矿山巷道围岩松动范围演化规律研究.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 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 论文题目矿山巷道围岩松动范围演化规律研究 专 业岩土工程 硕 士 生张 磊 （签名） 指导教师谷拴成 （签名） 摘 要 随着煤炭资源消耗量的持续攀升，我国煤炭行业迅速崛起，这使得矿井建设任务显 得尤为重要。煤矿的井巷工程量和投资约占整个矿井工程量和投资的三分之一，合理有 效的支护方式有利于提高掘进速度，降低支护和维护费用。开展矿山巷道松动范围演化 规律研究具有重要的理论意义，对矿山可持续发展具有重要的工程应用价值。本文基于 巷道围岩变形破坏的基本机理，建立理论计算模型，通过理论计算和数值模拟分析巷道 围岩松动范围的演化规律。主要研究内容及结论有 （1）通过对巷道围岩变形破坏机理的分析以及大量的现场调查发现，巷道围岩的 变形破坏主要为断面收缩、片帮、冒落和底鼓。根据围岩的破坏机理可将其基本破坏形 式可归纳为拉裂破坏和剪切破坏。 （2） 运用弹性理论计算出圆形巷道围岩的应力特征， 依据 Hoke-Brown 屈服准则推 导出圆形巷道围岩松动范围的理论计算公式。 通过理论公式计算圆形巷道在不同侧压力 情况下松动范围的演化规律可知，在侧压力系数小于 1 时，巷道两帮松动范围明显大于 顶底板，随着侧压力系数的不断增加，两帮松动范围逐渐减小，顶底板松动范围不断扩 大，当侧压力系数大于 1 时，顶底板松动范围明显大于两帮松动范围。 （3）利用 FLAC 数值模拟软件分别对实际工程中常用的拱形和矩形巷道进行模拟， 得到其围岩松动范围演化规律。对于拱形巷道，底板角部由于应力集中松动范围较大， 顶部松动范围较小；矩形巷道在四个角部都会出现应力集中现象，在相同条件下，矩形 巷道角部的松动范围明显较大。通过对不同形状的巷道进行模拟发现，无论什么形状的 巷道，在水平应力和垂直应力差值较大时，巷道的松动范围都比较大，并且在侧压力系 数小于 1 时， 都表现为帮部的松动范围大于顶底板的松动范围， 在侧压力系数大于 1 时， 顶底板的松动范围大于两帮的松动范围。 （4）将以上研究内容应用于董家河煤矿巷道支护设计中，通过理论计算和数值模 拟计算巷道的松动范围，确定了工程巷道的合理支护参数，并利用多点位移计实际测量 巷道围岩的松动范围，验证了现有锚杆长度满足松动范围支护理论的要求，从而保证了 煤矿安全生产。 关 键 词矿山巷道；松动范围；Hoke-Brown 屈服准则；数值模拟；现场监测 研究类型应用研究 Subject Research on Evolution Law of Flexible Range in Surrounding Rock of Mine Tunnel Specialty Geotechnical Engineering Name Zhang Lei Signature Instructor Gu Shuancheng Signature ABSTRACT With the consumption of the coal resources continue to climb，the rapid rise in our countrys coal industry, and makes the mine construction task is particularly important. The investment and building mines generally account for 1/3 of the whole building mine, a reasonable support is favorable to improve the speed of extracting and to reduce the expense of support and maintain. It has practical engineering value and important significance for mine sustainable development the research on evolution law of flexible range in surrounding rock of mine tunnel. This paper based on the basic mechanism of the deation failure of the surrounding rock, establishing the theoretical calculation model, and analysis the evolution law of flexible range in surrounding rock of mine tunnel through theoretical calculation and numerical simulation. The main contents and conclusion follow 1 Through the analysis of the failure mechanism of the surrounding rock and a lot of field investigation，the paper obtained that the main deation and failure of the surrounding rock are section shrinkage, rip spalling, caving and floor heave. The basic failure modes can be summarized as tensile failure and shear failure according to the failure mechanism of the surrounding rock. 2 Using the elastic theory to calculate the stress characteristics of the circular tunnel, theoretical ula of the circular tunnel surrounding rock flexible range was derived by the theory of Hoke-Brown yield criterion. The paper obtained the evolution law of flexible range of surrounding rock under different lateral pressure by using the theoretical ula, the results show that when the lateral pressure coefficient is less than 1, the flexible range of the tunnel sides is obviously greater than the roof and floor, With the increase of the lateral pressure coefficient, flexible range of the tunnel sides gradually decreased, flexible range of the roof and floor continually expanded, When the lateral pressure coefficient is greater than 1, the flexible range of the roof and floor is significantly greater than the roadway sides. 