矩形巷道围岩稳定性影响因素分析及支护对策.pdf

论文题目 矩形巷道围岩稳定性影响因素分析 及支护对策 作者姓名王童入学时间2 Q 堇曼生窆旦 专业名称采贮王程研究方向芷出压左皇蚩屋控剑 指导教师塞宣遮职称塾拯 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 旦旦且 5 6 6 一 生生生 5 5 5 111111 0 0 0 2 2 2 一 A N A L Y S I S0 N T H EI N F L U E N C I N GF A C T o R SO N T H E S T A B I L I T Yo FR E C T A N G U L A RR O A D Ⅵ，A YS U R R O U N D I N G R O C KA N DS U P P o R TS T R A T E G Y AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M L A S T E RO FE N G I N E E I U N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y Y u Ⅺn S u p e r v i s o r P r o f e s s o rQ i nZ h o n g c h e n g S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 5 声明 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。 硕士生签名 日 A F F Ⅱ如月陵T I O N 寸荔趁 护／多／6 ～卜 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i s w h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e n s u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 探究矩形巷道稳定性影响因素是巷道支护的重要研究方向之一，而开展矩形巷道围 岩变形破坏机理，影响因素以及支护对策方面的研究对于矿井建设和生产具有重要的理 论意义和工程实用价值。 本文以枣矿集团付村煤矿3 下4 1 2 工作面运输顺槽为工程背景，利用岩体力学、材料 力学、弹性力学、弹塑性力学以及应用数理统计等，分别建立矩形巷道项板、两帮及底 板力学模型，分析了矩形巷道顶板、两帮及底板的变形与破坏规律，得到了影响矩形巷 道稳定性的因素，包括相关围岩力学参数、巷道断面尺寸、应力水平及围岩强度等。为 进一步探究围岩力学参数，包括黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和抗拉强度巷 道宽度、高度、埋深、侧压系数以及围岩综合强度对矩形巷道稳定性的影响程度，通过 正交试验法，借助F L A C 3 D 数值模拟软件探究了以上10 个因素对矩形巷道稳定性影响的 主次。 根据以上探究结果，结合预应力让压平衡支护理论，分析了原有巷道支护存在的问 题和不足，对原有支护设计进行了重新优化，将优化后的支护方案应用到现场支护实践 中，并进行矿压监测，通过分析现场监测数据，可得出优化后的巷道支护方案完全可以 满足生产对于巷道断面的要求。 关键词矩形巷道；变形破坏机理；围岩力学参数；正交试验；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t S t u d yo nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h er e c t a n g u l a rr o a d w a ys t a b i l i t yi so n e o ft h ei m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o n so fr o a d w a ys u p p o r t ．M o r e o v e r , i n i t i a t i n gr e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo f r o a d w a yd e f o r m a t i o na n df a i l u r e ，t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so nt h e r e c t a n g u l a rr o a d w a y d e f o r m a t i o na n df a i l u r ea n di t ss u p p o r ts t r a t e g yh a sg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u ef o rt h ec o n s t r u c t i o na n dp r o d u c t i o no fm i n e s ． T h i sp a p e rp r e s e n t sas t u d yo nt h er o a d w a yd e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s mo nt h eb a s i s o fe s t a b l i s h i n gr e c t a n g u l a rr o a d w a ym e c h a n i c a lm o d e l so fr o o f , r i b sa n df l o o rr e s p e c t i v e l y , o n t h eb a c k g r o u n do f3l o w e r 412h e a d e n t r y , F u c u nm i n e ，Z a o k u a n gg r o u p ，b ym e a n so f r o c km a s s m e c h a n i c s ，m a t e r i a l s ’m e c h a n i c s ，e l a s t i cm e c h a n i c s ，e l a s t i c - p l a s t i c m e c h a n i c sa n da p p l i e d s t a t i s t i c sa n dc o n c l u d e st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t yo fr o a d w a y , i n c l u d i n gs u r r o u n d i n g r o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，t h es e c t i o ns i z e ，s t r e s sl e v e l sa n dt h es t r e n g t ho fs u r r o u n d i n gr o c k ． I no r d e rt of u r t h e rr e s e a r c ht h ee f f e c to fs u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g c o h e s i o n ，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ，Y o u n g ’Sm o d u l u s ，P o i s s o n ’Sr a t i oa n dt e n s i l es t r e n g t h ； r o a d w a yw i d t h ，h e i g h t , b u r i a ld e p t h ，l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n dc o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho f s u r r o u n d i n gr o c ko nt h es t a b i l i t yo fr o a d w a y , a l lo r t h o g o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a b o u tt h ee f f e c to ft h e10f a c t o r sm e n t i o n e da b o v eo nt h er o a d w a ys t a b i l i t yW a sc a r r i e do u tb y u s i n gF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ． A c c o r d i n g t ot h ec o n c l u s i o n sd r a w na b o v e ，a no p t i m a ls u p p o r tW a so b t a i n e do nt h eb a s i so f ar e d e s i g no fr o a d w a ys u p p o r ti nv i e wo ft h es h o r t c o m i n g sa n a l y z e di nc o m b i n a t i o no f p r e s t r e s sy e i l d i i n ge q u i l i b r i u ms u p p o r tt h e o r y ．A c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n gd a t a , t h er e d e s i g n i sg o o d e n o u g ht os a t i s f yt h ed e m a n do fp r o d u c t i o nt ot h er o a d w a ys e c t i o n K e yw o r d s r e c t a n g u l a rr o a d w a y ；d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m ；s u r r o u n d i n gr o c k m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1j l I j i j 仑．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．⋯．⋯．．．．⋯⋯．⋯．⋯．．．1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 付村煤矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 工作面及顺槽概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 矩形巷道围岩变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 矩形巷道围岩破坏基本规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 矩形巷道顶板变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．3 矩形巷道两帮变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．4 矩形巷道底板变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 矩形巷道围岩稳定性数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 4 ．1 围岩力学参数对矩形巷道稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 4 ．2 断面尺寸、应力水平及围岩强度对巷道稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 矩形巷道支护对策研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 9 5 ．1 原支护参数及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2 巷道支护优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 6 支护方案应用与实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 山东科技大学硕士学位论文 一．旦查 6 ．2 监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 7 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 作者攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 7 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯1 1 ．1T h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hp r o g r e s sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3M a j o rr e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4R e s e a r c ht e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2T h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ep r o j e c t ．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯9 2 ．1T h eg e n e r a ls i t u a t i o no fF u c u nm i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2T h eg e n e r a ls i t u a t i o no f c o a lf a c ea n de n t r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3S u m m a r y ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3A n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo fr o a d w a yd e f o r m a t i o na n df a i l u r e ⋯⋯⋯⋯15 3 ．1T h eb a s i cr u l eo f r e c t a n g u l a rr o a d w a yf a i l u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 3 ．2A n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo fr o o fd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nr e c t a n g u a l rr o a d w a y 15 3 ．3A n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo f r i bd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nr e c t a n g u l a rr o a d w a y ⋯．1 7 3 ．4A n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo ff l o o rd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nr e c t a n g u l a rr o a d w a y19 3 ．5S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h er e c t a n g u l a rr o a d w a ys t a b i l i t y ⋯⋯．．⋯2 3 4 ．1T h ee f f e c to fs u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r so nr a o d w a ys t a b i l i t y ⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．2S t u d vo nt h ei n f l u e n c eo fs e c t i o ns i z e ，s t r e s sl e v e l sa n dt h es t r e n g t ho fs u r r o u n d i n g r o c ko nt h er e c t a n g u l a rr o a d w a ys t a b i l i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．3S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5T h es u p p p o r ts t r a t e g yf o rr e c t a n g u l a rr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1T h ef o r m e rs u p p o r tp a r a m e t e r sa n dp r o b l e m se x i s t e d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2O p t i m a ld e s i g no f r o a d w a ys u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3S u m m a r y ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6T h ea p p l i c a t i o na n dp r a c t i c eo fs u p p o r ts c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1G r o u n dp r e s s u r em o n i t o r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 山东科技大学硕士学位论文 ．