考虑动载的巷道顶板离层及控制的FLAC3D模拟研究.pdf

分类号分类号TD353TD353TD353 TD353 密密级级公公开开 U U U U D D D D C C C C 单位代码单位代码 104241042410424 10424 学学 位位 论论 文文 考虑动载的巷道顶板离层及控制的考虑动载的巷道顶板离层及控制的考虑动载的巷道顶板离层及控制的 考虑动载的巷道顶板离层及控制的 FLAC3DFLAC3DFLAC3D FLAC3D 模拟研究模拟研究模拟研究 模拟研究 曹曹 恒恒 将将 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称工程力学工程力学 指导教师姓名指导教师姓名王王 同同 旭旭职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一零年二零一零年六六月月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 考虑动载的巷道顶板离层及控制的考虑动载的巷道顶板离层及控制的考虑动载的巷道顶板离层及控制的 考虑动载的巷道顶板离层及控制的 FLAC3DFLAC3DFLAC3D FLAC3D 模拟研究模拟研究模拟研究 模拟研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 曹恒将曹恒将入学时间入学时间入学时间 入学时间 200720072007 2007 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 工程力学工程力学研究方向研究方向研究方向 研究方向 矿山工程力学矿山工程力学 指导教师指导教师指导教师 指导教师 王同旭王同旭职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 201020102010 2010 年年 6 6 6 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 201020102010 2010 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 FLAC3DFLAC3DFLAC3D FLAC3D SIMULATIONSIMULATIONSIMULATION SIMULATION STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON ROOFROOFROOF ROOF SEPARATIONSEPARATIONSEPARATION SEPARATION OFOFOF OF ROADWAYROADWAYROADWAY ROADWAY UNDERUNDERUNDER UNDER DYNAMICDYNAMICDYNAMIC DYNAMIC LOADINGLOADINGLOADING LOADING ANDANDAND AND CONTROLCONTROLCONTROL CONTROL A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by CaoCaoCao Cao HengjiangHengjiangHengjiang Hengjiang SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor WangWangWang Wang TongxuTongxuTongxu Tongxu CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 201020102010 2010 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 巷道是煤矿井下生产的脉络，顶板离层的产生、发育至发生垮落是巷道失稳的一个 重要成因。顶板离层是地应力、围岩力学性质、围岩体结构、锚杆加固参数及巷道断面 等诸多因素综合作用的外在表现。因此，顶板离层值是一个能预测巷道稳定性的综合指 标。 论文基于星村煤矿现场实际，运用数值模拟软件 FLAC3D，首先研究了开挖扰动对不 同顶煤厚度巷道顶板离层发育的影响，对比分析了静力开挖和动力开挖情况下各模型的 巷道顶板离层的发育规律，研究动载荷对巷道顶板稳定性的影响。然后研究了分步开挖、 预应力锚杆支护与全长锚固锚杆支护、钻孔卸压这几种措施对动载荷影响下巷道顶板离 层的控制，对比分析了预应力锚杆与全长锚固锚杆的最大受力。最后通过现场应用与实 测，验证了模拟结果的可靠性。 关键词关键词 FLAC3D，动力学开挖，顶板离层，卸压孔，分步开挖 山东科技大学硕士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstract Abstract Roadway is a main part in underground mining. The generation, development and collapse of roadway separation is an important reason for roadway instability. Roof separation is the external manifestations of several factors, such as the ground stress, rock mechanical properties,rock structure, roadway reinforcement anchor parameters and roadway section and so on.. Therefore, the roof separation value is a composite indicator prediction of the roadway stability. In this paper based on actual site of Xingcun Mine and using numerical code FLAC3D, firstly, the influence of excavation on the development of roadway roof separation of different top coal thickness was studied, the law of development of roadway roof separation under static excavation and dynamic excavation was contrasted and analyzed, and the influence of dynamic load on the roadway roof stability was studied. Then the control effect of roadway roof separation by step excavating, prestressed anchor bars supporting and full-length anchoring bolting, and drilling pressure relief borehole were studied. The maximum axial force of prestressed anchor and full-length anchoring bolt was contrasted and analyzed. Finally, the development of roof joints was observed on the spot, the reliability of simulation results was validated. KeywordsKeywordsKeywords Keywords FLAC3D,dynamic excavation,roof separation,pressure-relief borehole, step excavation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1 问题的提出及研究意义.................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状.............................................................................................................. 2 1.3 主要研究内容.................................................................................................................. 7 1.4 研究方法、技术路线...................................................................................................... 7 2 2 2 2 回采巷道顶板离层机理回采巷道顶板离层机理回采巷道顶板离层机理 回采巷道顶板离层机理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 8 8 2.1 顶板离层的定义.............................................................................................................. 8 2.2 顶板离层形成的机理...................................................................................................... 8 2.3 离层形成的条件.............................................................................................................. 9 2.4 影响回采巷道顶板离层的主要因素............................................................................ 10 3 3 3 3 锚杆支护巷道开挖扰动动力学模拟研究锚杆支护巷道开挖扰动动力学模拟研究锚杆支护巷道开挖扰动动力学模拟研究 锚杆支护巷道开挖扰动动力学模拟研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131313 13 3.1 FLAC3D 模拟软件介绍................................................................................................. 13 3.2 FLAC3D 动力学模块介绍完全非线性动力分析方法......................................... 13 3.3 模型建立........................................................................................................................ 17 3.4 模拟结果分析................................................................................................................ 19 3.5 本章小结........................................................................................................................ 30 4 4 4 4 巷道顶板离层控制的模拟研究巷道顶板离层控制的模拟研究巷道顶板离层控制的模拟研究 巷道顶板离层控制的模拟研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313131 31 4.1 分步开挖对巷道顶板离层的控制研究........................................................................ 31 4.2 不同锚杆支护方式对巷道顶板离层的控制................................................................ 37 4.3 钻孔卸压对巷道顶板离层的控制................................................................................ 45 4.4 本章小结........................................................................................................................ 51 5 5 5 5 现场应用与实测现场应用与实测现场应用与实测 现场应用与实测 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535353 53 5.1 试验巷道工程概况........................................................................................................ 53 5.2 试验巷道顶板结构探测分析........................................................................................ 55 5.3 钻孔卸压现场试验及效果分析.................................................................................... 60 5.4 本章小结........................................................................................................................ 62 山东科技大学硕士学位论文目录 6 6 6 6 主要结论主要结论主要结论 主要结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646464 64 致谢致谢致谢 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666666 66 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676767 67 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 攻读硕士期间主要成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .