胡家河矿深埋采区巷道围岩破坏机理及其支护技术.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 万方数据 万方数据 论文题目胡家河矿深埋采区巷道围岩破坏机理及其支护技术 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生郑赞赞 签名 指导教师任建喜 签名 刘沛林 签名 摘 要 开展采区巷道围岩破坏机理及支护技术研究具有重要的工程实用价值， 本文以胡家 河煤矿 401102 工作面运顺支护参数研究项目为工程依托，通过室内试验、数值模拟、 理论分析和现场试验相结合的方法进行研究。主要研究内容和结论有 （1）对胡家河矿的 4煤进行物理力学等试验，通过室内试验，得到 4煤的密度、 弹性模量E、泊松比、粘聚力C、内摩擦角及普氏系数f等物理力学参数，为理论 计算及数值分析提供基础数据。 （2）巷道开挖后，受原岩应力、相邻工程、构造应力和围岩自身性质等因素的影 响，巷道顶板易发生离层与挠曲变形、剪切变形或挤压流动变形，帮部则易发生压剪式、 滑落式、劈裂式或横拱式失稳破坏。 （3）分析得到胡家河矿 401102 工作面运顺变形破坏是受原岩应力、水平构造应力 较大、邻近工作面动压影响、矿压显现剧烈、围岩节理发育及围岩含水等几方面共同作 用。结合胡家河矿 401102 工作面运顺实际情况，研究表明深埋煤矿顺槽围岩具有地应 力大且分布规律复杂、矿压显现剧烈、变形量大、变形非对称且支护困难等特点。 （4）运用 FLAC 数值模拟和理论计算手段对胡家河矿深埋采区巷道支护参数进行 研究。基于卸压-让压-抗压耦合的支护理念，通过巷道顶板打卸压孔、增加锚索长度及 直径、锚索托梁纵向布置等措施给出了 401102 工作面运顺的联合支护方案。实践表明， 制定的支护参数合理，支护效果满足安全生产的需要。 关 键 词深埋巷道；围岩破坏机理；顺槽；支护参数；FLAC模拟；现场监测 研究类型应用基础研究 万方数据 万方数据 Subject Failure mechanism and supporting technology of surrounding rock in deep mining roadway of Hujiahe coal mine Specialty Architectural and Civil Engineering Name Zheng Zanzan Signature Instructor Ren Jianxi Signature Liu Peilin Signature ABSTRACT Development of stability uation and supporting technology research of surrounding rock in mining roadway has important engineering application value. Based on the supporting parameters research projects of haulage gate of 401102 working surface in Hujiahe coal mine, this paper used laboratory experiment, numerical simulation, theoretical analysis and field test to carry out research work. The major work and conclusions as follows 1 Carries on physico-mechanical experiments of 4 coal in Hujiahe coal mine, so the physical and mechanical parameters of 4 coal are obtained，such as density, elastic modulus, poisson ratio, cohesion, internal friction angle,etc,they provide the effective foundation data for the theoretical calculation and numerical analysis. 2 After excavation, affected by the primary rock stress, adjacent engineering, structural stress, surrounding rock properties，the abscission layer and flexural deation，shear deation or extrusion flow deation of roadway roof are easy to produce，at the same time, walls of tunnel is prone to instable failure，such as compression-shear type, sliding type, split type or transverse arch type. 3 Analysis of deation and failure of is influenced by primary rock stress, the larger horizontal tectonic stress, influenced by dynamic mining pressure of adjacent mining face, the strata pressure behave severely, development of rock joints and water contents in surrounding rocks,etc. Combined with the practical situation of haulage gate of 401102 working surface in Hujiahe coal mine, the research shows that haulage gate surrounding rock in deep coal mine has the characteristics of big ground stress and the stress distribution is complex, the strata pressure behave severely,large deation,deation non-symmetry and difficult support,etc. 4 It used FLAC numeric simulation and theoretical calculations to study on support parameters of deep mining roadway in Hujiahe coal mine using.Based on the support 万方数据 idea,which is first pressure released,second pressure relief,third anti-pressure,the combined supporting scheme for haulage gate of 401102 working surface is put forward,which including drill the unload pressure holes at the tunnel roof，increase the anchor length and diameter，longitudinal arrangement cable and joist to reduce the roadway span,etc.The practice shows that the design support parameter of crossheading are ressonable,and the supporting effect meet the needs of safety production. Key words Deep roadway; Failure mechnism of surrounding rock; crossheading; support parameter; FLAC simulation; on-site monitoring Thesis Application of basic research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 深井巷道围岩破坏机理研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 深井巷道支护理论研究现状 ............................................................................ 