木孔煤矿软弱围岩巷道支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 木孔煤矿软弱围岩巷道支护技术研究木孔煤矿软弱围岩巷道支护技术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科（专业学位类别）（专业学位类别） 矿业工程 作者姓名作者姓名 武剑 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯涛 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015年6月1 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353.4 万方数据 木孔煤矿软弱围岩巷道支护技术研究木孔煤矿软弱围岩巷道支护技术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科（专业学位类别）（专业学位类别） 矿业工程 作者姓名作者姓名 武剑 作者学号作者学号 12010101001 师 姓 名 及 职 称师 姓 名 及 职 称 冯涛 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015年6月 1 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Research of Soft Rock Roadway Supporting Technology in Mukong Colliery Type of Degree Academic Degree Discipline Type of Professional Degree Mining Engineering Candidate Wu Jian Student Number 12010101001 Supervisor and Professional Title Prof.Feng Tao Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date June 1th 2015 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 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论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南科技大学可以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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 I 摘要摘要 本文以贵州木孔煤矿软岩巷道支护为工程背景， 对700 运输顺槽的原支护方 式失效的原因进行理论分析从而提出了以桁架锚索为核心的联合支护技术。 木孔煤矿巷道顶板稳定性差，强度低，易风化和崩解，巷道采用锚杆锚索 钢带支护，由于参数设计不合理，支护强度不够，施工质量较差等造成顶板锚杆 和托盘支护严重失效，钢带出现折断、扭曲等破坏现象。因为巷道开挖以前，地 下岩体处于三轴应力平衡状态，巷道开挖后原有的平衡系统会被破坏，巷道围岩 应力就会从新分布调整， 变成二维应力状态， 围岩强度变低。 对于700 运输顺槽， 由于巷道围岩强度低，同时受回采动压影响，巷道围岩产生变形破坏；另外由于 巷道掘进后，不及时对支护施加预紧力或预紧力强度不够，巷道顶板只是自然的 叠合梁，不能发挥组合梁的作用。尤其是在软岩巷道中，若不及时对锚杆、锚索 施加一定量的预紧力，不能发挥其主动支护的作用，只有当顶板岩层变形到一定 量时，才具有承载能力，此时巷道顶板已经离层和破坏，围岩自身承载能力大幅 度降低。 通过复变函数和弹性力学研究了矩形巷道围岩应力， 以700 运输顺槽的工程 地质资料为基础，建立 FLAC 数值模型，分析不同高宽比和侧压力系数下矩形巷 道的变形情况，根据实际情况合理确定巷道尺寸。 普通锚索相比于预应力桁架锚索， 其影响的半径范围和轴线方向的深度较小， 对围岩的应力状态改变较弱，因此提出桁架锚索支护技术。预应力桁架锚索由桁 架连接器、高强度钢绞线、锚具、反扣装置等组成。可以有效的使中性轴趋近于 巷道顶板上表面，减少巷道顶板岩梁拉应力区域，增大压应力区域，有效的改善 围岩的应力状态，减少了锚固区岩梁因受拉应力作用而产生失稳、垮塌事故，提 高了巷道顶板围岩整体的承载能力。预应力桁架锚索是将锚固点作用在巷道两肩 窝深部围岩内形成类似倒楔体， 通过张拉钢绞线将预应力传递到巷道顶板围岩中。 当巷道围岩受到动压荷载影响时，倒“梯形体”卡在巷道顶板围岩两角处，上方压 力越大，倒“梯形体”卡住越紧，在巷道顶板上方形成基点在两角处的承载拱区。 预应力桁架锚索能够在水平和垂直方向同时对巷道顶板围岩提供压应力，使锚固 区内的围岩处于双向应力状态。预应力桁架锚索产生的主动支护力能有效控制巷 道顶板沿垂直方向向下移动，防止顶板离层。 通过 FLAC 数值模拟的方法， 研究700 运输顺槽预应力桁架锚索支护方案中 不同桁架锚索长度、锚索直径、锚索和垂直方向的夹角、孔口和巷帮的距离、锚 索的预应力以及顶板锚杆密度然后通过 SPSS 差分析正交试验，设计出700 运输 顺槽预应力桁架锚索支护方案； 最后通过对运输顺槽表面位移监测表明700 运输 万方数据 II 顺槽在预应力桁架锚索支护控制下，巷道围岩变形稳定，达到了预期效果。 关键词关键词 软岩巷道软岩巷道； 预应力桁架锚索预应力桁架锚索； 矩形巷道围岩应力矩形巷道围岩应力； FLAC 数值模拟数值模拟； SPSS 正交试验正交试验 万方数据 III ABSTRACT Based on the background of mine soft rock roadway construction with Mukong coal mine in Guizhou. Supporting the cause of the original mode of transport trough 700 failure of theoretical analysis. Presented based on the truss anchor combined supporting technology. Mukong Coal mine tunnel roof poor stability, low strength, easy weathering and disintegration. Gateway with bolt anchor and steel band support, because of the design parameters is unreasonable and supporting strong enough, poor construction quality. As a result, the roof bolt and cause a serious failure of the tray support、beam with damage such as broken and twisted behavior occurs. Because in the past the roadway excavation, underground rock in triaxial stress equilibrium, after excavation of the balance system would be broken on the new distribution adjustment of roadway surrounding rock stress. Stress state of surrounding rock of roadway becomes two dimensional stress state of surrounding rock intensity to low. For 700 