3 The evolution law of flexible range in surrounding rock of vaulted and rectangular tunnels was studied with FLAC and was obtained. For vaulted roadway, the flexible range of floor was relatively large due to stress concentration, and small in the roof; for rectangular tunnels, there will appear stress concentration phenomenon in the four rectangular tunnel corners, under the same conditions, flexible range in surrounding rock of rectangular tunnel corners is significantly greater. According to simulated different shape of the tunnel, we found that no matter what the shapes of the tunnel, when the difference between horizontal stress and vertical stress is bigger, the flexible range in surrounding rock of tunnels is larger, and when the lateral pressure coefficient is less than 1, the flexible range of all the tunnels sides is obviously greater than the roof and floor, and When the lateral pressure coefficient is greater than 1, the flexible range of the roof and floor is significantly greater than the roadway sides. 4 The research results on the above were applied in the roadway support design of Dongjiahe mine coal, we can determine the flexible range of the roadway, and using multi-point extensometer measure the flexible range of the roadway, verify the existing anchor length to meet the requirements of the flexible range support theory. Key words Mine tunnel Flexible range Hoke-Brown criteria Numerical simulation In-situ monitoring Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 巷道围岩松动范围研究现状 .......................................................................................... 3 1.2.1 巷道围岩松动范围理论的研究现状 ........................................................................ 3 1.2.2 巷道围岩松动范围现场实测现状 ............................................................................ 7 1.2.3 巷道围岩松动范围数值计算现状 ............................................................................ 8 1.3 巷道围岩松动范围存在的问题 ...................................................................................... 9 1.4 论文的主要研究内容 .................................................................................................... 10 2 巷道围岩变形破坏力学机理 .............................................................................................. 11 2.1 开挖巷道引起的围岩变形破坏 .................................................................................... 11 2.2 岩石材料的本构关系及屈服准则 ................................................................................ 12 2.2.1 岩石材料的本构关系 .............................................................................................. 12 2.2.2 屈服准则 .................................................................................................................. 13 2.3 巷道围岩变形破坏基本类型 ........................................................................................ 15 2.3.1 拉裂破坏 .................................................................................................................. 15 2.3.2 剪切破坏 .................................................................................................................. 16 2.4 巷道围岩变形破坏的影响因素 .................................................................................... 18 2.5 巷道围岩失稳的力学机理 ............................................................................................ 20 2.6 小结 ................................................................................................................................ 21 3 巷道围岩松动范围的分布规律 .......................................................................................... 22 3.1 巷道围岩变形破坏规律分析 ........................................................................................ 