平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究.pdf

硕士学位论文 申请人姓名 唐杰兵 指导教师 李大伟 教授 专业名称 采矿工程 研究方向 矿山压力及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一○年六月十日二○一○年六月十日 平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究 Study on Breaking Soft-rock Roadway Remediation in No.11 Coal Mine of Pingdingshan Coal Industry Group 河南理工大学 申请人姓名申请人姓名 唐杰兵唐杰兵 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 采矿工程采矿工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 导师导师 李大伟李大伟 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2010.6 答 辩 日 期答 辩 日 期 2010.6.10 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 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学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他 个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 在本人的成长过程中，得到了众多老师、同学和亲朋好友们的鼓励和支持， 在此，向你们致以我心中诚挚的谢意 成吾学时思吾师，感谢我的恩师李大伟教授时常的耳提面命及在生活中对我 的百般照顾。李老师给予了本论文悉心的指导，从选题、构思、资料分析、材料 组织和撰写的整个过程中，李老师均倾注了大量的时间和精力。尤其是李老师在 为人处事及治学态度上的言传身教，使我大受裨益 和朝夕相处的室友潘建武、董洋洋都很投缘。于此，想感谢室友们长久以来 对我生活习惯的接纳与尊重 在本论文写作过程中，得到了师弟李登月、付振江、朱影最热心的帮助，感 谢师弟们为本论文细心的勘误 感谢我的同窗郑彬、李树彬、桑培淼、张明建、周俊帆、王庆牛、吕磊、陈 轶、呼庆华、张辉等对本论文撰写中所遇问题的指点 在研究生阶段，有幸聆听了本院多位老师的精心授业，再次感谢您们对我的 教诲和培养 在十一矿期间，得到了矿领导刘主任、张科长等的热情接待；在井下监测时， 又得到了徐技术员、张工为监测做了大量准备工作。感谢之意无以言表 感谢父母、姐姐一直以来对我学业的大力支持及在生活上对我的千万叮咛和 关心 感谢本论文中所引用文献的著、编、译者 感谢各位专家和学者在百忙之中评审本论文，本文作者恳切地期望得到您的 批评指正 唐杰兵 2010.4 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 深井巷道矿山压力控制问题关系到煤矿深部开采能否持续稳定发展的重要科 技难题之一。平煤十一矿丁6胶带下山巷道所处岩层属于低强度膨胀性软岩，由于 地应力较大，围岩岩性差，巷道岩体产生了显著的大变形和强流变效应，常规锚 杆、普通可缩性支架支护难以达到巷道围岩稳定性控制的目的。对软岩巷道一、 二次支护作用下进行了力学计算分析，表明巷道二次支护的作用在于调整围岩承 载能力与其所受载荷关系至稳定状态。 利用FLAC3D数值模拟验算了3种断面及其对 应的6种支护方案的优劣程度，在分析原支护方式围岩变形破坏的同时，对比研究 了在原支护方式上得以加强优化的其他4种支护方案，结合力学计算分析，为工业 性试验选取了马蹄形刚性支架支护方式，翻修后的巷道变形监测曲线表明采用大 刚度高强度马蹄形全封闭刚性金属支架的支护方案满足巷道对支护刚度和强度的 要求。本文的研究对深井破坏巷道的修复治理具有指导意义，研究成果可以进一 步完善深井巷道围岩控制理论。 关键词关键词软岩巷道；二次支护；数值模拟；马蹄形刚性支架 万方数据 万方数据 III Abstract The issues of roadway pressure control related to the sustainability and stable development of deep mining coal is one of the important scientific problems. Belt dip roadway of D 6 is low strength and swell soft-rock in No.11 PingDingShan Mine. Roadway rock has deed largely and flowed strongly for the stress is large and the lithology of surrounding rock is week. Normal bolt and yieldable arch support are difficult to reach the stability control of roadway surrounding rock. Calculation and analysis stability of surrounding rock effect of first and second supporting show that second supporting is to change the role of rock load capacity compared to its relationship suffered. Use FLAC3D numerical simulation checked the pros and cons of degree of three kinds of section and their corresponding six kinds of support program. Analyze the surrounding rock deation damage of original support program. Contrasted and researched the other four kinds of support program based on the original support program. Combined the Mechanical calculation analysis. Selected U-shape rigid support program for industrial test. The deation monitoring curve of restored roadway show that the support program use large rigidity and high strength U-shape all closed rigid metal support meet the requirements of support rigidity and strength to roadway. The research in this article is the guide to restoration the deep mine damaged roadway. The research result will further improve the control principle of roadway surrounding rock in deep mine. Keywords soft-rock roadway; second supporting; numerical simulation; U-shaped rigid support 万方数据 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................ V 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题的意义 ............................................................................................................. 1 1.2 问题的提出 ............................................................................................................. 1 1.3 软岩巷道支护理论研究现状及存在问题 ............................................................. 2 1.4 软岩巷道支护技术回顾与评述 ............................................................................. 5 1.5 软岩巷道支护的现状 ............................................................................................. 6 1.6 主要研究内容及方法 ............................................................................................. 