5 1.2.3 深井巷道支护技术发展现状 ............................................................................ 8 1.3 主要研究内容 ............................................................................................................ 11 2 胡家河矿 4煤室内试验研究 .............................................................................................. 12 2.1 取样及试样的制备 .................................................................................................... 12 2.2 4 煤的物理性质试验研究 ......................................................................................... 12 2.2.1 实验项目 .......................................................................................................... 12 2.2.2 实验过程 .......................................................................................................... 12 2.3 4 煤的力学特性试验研究 ......................................................................................... 13 2.3.1 试验项目 .......................................................................................................... 13 2.3.2 试验过程 .......................................................................................................... 13 2.4 煤的物理力学参数试验结果 .................................................................................... 16 2.5 小结 ............................................................................................................................ 17 3 胡家河矿 401102 工作面围岩破坏机理分析 .................................................................... 19 3.1 工程概况 .................................................................................................................... 19 3.2 顺槽围岩变形破坏类型 ............................................................................................ 20 3.3 顺槽围岩变形破坏形式 ............................................................................................ 22 3.3.1 顶板变形破坏形式 .......................................................................................... 22 3.3.2 两帮变形破坏形式 .......................................................................................... 22 3.4 顺槽围岩变形破坏力学机理 .................................................................................... 24 3.5 胡家河矿 401102 运顺围岩变形破坏主要影响因素 .............................................. 26 3.6 小结 ............................................................................................................................ 28 4 胡家河矿 401102 工作面围岩稳定性分析及支护参数优化 ............................................ 30 4.1 胡家河矿 401102 运顺原支护方案评价 .................................................................. 30 4.2 工作面顺槽关键支护参数 ........................................................................................ 30 4.3 401102 运顺支护方案理论计算 ................................................................................ 31 4.3.1 经验公式计算法 .............................................................................................. 31 万方数据 目录 II 4.3.2 围岩松动圈支护理论设计法 .......................................................................... 31 4.3.3 组合拱支护理论和非弹性区理论计算法 ...................................................... 