transportation roadway, because of the low intensity of roadway surrounding rock while under the influence of mining dynamic pressure, deation and failure of surrounding rock of roadway. In addition, as after the roadway excavation, not timely support preload preload or strong enough, just a natural tunnel roof composite beam, can not play the role of composite beams. Especially in soft rock roadway, if not promptly applied for a certain amount of preload bolt and cable anchor, can not play its role in supporting the initiative. Only when the roof strata deed to a certain amount of time, it has a carrying capacity, then separation and tunnel roof has been destroyed, surrounding rock bearing capacity is greatly reduced. Through complex analysis and study on elastic rectangular tunnel surrounding rock stress. Based on 700 haulage of engineering geological ination, establish FLAC numerical model. Analysis of deation under different aspect ratio and lateral pressure coefficient rectangular roadway, according to the actual situation of reasonable size to determine the roadway. Compared to ordinary prestressed truss anchor cable, a smaller radius and depth of its impact in the axial direction, the stress state of rock change is weak, so the proposed truss anchor support technology. It can effectively make the neutral axis close to the tunnel roof surface, reducing roadway slate roof beam tensile stress area, increasing the compressive stress area, effectively improve the stress state of rock, 万方数据 IV reducing the anchorage zone of rock beam due to tensile stress generate instability, collapse accidents, improve the overall roof rock roadway carrying capacity. The prestress truss cable truss connectors, high strength steel strand, anchors, reverse unit and other components.Prestress truss cable anchorage point is ed in deep rock roadway shoulder pit two similar inverted wedge, by tension steel strand prestressed transfer to surrounding rock of roadway roof. When the roadway when subjected to dynamic loading effects, “ladder“ cards in two corners of the surrounding rock of roadway roof above and more pressure, “ladder“ stuck tight ation at two corners at the base above the tunnel roof bearing arches. Prestress truss cable in horizontal and vertical directions at the same time on the surrounding rocks of roadway roof providing pressure stress, makes the rock inside the anchorage zone in biaxial stress state. It produces active supporting force to make the tunnel roof has moved vertically upward trend, effectively prevent the roadway roof separation. By FLAC numerical simulation research 700 haulage different truss of prestress truss support plan of anchor cable and anchor anchor cable length, cable diameter and vertical angle, orifice and distance in roadsides, of anchor prestress along with roof bolt density then analyzed by SPSS poor orthogonal experiment. Finally, through the transport trough surface displacement monitoring, the outcome of 700 transport trough in prestressed girder truss anchor supporting schemes roadway control effect, less deed roadway stability, achieve the desired results. Keywords Soft rock roadway; Prestress truss cable anchor; Rock stress in rectangular tunnels; FLAC numerical simulation; SPSS orthogonal experiment 万方数据 目 录 摘要摘要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................. III 第一章第一章 绪论绪论 ..................................................................................................... - 1 - 1.1 