6 1.6.1 研究内容 .................................................................................................................. 6 1.6.2 研究方法 .................................................................................................................. 7 2 平煤十一矿丁平煤十一矿丁6胶带下山巷道变形破坏特征与变形监测胶带下山巷道变形破坏特征与变形监测 ..................................... 9 2.1 工程地质条件概况 ................................................................................................. 9 2.2 平煤十一矿丁6胶带下山巷道原岩应力场分析 ............................................... 10 2.3 平煤十一矿矿区临界深度的界定 ....................................................................... 11 2.4 平煤十一矿丁6胶带下山巷道类型分析 ............................................................ 12 2.5 平煤十一矿丁6胶带下山巷道围岩变形破坏特征与分析 ................................ 15 2.5.1 平煤十一矿丁6胶带下山巷道原支护方式 ............................................................... 16 2.5.2 平煤十一矿丁6胶带下山巷道破坏形式及分析 ........................................................ 16 2.5.3 平煤十一矿丁6胶带下山巷道变形破坏特征 ............................................................ 18 2.6 平煤十一矿丁6胶带下山巷道围岩变形规律实测分析 .................................... 19 2.6.1 实测的方法 ........................................................................................................... 19 2.6.2 量测的结果 ........................................................................................................... 20 2.6.3 监测结果分析 ........................................................................................................ 23 2.6.4 变形规律预测 ......................................................................................................... 24 2.7 小结 ....................................................................................................................... 25 3 软岩巷道围岩稳定性计算分析软岩巷道围岩稳定性计算分析 .............................................................................. 27 3.1 基本假设 ............................................................................................................... 27 3.2 基本方程及限制条件 ........................................................................................... 28 万方数据 VI 3.3 软岩巷道一、二次支护作用力学计算分析 ....................................................... 30 3.3.1 软岩巷道一次支护作用力学计算 ............................................................................. 30 3.3.2 软岩巷道二次支护作用力学计算 ............................................................................. 33 3.4 分析 ....................................................................................................................... 34 3.5 小结 ....................................................................................................................... 36 4 平煤十一矿丁平煤十一矿丁6胶带下山软岩巷道支护数值模拟研究胶带下山软岩巷道支护数值模拟研究....................................... 37 4.1 计算方法 ............................................................................................................... 37 4.2 支护方案模拟内容 ............................................................................................... 37 4.3 参数选取 ............................................................................................................... 39 4.4 模型建立 ............................................................................................................... 40 4.5 测线布置 ............................................................................................................... 41 4.6 模拟结果及分析 ................................................................................................... 42 4.6.1 三种断面对比分析 .................................................................................................. 42 4.6.2 六种支护方案对比分析 ........................................................................................... 44 4.7 小结 ....................................................................................................................... 52 5 工业性试验研究工业性试验研究 ...................................................................................................... 53 5.1 软岩工程的特点 ................................................................................................... 53 5.2 二次支护理论分析 ............................................................................................... 53 5.2.1 二次支护原理 ......................................................................................................... 