一 旦茎 ●，- _ _ _ _ - - - _ - _ - _ - - - _ _ 一 6 ．2A n a l y s i sO nt h em i n i t o r i n gr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．3S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 7M a j o rc o n c l u s i o n sa n do u t l o o k s ．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯5 9 7 ．1M a j o rc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 7 ．2M a i ni n n o v a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 7 ．30 u t l o o k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．6 1 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．6 6 M a i nw o r ka c h i e v e m e n t so f t h ea u t h o rd u r i n gw o r k i n go nm a s t e rp a p e r ．．6 7 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．1 选题背景及意义 国家煤炭工业发展“十二五”规划指出“煤炭作为我国的主体能源，在一次能 源消费结构中所占比重较大，在未来很长一段时间内，煤炭作为主体能源的地位不会改 变。’’随着国民经济的飞速发展以及国家对能源战略的高度重视，煤炭作为主体能源，其 需求量在可预见的未来不会明显减少。我国现已探明的煤炭资源储量占世界煤炭资源总 储量的1 1 ．1 ％左右，其中埋藏深度在1 0 0 0m 以下的有2 ．9 万亿吨左右，约占我国煤炭资 源总储量的5 3 嘣1 - 2 1 。据相关资料统计显示【3 - 7 1 ，目前我国许多矿区，如新汶、济宁和巨 野等，其开采深度己达到甚至超过1 0 0 0m 。按目前的开采状况，预计在未来的二十年间， 我国大部分煤矿的开采深度将达到1 0 0 0 ～1 5 0 0m 【8 】。 随着煤炭资源的大规模开采其开采深度逐年递增，由于深部开采具有“三高一扰动“ 的显著特点，导致深部巷道支护难度越来越大。巷道所处应力环境的改变以及由此引起 的围岩结构、强度和变形等特性的变化，将导致巷道围岩松散破碎、裂隙扩展发育、涌 水量持续增大、地温升高、作业环境明显恶化、巷道维修困难和支护成本升高等一系列 问题。并且由此引起的人员伤亡事故也会急剧增多【9 。1 3 】。据相关统计数据显示【1 4 】，因深 部开采引起的巷道围岩变形破坏、冒顶和片帮等安全事故，占矿井建设、生产总事故的 4 0 ％以上。并且顶板事故尤为突出[ 1 5 - 1 8 1 。 顶板事故主要发生在掘进迎头及顺槽。巷道一经开挖，若巷道两帮为相对软弱的煤 岩 体，巷帮煤 岩 体将发生变形和破坏并向巷道内移动，造成巷道两帮的失稳，甚至导 致片帮事故。巷道开挖后，底板岩体迅速卸压，在巷道两帮支承压力和地下水的水解作 用下，底板岩体的强度将大幅降低并产生塑性变形而向上隆起，即底板发生底鼓。在未 对巷道底板施加任何支护的情况下，顶、底板移近量的2 ／3 ～3 ／4 是由底板底鼓引起的【1 9 】。 在动压及高地应力的共同作用下，部分矿井巷道顶底板及两帮围岩严重变形破坏，并导 致巷道断面严重收缩，无法满足矿井正常的生产要求。通过对全国重点煤矿进行相关调 查，结果显示，在过去1 0 多年间，煤矿用于巷道支护的费用增长迅速。部分矿井巷道维 护、返修达2 ～3 次，甚至更多，返修率达到4 0 ％以上，巷道维护费用甚至超过另掘新巷 的费用。 目前在实际工程中，巷道断面形状多以直墙半圆拱形、梯形和矩形为主。矩形巷道 1 山东科技大学硕士学位论文 绪论 由于开挖和支护方便且利于回采工作面的快速推进，所以矩形巷道在生产现场应用较为 普遍。与其他形状巷道断面的应力分布形态相比，矩形巷道的应力分布较为特殊，所以 其变形破坏机理亦不同于其他断面形状的巷道。圆形和椭圆形巷道围岩的变形破坏机理 研究已经形成较为完善的理论体系，但现有的力学理论及分析方法尚无法对矩形巷道围 岩的变形破坏机理作出比较理想的解释。目前对于矩形巷道变形破坏机理的研究主要采 用数值模拟法和等效圆法，但是所得结果与现场实际情况存在着较大的出入，有待进一 步深入研究。 鉴于以上存在的问题和不足，对矩形巷道围岩变形破坏机理进行深入研究，并提出 与之相适应的巷道支护参数及支护方案，对于矩形巷道的支护具有重要的理论意义和现 实意义。 1 ．2 国内外研究进展 1 ．2 ．1 巷道围岩变形破坏机理研究进展 上世纪5 0 年代之前，人们大多采用弹塑性理论分析巷道围岩的变形与破坏。基于莫 尔一库伦岩石屈服准则，芬纳于1 9 3 8 年首次将地下硐室简化为各向等压、各向同性的轴 对称平面应变模型。用其研究地下硐室在弹塑性状态下的应变、应力、变形及位移、围 岩应力和围岩强度等的关系。之后，芬纳与卡斯特纳又以经典的理想弹塑性模型和岩石 破坏后体积不变假设为基础得到了地下圆形硐室的特性曲线方程，并推导出巷道围岩弹、 塑性区应力和弹、塑性区半径的卡斯特纳方程，即著名的卡斯特纳公式。 以弹塑性理论为基础，国内外众多学者进行了广泛而深入的研究，如李世平、 K ．D a e m e n 、B ．L a d a n y i 、H ．W i l s o n 和E ．T ．B r o w n 等1 2 0 ] 许多学者考虑了围岩变形破坏后残 余强度的影响，并提出了一些有影响力的观点在考虑岩石变形与破坏过程中的弱化阶 段和残余变形阶段的基础上，于学馥等【2 1 1 ，将围岩简化为线性弱化的理想残余塑性模型， 并对其进行相关研究取得了一定研究成果；刘夕才等皿2 ‘2 3 1 采用非关联流动法则和莫尔． 库伦屈服准则，对岩石的塑性扩容特性进行了相关描述付国彬【2 4 1 研究了岩石塑性应变 软化和破裂区体积膨胀的有关特性俞茂宏等【2 5 】基于统一强度理论，推导出了巷道变形 围岩压力的统一解，该解可广泛用于岩土类材料。 经典的弹塑性理论，大多以圆形硐室作为研究对象，然而实际矿井中巷道多以矩形、 梯形以及直墙半圆拱形为主。