22 3.1.1 围岩松动范围的概念和基本性质 .......................................................................... 22 3.1.2 围岩应力计算式的推导 .......................................................................................... 23 3.1.3 围岩松动范围的理论推导 ...................................................................................... 26 3.1.4 Hoke-Brown 破坏准则中参数 m，s 的确定方法 ................................................. 28 3.1.5 等效 Mohr-Coulomb 法 ........................................................................................... 29 3.2 巷道围岩松动范围的分类 ............................................................................................ 29 3.2.1 围岩分类的优点 ...................................................................................................... 30 3.2.2 巷道围岩松动范围分类 .......................................................................................... 30 3.3 小结 ................................................................................................................................ 32 4 巷道围岩松动范围的数值模拟分析 .................................................................................. 33 目 录 II 4.1 FLAC 数值分析软件基本原理 ..................................................................................... 33 4.1.1 FLAC 软件简介 ....................................................................................................... 33 4.1.2 FLAC 基本原理 ....................................................................................................... 34 4.2 圆形巷道松动范围模拟 ................................................................................................ 37 4.2.1 计算模型的建立 ...................................................................................................... 37 4.2.2 几何模型 .................................................................................................................. 37 4.2.3 围岩松动范围的判定 .............................................................................................. 37 4.2.4 圆形巷道松动范围模拟 .......................................................................................... 38 4.3 拱形巷道松动范围模拟 ................................................................................................ 40 4.4 矩形巷道松动范围模拟 ................................................................................................ 43 4.5 围岩松动范围厚度的确定 ............................................................................................ 46 4.6 小结 ................................................................................................................................ 48 5 工程应用研究 ...................................................................................................................... 49 5.1 工程概况 ........................................................................................................................ 49 5.1.1 测试巷道概况 .......................................................................................................... 49 5.1.2 巷道支护方案 .......................................................................................................... 49 5.2 巷道围岩松动范围厚度的确定 .................................................................................... 50 5.2.1 用等效圆法计算巷道围岩松动范围厚度 .............................................................. 50 5.2.2 数值模拟确定巷道围岩松动范围厚度 .................................................................. 51 5.2.3 确定巷道围岩的冒落拱高度 .................................................................................. 52 5.3 现场监测方案及监测结果分析 .................................................................................... 