末，C.费尔赫斯特和 B.C.海姆森提出了水压致裂法，并在 70 年代末和 80 年代 得到较广泛的普及[8]。 目前水压致裂法与套芯应力解除法成为两种最主要的地应力 测量方法[9,10]。 澳大利亚地应力测量工作开展较早， G.沃罗特尼基等人研制出一种新型的应力 计空心包体应力计HI，现已被世界各国广泛采用[11]。 2010 年意大利都灵的 G. Iabichino 和 M. Cravero[12]设计研制了一种新型的地应 力测量装置，通过使用经典的 CSIR 应力计和新开发的应力计两种仪器，进行对比 发现新应力计测量结果与经典的应力计误差不大，并且新的应力测量装置在套取 岩心期间能够自主地供电，执行信号调理和连续采集数据。 2011 年，伊朗德黑兰 Amirkabir 大学的 K.Shahriar[13]等人在水压致裂法测得地 应力的基础上，使用 BEM3D 软件，得到一种新的计算地应力的方法首先采用边 界元的方法计算现场地应力得到一个地应力的数值，然后用有限元差分方法计算 局部地应力，再采用 Examine3D 估算较远范内的地应力，再和另外一个测得的地 应力数值比较，进行校正，修正地应力计算参数。 （2）国内研究现状 中国地应力测量的试验和研究开始于上世纪 60 年代，1966 年，在著名科学家 李四光教授的倡导下，全国第一个地应力观测台在河北省上尧县建立[1,2]，60 年代 初在地下矿山的巷道、峒室表面利用扁千斤顶法测量围岩表面的应力状态。1964 年，中国科学院武汉岩土力学研究所的陈宗基教授在大冶铁矿进行了国内首次应 力解除测量 [14]。 应力解除法是目前应用最广泛的地应力测量方法，全世界范围内 80以上地 应力资料是通过该法获得的[15]。1989 年，李文平教授[16]应用 AE 法对牛司马、潘 集两矿区现代地应力场及其井巷工程稳定性影响进行了研究。1990 年，尹菲[17]研 究了声发射法测量地应力在黄河小浪底等坝址区的应用。蔡美峰[18]于 1991 年还对 地应力测量过程中的温度补偿等问题进行了研究。 对于矿山而言，由于有一系列开拓和采准巷道、硐室可以利用，能够非常方 便地接近地下所需测定的各点[19-20]。2004 年，王庄矿对主要采区地应力进行了测 试[21]，应用测试结果进行数值模拟初始设计，然后根据锚杆支护与围岩稳定监测 信息，完善锚杆支护设计参数，取得了很好的经济和社会效益。 2011 年刘国磊等人使用空心包体应力计在北皂煤矿海底岩层中下进行了地应 1 概述 3 力测量，得到了北皂煤矿海域扩采区水平构造应力与垂向应力的比值平均为 1.56， 地应力场以水平构造应力为主，最大主应力方向为北偏东约 45 ，并对巷道轴线布 置方向进行了建议[22]。 2010年戚玉亮[23]等人采用改进的KX-81型空心包体式应力计对车集矿深部三 维初始地应力进行了测量，测得了车集矿区深部 4 个测点的三维地应力大小和方 向，最大主应力倾角均小于 6 ，方位角介于 SE10 SW11 ，为近水平南北方向， 说明车集矿区域地应力以水平构造应力为主，垂直应力基本上等于或略小于单位 面积上覆盖岩层的重量，最大主应力随深度的增加而增加。 勾攀峰和张延新[24]对平顶山煤业集团公司一矿进行了地应力实测， 从得出的 数据中总结了地应力的分布规律，为今后巷道支护、安全生产以及研究煤与瓦斯 突出问题提供了重要的科学依据。 康红普等人[25]对新汶矿区进行了地应力测量，测点埋深最大 1220m，结果表 明，最大水平主应力高达 40 多 MPa；最大水平主应力与垂直主应力的比值为 1.0041.550；得出了新汶矿区超过 1000m 深井地应力以水平应力为主最大水平主 应力方向主要集中在 N3 EN43.5 W 的结论。 1.2.2 巷道围岩控制技术研究现状 随着矿井开采深度的增加，地应力也随之增加，因高应力围岩产生挤压屈服 和剪切滑移，使围岩破碎开裂或塑性变形，巷道支护难度增加，甚至围岩发生偏 帮、冒顶等事故，造成人员伤害和重大经济损失，巷道支护成了制约矿井高产高 效建设的关键[26,27]。由于巷道所处围岩物理力学性质千差万别，地质条件复杂多 样，对巷道围岩稳定性影响程度不一，因此，保持其畅通和完好状态对改善井下 劳动条件和作业环境、预防顶板事故，保障矿井安全生产具有重要意义，当前， 锚杆支护已经被认为是非常有效和经济的支护方式，广泛应用在采矿、隧道等工 程应用方面。 对锚杆荷载传递机理的研究，英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国处 于国际领先地位，主要内容为荷载从锚杆（索）转移到灌浆体力学机理研究及灌 浆体与钻孔孔壁间力学机理的研究[28]。 Lutz 和 Gergeley[29]，Hanson1969[30]，Goto[31]等都研究了荷载从锚索（杆） 转到灌浆体的力学机制，他们认为钢锚索（杆）表面上存在着微观的粗糙皱曲， 浆体围绕着锚索（杆）充满这些皱曲而形成一个灌浆柱，在锚索（杆）和灌浆体 河南理工大学硕士学位论文