因此，国内众多学者对非圆形硐室，采用弹塑性力学中复 山东科技大学硕士学位论文绪论 变函数的方法，研究巷道围岩的变形与破坏规律，并取得了一系列的研究成果。吕爱钟 【2 6 】利用混合罚函数优化方法，给出了将非圆形硐室封闭整体式支护保角映射成圆环域的 方法，该法很好地克N - J “ 以往用单连通域方法计算双连通域问题的缺陷；朱大勇等‘2 7 ‘2 8 】 提出了一种用于求解任意形状硐室映射函数的计算方法，并将地下硐室弹性力学解析分 析过程计算机程序化，充分利用超长项级数形式的映射函数，得到复杂形状硐室围岩弹 性力学的解析逼近解。 鉴于矩形巷道围岩变形破坏的复杂性，国内外众多学者尝试将巷道顶、底板及两帮 分离开来，单独研究其变形破坏规律，并取得了一系列研究成果。曾佑富等【2 9 】以某矿巷 道顶板冒落控制实例为工程背景，采用数值分析方法和弹性力学理论，研究了复杂条件 下大断面巷道顶板冒落失稳机理；刘少伟等【3 0 】运用复合梁理论，对含软弱夹层的煤巷层 状顶板失稳机理进行了相关理论分析；高明中【3 1 】通过建立巷道顶板锚固体梁简化力学模 型，系统地研究了铺固体的平衡条件及弯曲失稳机理，并分析了锚固体水平推力与横向 承载面积之间的关系；B u d d h i m aI n d r a r a t n a 等【3 2 】建立了一种含充填土的节理单元模型， 并分析了节理对巷道顶板稳定性的影响；王琦等[ 3 3 】针对断层区煤巷顶板断裂问题，建立 正断层和逆断层断裂区项板纵向弹性深梁力学模型，研究了顶板纵向应力分布及其传播 规律，分析了不同顶板压力、高跨比和支护强度等因素下的顶板破断机理；X ．L ．Y a n g 、 M ．F r a l d iE 等【3 4 。8 】利用塑性力学中的极限分析法，推导出浅埋地下硐室顶板垮落机理 M ．奥顿哥特【3 9 】运用相似材料模拟试验，研究了巷道底板底鼓的全过程，认为巷道围岩破 坏顺序为两帮岩体首先由于垂直应力作用而被压裂，随后巷道顶、底板由于水平应力 作用而向巷道内鼓出。 1 ．2 ．2 巷道围岩控制机理研究进展 目前国内外较有影响的巷道支护理论有组合梁理论、松动圈理论、联合支护理论、 锚杆支护扩容．稳定理论、巷道围岩强化理论、软岩工程地质力学支护理论及新奥法支护 理论等。整体上，深部巷道围岩控制机理研究成果主要包括以下4 个方面。 1 ．2 ．2 ．1 围岩磁裂区控制机理 A y d a nO 等【4 0 】对日本的软岩巷道进行了大量研究，发现发生明显流变的巷道围岩其 承载因子都小于2 姜耀东【4 2 1 研究指出深部软岩巷道围岩主要破坏形式和变形机理为 挤压流动破坏，其特点为巷道围岩是已经遭受变形破坏的软弱破碎岩体，在深部高地应 力和采动压力的共同作用下，这些软弱碎裂岩体体积膨胀及流动导致巷道发生大的变形， 其特征为强流变、大变形和底鼓严重；何满潮【4 3 】将巷道围岩划分为四个区域，即弹性区、 3 山东科技大学硕士学位论文 绪论 塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区，并认为对围压有支承作用的是塑性硬化区和部 分塑性软化区，而另一部分塑性软化区和塑性流动区则是被支护的对象。 1 ．2 ．2 ．2 巷道顶帮底控制次序 针对巷道项板、两帮及底板控制的先后次序，国内外众多学者根据巷道围岩的结构特 点，巷道埋藏条件以及地应力场的分布特点，进行了广泛而深入的研究，并且取得了一 定的研究成果。J ．F ．T ．、L e oJ ．G i l b r i d e 和W e n d e nA ．K o o n iz m l 探讨了高应力和低应力对 巷道稳定性的影响，认为高应力导致巷道底板底鼓，而低应力导致巷道冒顶。薛亚东等 [ 4 5 1 根据对煤层巷道围岩岩性及层次结构特征的分析，认为巷道破坏受围岩结构的影响。 其一般规律是煤层相对顶、底板越软，则两帮越容易发生楔形或倒楔形破坏，项板易 形成大块状垮落体；煤层相对于顶、底板越硬，则两帮越易发生鼓形或片状破坏，项板 易形成单抛物拱垮落体。 朱德仁等【4 6 1 就巷道煤帮稳定性进行了相似材料模拟试验研究，结果发现帮锚杆对顶 锚杆受力及围岩整体稳定性具有关键作用。两帮煤体塑性破坏之前，顶板中部锚杆受力 最大；两帮煤体塑性破坏后，顶板角锚杆受力最大，巷道顶板岩层的稳定性直接受巷道 两帮支护效果的影响。 国内一些专家、学者提出了“先控顶，后护帮”的支护原则。陈庆敏等[ 4 7 - 4 8 1 研究了 基于水平地应力影响的“刚性梁理论”，认为锚杆预紧力可将水平应力的负面影响转化为 积极作用沈运才【4 9 。5 0 1 探究了“刚性顶板理论”在煤巷锚杆中的应用，并提出了层状项 板预应力结构理论，该理论指出预应力顶板可使巷道两帮的垂直应力平均分布到巷道两 侧。 1 ．2 ．2 ．3 非对称变形控制机理 蒋金泉、樊克恭等[ 5 1 - 5 2 l 研究了煤巷围岩结构特征与巷道稳定性之间的关系，并提出 了巷道围岩非对称控制机理何满潮、孙晓明等[ 5 3 - 5 4 1 针对深部巷道围岩在支护后表现出 的“非对称变形破坏”现象，变形破坏机制及耦合支护对策进行了系统研究，并取得了 一些成果陈新等【5 5 1 就深部巷道围岩大变形问题进行了相关研究，结果表明倾斜煤层中 巷道易出现项板大面积下沉、两帮内移和底板底鼓。且顶板下沉量、两帮内移量和底板 底鼓量均随巷道底板下岩层弹性模量的减小而增大。 1 ．2 ．2 ．4 碎胀围岩强力支护机理 强力支护是指支护系统通过预紧力以及后期支护为巷道围岩提供较高的支护阻力， 据相关研究【56 | ，在软岩巷道中，松软破碎带内岩体的膨胀变形量占巷道总变形量的6 0 ％ 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 以上。因为软岩巷道围岩一般处于低围压状态下，巷道围岩普遍表现出应变软化现象。 所以，深部软岩巷道支护的重点是围岩的碎胀变形。 康红普等【5 7 】就煤矿深部及复杂困难巷道条件，对锚杆支护作用进行了相关研究，指 出错杆支护的关键作用在于控制锚固区内围岩的裂隙张开、滑动及离层，并提出“高预 应力．强力支护理论”。大幅提高支护系统的支护强度与刚度，可保持围岩的整体性，。同 时指出提高顶板支护的强度与刚度可有效地减小底鼓量及巷道两帮压力。 1 ．2 ．3 巷道支护技术及方法研究进展 由于深部地应力高、温度高及渗透压高，导致巷道围岩控制难度加大，以往单一的 巷道支护方式己难以有效地控制巷道围岩的变形与破坏，因此煤矿通常采用联合支护技 术。近年来在煤矿中应用比较广泛的联合支护技术主要有锚网支护、锚带网支护、锚 梁网支护、锚网索支护、锚网索带支护、锚梁网索支护、锚网桁架支护以及锚注支护