32 4.3.4 锚杆（索）支护参数设计 .............................................................................. 34 4.4 锚索长度支护参数 FLAC 模拟研究 ........................................................................ 37 4.4.1 模拟工况 .......................................................................................................... 37 4.4.2 模拟方案 .......................................................................................................... 38 4.4.3 模拟结果分析 .................................................................................................. 39 4.5 锚索间距支护参数 FLAC 模拟研究 ........................................................................ 43 4.5.1 模拟工况 .......................................................................................................... 43 4.5.2 模拟方案 .......................................................................................................... 44 4.5.3 模拟结果分析 .................................................................................................. 44 4.6 锚索排距支护参数 FLAC 模拟研究 ........................................................................ 47 4.6.1 模拟工况 .......................................................................................................... 47 4.6.2 模拟方案 .......................................................................................................... 48 4.6.3 模拟结果分析 .................................................................................................. 48 4.7 401102 运顺支护方案优化参数 ................................................................................ 51 4.7.1 401102 运顺支护方案优化原则 ...................................................................... 51 4.7.2 401102 运顺支护方案优化总体思想 .............................................................. 51 4.7.3 401102 运顺支护参数 ...................................................................................... 52 4.8 小结 ............................................................................................................................ 53 5 胡家河矿 401102 工作面支护效果监测与分析 ................................................................ 55 5.1 监测目的 .................................................................................................................... 55 5.2 监测断面布置 ............................................................................................................ 55 5.3 401102 运顺监测方案 ................................................................................................ 55 5.3.1 日常监测 .......................................................................................................... 56 5.3.2 综合监测 .......................................................................................................... 56 5.4 监测结果数据分析 .................................................................................................... 58 5.5 治理效果对比 ............................................................................................................ 60 5.6 小结 ............................................................................................................................ 61 6 结语 .................................................................................................................................... 62 6.1 结论 ............................................................................................................................ 62 6.2 展望 ............................................................................................................................ 63 致谢 .......................................................................................................................................... 64 参考文献 .................................................................................................................................. 65 万方数据 目录 III 附录 .......................................................................................................................................... 69 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 目前，伴随煤炭工业的不断发展，赋存于地壳浅部的煤炭资源不断枯竭，从而导致 矿井采深逐渐增加。据相关资料我国有 70的煤炭是埋藏在地下 600m[1]的，最初， 我们不断开采浅部赋存的煤炭资源，当浅部煤炭被消耗殆尽时，只能迫使我们向深部开 采发展，另外，改进的机械化水平，不断增加的开采规模等成为煤炭开采深度增加的催 化剂。 我国的生产矿井从 1980 年至 1995 年期间， 以年均 10～12m 的增加速度向深部发 展，开采深度也从 288m 增加到 428m。东部矿井的年增长速度达到 10～25m，预测埋 深为 1000～1500m[2]的煤矿在之后的 20 年内将如雨后春笋般涌现。一般认为，埋深 600 米的煤矿即为深埋煤矿，属于深部开采范畴。 地下开采深度的增加，使同一岩性的工程硬岩埋深由浅变深后变性为高应力软岩， 有激烈的矿压显现、巷道变形明显增加、支架严重损害、巷道返工率增加、巷道特别难 支护等问题，另外，深部高地压将导致一系列新问题，如冲击地压概率增加、地温升高 和瓦斯涌出量增加等，因此深井开采问题己成为采矿界高度重视的一个首要课题[3]。 随着矿井开采深度的不断增加，巷道支护变得异常困难，由于支护不当引起的巷道 二次维护，不但造成极大的浪费，而且可能会使矿山陷入困境，甚至可能会倒闭。片帮、 冒顶及围岩破碎等严重约束煤矿的掘进速度， 直接制约矿井掘进进度及高效、 安全开采。 解决深埋巷道的支护问题对矿井向深部开采和安全高效生产具有重要意义。 围岩工程控制理论在科技进步、时代发展、机械化水平的提升以及深埋巷道开采理 论和实践的不断研究的基础上获得了一定的成就，从而带动支护形式的发展。巷道传统 的棚式支护逐步被锚杆支护取代，转被动支护为主动支护。锚杆支护已经普及于地下工 程领域。锚杆支护已成为支撑地下工程的一种新的、先进的支护形式。 澳大利亚领先美国、英国较早形成了相对完整的锚杆支护体系[4]，其锚杆支护技术 处于国际领先地位[5,6]。 英国通过数十年的实践总结对澳大利亚的锚杆支护技术作了一定 程度的改进和提高[7,8]，为其煤矿产业带来巨大的经济效益。美国煤矿巷道支护[9][11]一 直采用锚杆，锚杆用量较大，种类繁多，如复合锚杆、树脂锚杆、涨壳式锚杆等[12,13]， 组合件有钢带和拱架[14]。 锚杆支护技术近年来在我国也取得一定成效[15]。 由于我国复杂多变的地质条件及锚 杆支护理论、设计、施工设备、监测工具、材料等不够成熟，使锚杆支护技术从 1956 年至今没有取得较显著发展。在“八五”期间，煤炭工业部将锚杆支护技术研究项目中 取得的研究成果应用于多个矿区，实现了铁法、蒲白、充州、淮南、新汉、铜川和其它 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 一些矿山安全支护的愿望。 由于锚杆支护技术发展缓慢， 1995 年锚杆支护的比重在新掘 煤巷、半煤岩巷中仅占 15和 30，使煤矿经济效益的提高和安全高效生产受到限制。 因此，西安科技大学毅然决然联合东北大学开始着手对原煤炭工业部“八五”科技攻关 项目进行研究，经过双方共同努力，最终在一些关键技术上取得质的飞跃，并在软岩巷 道的支护上得出一套相对完善的锚杆支护技术，逐步被应用于煤矿中。锚杆支护逐步取 代传统的支护方式，其所占的比重也迅速攀升，其在新掘巷道及半煤岩巷中所占的比重 到 2000 年时已迅速提升至 41.14和 54.5。锚杆支护技术在“九五”期间再一次被提 上议程，进行重点攻关，研究内容也更加深入细致，使锚杆支护技术在我国达到一个新 的水平。 本论文依托胡家河矿井工作面巷道支护参数研究项目，对胡家河煤矿 401102 工作 面运顺支护参数进行研究，得出较合理的采区巷道支护方案。胡家河矿井田坐落于陕西 省咸阳市长武县亭口镇东北约 5km 处，它是彬长公司下属的第二座矿井，312 国道西 （安）～兰州段沿井田南侧约 3km 的泾河而过。胡家河煤矿于 2012 年 10 月 12 日正 式投产，设计年产 500 万吨原煤，使用寿命为 70 年，地质储量 8.2 亿吨，可采储量 4.7 亿吨，最大煤层厚度 26.2m，平均煤层厚度 14.49m。巷道埋藏较深，距地表以下 600m， 属于深井煤矿。 由于在掘进和支护过程中，出现了顶板破碎、离层、网兜、巷道左部切顶严重、顶 板煤炮频发等现象，解决这些问题需要研究较合理的工作面巷道支护参数，得出较合理 的采区巷道支护方案，这对于减少巷道返修率，增强巷道围岩稳定性、为类似工程支护 提供参考并确保煤矿安全高效生产等意义非凡。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 深井巷道围岩破坏机理研究现状 迄今为止，人们对地下工程围岩变形破坏机理的研究大致经历了以下几个阶段 [16,17]； （1）弹塑性理论阶段 20 世纪 50 年代以前，人们主要采用弹性及弹塑性理论分析和计算围岩的应力、变 形和稳定性。基于 Mohr-Coulomb 准则，Fenner 于 1938 年最早将地下硐室围岩简化为 各向同性、各向等压的轴对称平面应变模型，用于分析地下硐室在弹塑性“极限平衡” 状态下围岩的应力、应变、位移与支护强度、围岩应力与围岩强度的关系。Fenner 和 H.Kastner 基于经典的理想弹塑性模型和岩石破坏后体积不变假设得到了地下硐室围岩 的特性曲线方程，即著名的 H.Kastner 公式，这一结果表明可以通过充分发挥围岩的自 承载能力，以较小的支护阻力强度来获得围岩的稳定。由于弹塑性理论可理想地解释 万方数据 1 绪论 3 硐室围岩的多种变形破坏特征， 故 Fenner 的研究成果迅速被后人推广， 并成为新奥法和 收敛-约束法理论基础的重要组成部分。 由于理想弹塑性模型和塑性区体积不变假设与围岩实际变形破坏情况很大， 此后许 多学者对围岩变形破坏进行了深入探讨。 于学馥等[18]考虑岩石在变形破坏过程中的弱化 和残余变形，将围岩视为线性弱化的理想残余塑性模型；刘夕才等[19,20]舍弃围岩塑性区 体积不变的假设，采用 Mohr-Coulomb 屈服准则和非关联流动法则描述了岩石的塑性扩 容特性；范文等[21]基于统一强度理论，建立了硐室围岩压力的统一解。当不同程度的考 虑中间主应力 σ2的影响时， 可得到一系列的围岩压力和塑性破坏圈半径， 进而合理确定 围岩压力的大小及其支护结构；王永岩等[22]基于 Mohr-Coulomb 屈服准则，考虑岩石扩 容膨胀及塑性软化的影响，得到了轴对称软岩巷道弹塑性应力及变形的解析解，并将轴 对称平面应变条件下的巷道围岩划分为弹性区、 塑性硬化区、 塑性软化区及塑性流动区， 分析了各区的应力、应变、位移及其范围。 上述研究成果的主要作用表现在①不仅完善了 Mohr-Coulomb 准则下的弹塑性分 析，而且还采用 Drucker-Prager 准则、Hoek-Brown 准则、统一强度准则及 Mises 准则等 对轴对称平面应变条件下的围岩进行了弹塑性分析， 并对这些准则下的弹塑性解进行了 对比研究；②不仅考虑了岩石材料的理想弹塑性，而且也考虑其应变软化和应变硬化； 不仅考虑关联流动法则，也考虑了非关联流动法则，从而使岩体的弹塑性本构方程更为 完善和多样化。用多种方法研究了非均匀初始应力场中圆形或椭圆形硐室的弹塑性问 题，讨论了地下硐室的开