研究工程背景及意义研究工程背景及意义 ............................................................................. - 1 - 1.2 软岩巷道围岩支护理论国内外研究现状软岩巷道围岩支护理论国内外研究现状 .............................................. - 2 - 1.2.1 国外研究现状国外研究现状.............................................................................. - 2 - 1.2.2 国内研究现国内研究现状状.............................................................................. - 3 - 1.3 存在的主要问题存在的主要问题 .................................................................................... - 4 - 1.4 论文研究的主要内容、方法及技术路线论文研究的主要内容、方法及技术路线 .............................................. - 4 - 1.4.1 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 .................................................................. - 4 - 1.4.2 论文的研究方法论文的研究方法 .......................................................................... - 5 - 1.4.3 论文的技术路线论文的技术路线 .......................................................................... - 5 - 第二章第二章 软岩巷道围软岩巷道围岩变形特征及力学实验分析岩变形特征及力学实验分析 .................................. - 6 - 2.1 700 运输顺槽变形破坏规律和性质运输顺槽变形破坏规律和性质 .................................................... - 6 - 2.1.1 工程地质特征工程地质特征.............................................................................. - 6 - 2.1.2 煤层特征煤层特征 ..................................................................................... - 6 - 2.1.3 700 运输顺槽变形破坏的主要形式运输顺槽变形破坏的主要形式 .......................................... - 7 - 2.1.4 软岩巷道变形破坏特点软岩巷道变形破坏特点 .............................................................. - 8 - 2.2 软岩巷道变形破坏的影响因素软岩巷道变形破坏的影响因素 ............................................................. - 9 - 2.2.1 地应力因素的影响地应力因素的影响 ...................................................................... - 9 - 2.2.2 岩体结构因素的影响岩体结构因素的影响 ................................................................ - 10 - 2.2.3 支护结构和参数因素的影响支护结构和参数因素的影响..................................................... - 10 - 2.2.4 巷道断面尺寸因素的影响巷道断面尺寸因素的影响 ........................................................ - 11 - 2.2.5 施工因素的影响施工因素的影响 ........................................................................ - 11 - 2.3 围岩性质和力学参数测定围岩性质和力学参数测定 ................................................................... - 15 - 2.3.1 实验仪器和煤岩样本实验仪器和煤岩样本 ................................................................ - 15 - 2.3.2 试验结果分析试验结果分析............................................................................ - 16 - 2.4 围岩矿物成围岩矿物成分分析分分析 .............................................................................. - 16 - 2.5 巷道围岩探测巷道围岩探测 ...................................................................................... - 17 - 2.6 本章小结本章小结 .............................................................................................. - 18 - 第三章第三章 软岩矩形巷道围岩应力研究软岩矩形巷道围岩应力研究 ...................................................... - 19 - 3.1 软岩矩形巷道围岩应力弹性分析软岩矩形巷道围岩应力弹性分析 ....................................................... - 19 - 3.1.1 复变理论下矩形巷道应力公式复变理论下矩形巷道应力公式 ................................................. - 19 - 万方数据 3.1.2 矩形巷道的映射函数矩形巷道的映射函数 ................................................................ - 21 - 3.1.3 矩形巷道围岩应力计算矩形巷道围岩应力计算 ............................................................ - 23 - 3.2 软软岩矩形巷道数值模拟分析岩矩形巷道数值模拟分析 ............................................................... - 24 - 3.2.1 数值模型建立数值模型建立............................................................................ - 25 - 3.2.2 不同高宽比下巷道围岩变形分析不同高宽比下巷道围岩变形分析 ............................................. - 25 - 3.2.3 不同侧压力系数下巷道围岩变形分析不同侧压力系数下巷道围岩变形分析 ..................................... - 31 - 3.3 软岩矩形巷道顶板破坏的形式软岩矩形巷道顶板破坏的形式 ........................................................... - 35 - 3.4 软岩巷道顶板弯曲变形破坏研究软岩巷道顶板弯曲变形破坏研究 ....................................................... - 37 - 3.5 本章小结本章小结 .............................................................................................. - 40 - 第四章第四章 预应力让压桁架锚索支护系统研究预应力让压桁架锚索支护系统研究 ......................................... - 42 - 4.1 预应力桁架锚索支护结构预应力桁架锚索支护结构 ................................................................... - 42 - 4.1.1 新新型连接器型连接器 ............................................................................... - 42 - 4.1.2 反扣预紧装置反扣预紧装置............................................................................ - 42 - 4.1.3 预应力桁架梁预应力桁架梁............................................................................ - 44 - 4.2 预应力桁架预应力桁架锚索和普通锚索对比分析锚索和普通锚索对比分析 ................................................ - 45 - 4.2.1 半空间体受集中力弹性解半空间体受集中力弹性解 ........................................................ - 45 - 4.2.2 普通锚索巷道围岩应力分布普通锚索巷道围岩应力分布..................................................... - 47 - 4.2.3 预应力桁架锚索支护中性轴位移分析预应力桁架锚索支护中性轴位移分析 ..................................... - 51 - 4.3 预应力桁架锚索支护机理预应力桁架锚索支护机理 ................................................................... - 52 - 4.4 桁架锚索预应力桁架锚索预应力 .................................................................................. - 56 - 4.5 本章小结本章小结 .............................................................................................. - 57 - 第五章第五章 700 运输顺槽支护方案设计及巷道监测运输顺槽支护方案设计及巷道监测 ............................... - 58 - 5.1 700 运输顺槽支护参数优化设计运输顺槽支护参数优化设计 ...................................................... - 58 - 5.1.1 桁架锚索支护系统方案设计桁架锚索支护系统方案设计..................................................... - 58 - 5.1.2 桁架锚索支护系统正交试验桁架锚索支护系统正交试验..................................................... - 58 - 5.2 SPSS 正交试验分析研究正交试验分析研究 ..................................................................... - 61 - 5.3 SPSS 正交试验因素水平优化正交试验因素水平优化 ............................................................. - 62 - 5.3.1 桁架锚索预应力水平优化桁架锚索预应力水平优化 ........................................................ - 63 - 5.3.2 桁架锚索角度水平优化桁架锚索角度水平优化 ............................................................ - 64 - 5.3.3 桁架锚索长度水平优化桁架锚索长度水平优化 ............................................................ - 65 - 5.3.4 孔口帮距水平优化孔口帮距水平优化 .................................................................... - 66 - 5.3.5 顶板锚杆间距水平优化顶板锚杆间距水平优化 ............................................................ - 67 - 5.4 SPSS 正交试验因素水平确定正交试验因素水平确定 ............................................................. - 68 - 5.5 工程实践工程实践 .............................................................................................. - 69 - 5.5.1 700 运输顺槽顶板支护参数运输顺槽顶板支护参数 ................................................... - 69 - 万方数据 5.5.2 现场支护效果监测现场支护效果监测 .................................................................... - 69 - 5.6 本章小本章小结结 .............................................................................................. - 70 - 第六章第六章 主要结论主要结论 .......................................................................................... - 71 - 6.1 结论结论 ..................................................................................................... - 71 - 6.2 主要创新点主要创新点 .......................................................................................... - 72 - 参考文献参考文献 .......................