52 5.3.1 监测方案 .................................................................................................................. 52 5.3.2 监测结果及分析 ...................................................................................................... 53 5.4 小结 ................................................................................................................................ 58 6 结论 ...................................................................................................................................... 59 6.1 主要结论 ........................................................................................................................ 59 6.2 展望 ................................................................................................................................ 60 致 谢 ...................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附 录 ...................................................................................................................................... 65 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 当今世界经济飞速发展，人民的生活质量随之提高，对能源的消耗量也急剧上升， 其中煤炭的消耗量占据着主导地位。长久以来，煤炭也一直是我国的主要能源，煤炭消 费在我国一次性能源结构中所占比例始终保持在 70以上。在未来的一个时期内，煤炭 产销量依然会持续上升，煤炭资源的开采面临新的挑战。在煤炭资源开采过程中，巷道 成为煤矿系统运行的“生命大动脉” ，其稳定性直接控制着整个煤矿是否能正常安全生 产。近年来，矿井巷道出现频繁破坏的状况，严重影响煤矿正常的安全生产，已成为制 约煤炭资源开采的关键瓶颈。因此，迫切地需要对巷道支护进行改革，确保安全生产， 加快矿井建设速度[1]。 自1872 年英国北威尔士露天页岩矿采用锚杆加固边坡及 1912年德国谢列兹矿最先 在井下采用锚固技术以来，锚固技术距今已有将近 100 多年的历史。与完全依靠自身的 强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相比较，锚杆（索）支护方式具有支护效果 好、效率高、成本低等诸多优点，己经成为巷道支护的一个主要发展方向，给煤矿企业 创造了巨大的技术经济效益[2]。在国外，澳大利亚、英国、美国等国家的锚杆支护技术 比较先进， 特别是澳大利亚锚杆支护技术己经形成比较完整的体系， 处于国际领先水平。 澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用 W 钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术， 尽管其巷道 断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板以及巷道交叉点、大断面硐 室等难维护的条件，采用锚杆支护技术结合锚索、注浆进行补强巷道围岩加固，能够有 效地控制巷道围岩的剧烈变形。英国的锚杆支护技术是从澳大利亚引进的，在近十年实 践实验的基础上又做了改进和提高， 锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活 力和经济效益[3,4]。 我国煤巷锚杆支护技术近年来也取得长足发展。我国最早从 1956 年开始在煤矿中 使用锚杆，由于煤层地质条件复杂多样，锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工工 具、监测手段等不够完善，因而发展缓慢，在 1995 年新掘煤巷、半煤岩巷中锚杆支护 的比重仅占到 15％和 30％，严重制约着煤矿安全生产和经济效益的进一步提高。在此 情况下，西安科技大学和东北大学联合开展原煤炭工业部“八五”科技攻关，在一系列 技术难题上取得了突破性进展，并形成一整套的软岩巷道锚杆支护技术，锚杆在煤巷中 使用的比重也有了迅速提高。在“九五”期间，煤炭部又把煤巷锚杆支护技术列为重点 课题，展开了更深入、细致的研究试验工作，使我国的煤巷锚杆支护在技术上有了较大 提高，目前正以更快的速度在全国推广应用[5]。 西安科技大学硕士学位论文 2 巷道支护是矿山开采的一项关键技术。 合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的 安全，又具有明显的技术经济效益。近年来，随着综采放顶、厚煤层一次采全高开采技 术的快速发展和大面积推广应用，对煤巷锚杆支护技术提出了更高要求。目前，由于对 开巷后围岩破裂过程中的力学特性以及它对巷道支护的影响研究不够， 因此地下工程虽 然应用了现代力学方法，但是解决支护问题的可靠程度并没有因此而明显提高，因此在 巷道支护设计中采用工程类比法仍占主导地位。只有在条件复杂的情况下，对于一些重 点工程或大跨度的硐室、巷道等，以及缺乏恰当的类比对象时，才需要进行监控法设计 和实验法验证。 无论是工程类比法还是解析法，都得首先明确支护对象，因为不同的支护对象会导 致完全不同的支护理论和支护参数。大量的实测分析表明[6]，巷道围岩开挖存在松动范 围是一个普遍现象。巷道开挖必然破坏围岩原有的三向应力平衡状态，一方面使应力重 新分布，导致切向应力增加，径向应力降低；另一方面围岩受力状态由三向变成近似二 向，岩石强度急剧下降，如果集中应力值不超过岩石强度，围岩将处于弹性状态，围岩 可自稳，不存在支护问题。相反，如果集中应力值超过下降后的岩石强度，围岩将发生 破裂，这种破裂将从周边开始逐渐向深部延伸，直至达到另一新的三向应力平衡状态为 止，在此过程中围岩中出现一个破裂带，这个破裂带称为巷道围岩松动区，其大小被称 为围岩松动范围厚度。不同断面形式的巷道，围岩松动范围的分布规律千差万别，其相 应的巷道支护技术及其参数也不尽相同。研究表明，巷道开挖围岩的变形主要来源于松 动区内破裂岩体的体积膨胀，巷道围压也主要由松动区引起，基于此，我国学者提出了 围岩松动范围支护理论。由大量的理论分析、模拟实验及现场实测结果表明，巷道支护 的对象主要是松动范围形成中的碎胀变形，松动范围越厚，围岩变形力越大，支护越困 难。 大量的实践证明[712]，松动范围支护理论抓住了支护的主要对象，其分类方法和所 确定的支护形式与参数符合现场实际，取得的技术、经济与社会效益非常显著，从而在 工程中的应用也越来越广泛。然而，要用该理论对巷道进行合理有效地支护，最关键的 是要预先知道被支护巷道的松动范围厚度值。到目前为止，松动范围厚度值的取得都是 靠现场实测，这不仅耗费人力和物力，还耗费大量时间和费用，从而限制了松动范围理 论的进一步推广应用。因此，研究如何准确而且经济地获取松动范围厚度值己是势在必 行的工作。 本文在以前学者研究工作的基础上，通过理论计算和 FLAC 数值模拟，对巷