54 5.2.2 二次支护时间分析 .................................................................................................. 55 5.3 平煤十一矿丁6胶带下山原巷道变形破坏分析 ................................................ 56 5.4 支护对策 ............................................................................................................... 61 5.5 支护方案 ............................................................................................................... 62 5.5.1 修复巷道合理支护结构与参数设计.......................................................................... 62 5.5.2 马蹄形金属支架力学计算........................................................................................ 64 5.6 原巷道二次支护的力学分析 ............................................................................... 65 5.6.1 原巷道二次支护的稳定性力学分析.......................................................................... 65 5.6.2 大刚度高强度二次支护对围岩稳定控制作用............................................................ 66 5.7 现场测量结果分析 ............................................................................................... 67 5.8 小结 ....................................................................................................................... 69 万方数据 VII 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 71 6.1 主要结论 ............................................................................................................... 71 6.2 不足及展望 ........................................................................................................... 72 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 73 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 77 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 79 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的意义 当前，煤矿开采大都进入临界深度以下，并逐渐延伸到复杂地质条件煤系地 层。由于深部软岩“三高一扰动”的特殊地质力学环境[1-2]，软岩巷道表现出明显 的大变形、大地压、长时间持续流变等的软岩特性，传统的支护手段已难以满足 软岩巷道支护突现的问题。软岩巷道掘进与维护普遍存在难度大、安全性差等问 题。其巷道支护强度高，多数巷道需多次返修、多次扩刷、多次支护，支护材料 费比一般巷道高出 3～5 倍，尚不能有效控制围岩变形，前掘后修（拉底）已成为 深部软岩巷道施工的基本工序。并且维护费用比正常掘进的每米成本还要高，甚 至高出 2～3 倍。由于围岩开裂、断面收敛及底鼓严重，巷道掘出不长时间即表现 出大范围巷表岩体及支护体离层、悬空，导致生产安全隐患大。 尽管软岩巷道支护理论与技术在近几 10 年来有了较大发展，也解决了不少软 岩支护问题，但因软岩工程地质力学问题的复杂性及其理论研究相对滞后，软岩 巷道支护仍是煤矿巷道支护的薄弱环节，也是目前国内外有待进一步解决的难题 [3-4]。根据我国煤炭资源开采情况，要保证我国主体后备能源供给，深入开展软岩 巷道的大变形与稳定控制理论及支护方式等基础研究迫在眉睫。 1.2 问题的提出 平煤十一矿丁 6胶带下山软岩巷道具有岩石本身强度低、软弱破碎和采深较 大、地应力高的特点，巷道围岩表现出大变形、长时间持续流变、支护难度很大 的特性。强流变围岩动态过程的最终结果是围岩强烈变形、巷道显著收敛，并产 生强大的围岩压力。若支护体的强度和刚度不够大，就不能阻止强流变性围岩在 时间和空间上的周而复始的演化。当对强烈变形和严重破坏的巷道进行返修时， 由于通常的返修仅是拉底或开帮，使其恢复所要求的巷道尺寸，并用相同的方法 对其支护，而并未改变围岩本身的变形破坏机制，围岩依然按原有的模式发生演 化。因此，即使多次返修，巷道变形破坏依然屡禁不止，而且再次变形破坏的类 型和特征基本与以前相同。 平煤十一矿丁6胶带下山巷道破坏后，采用普通 29U 型钢可缩性金属支架和 锚网喷支护进行修复。巷道断面为半圆拱形，两种支护方式均未封底。由于围岩 松软，巷道围岩松动圈大，翻修巷道顶板出现较大面积的垮落，受围岩松软低强 度和埋深及地质构造应力大的双重作用影响，锚网喷巷道压力显现强烈，围岩变 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 形具有四周来压和显著的流变时间效应。巷道的修复过于强调锚网喷（和注浆） 让压的作用，低估了软岩巷道岩石自身的变形能量的释放，即岩石的流变持续时 间长，变形量大；顶部变形下沉易垮落；两帮也整体向巷内移动；同时，底板产 生强烈底鼓，两底角内移上抬、底板中部凸起。采用锚网喷和传统的架棚支护方 式已经远远不能满足支护强度要求，很难达到深部开采条件下巷道围岩稳定性控 制目的。 对于软岩支护，70 年代以前流行的做法是快速的刚性支护。新奥法引进后， 虽然成功地解决了不少软岩工程支护问题，但很多人又盲目地认为凡软岩必须采 用二次让压支护，但是深井低强度软岩巷道甚至需要三次、四次支护，巷道周而 复始的发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制，然而巷道的稳定不能以围岩的 变形为代价，其结果反而使有些软岩工程支护越来越困难，以致报废。本文主要 针对平煤十一矿丁6胶带下山软岩破坏巷道的修复治理进行研究， 进一步探索正确 的巷道围岩控制理论和技术、选择安全可靠的巷道支护方法、确定经济合理的支 护参数以及实用高效的施工工艺，进而减少返修量，降低工程造价，为井下创造 安全、良好的工作环境。 1.3 软岩巷道支护理论研究现状及存在问题 地下支护理论的发展大致经历了三个阶段。早期，在传统的松动地压支护理 论的指导下，认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量 γH ,所采用的支 护方式多是被动式支架支护，以 20 世纪初发展起来的海姆、朗肯和金尼克理论为 代表，也即古典压力理论。随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论与实际 应用存在多方面的不符，于是出现了坍落拱理论（或称为松软压力理论） ，其代表 为太沙基理论和普氏理论。该类理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度及围岩 性质有关，其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。到了 20 世纪 50 年代，人 们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的是 Fenner 公式。60 年代 以来，随着弹塑性理论的发展，形成了变形地压支护理论，新奥法NATM的产生 为地下软岩工程支护的揭开了新的篇章。 近三十年来，在软岩巷道支护方面，我国由过去单一的被动支护形式逐步发 展形成了各种系列支护技术。如锚、喷、网支护系列技术、注浆加固和预应力 锚索支护系列技术、料石碹支护系列技术、U 型钢支护系列技术以及以上各种支 护组合的联合支护系列等。与软岩的支护技术研究相比，支护理论研究相对较弱， 万方数据 1 绪论 3 从而制约了支护技术的进一步发展，给工程支护带来了很大的盲目性。如自从将 新奥法引入软岩支护的初期，国内软岩支护普遍采用锚喷系列二次或多次支护， 并发展了各种让压技术，但最终支护成功的工程较少，后又逐步采用联合强力支 护，虽支护成功的工程逐步增多，但支护成本在不断地提高。由于新奥法及其让 压理论在软岩支护中应用时常失效，因此，必须反思现有的支护理论，探讨适合 于软岩的支护理论显得尤为重要。 目前，国内外软岩支护理论有两大类，一类是用定性的原则表述的支护理论； 另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。 （1）定性的支护理论[4-7] 定性的支护理论主要有新奥法及松动圈支护理论。 新奥法NATM是奥地利学者 Rabcewice1964～1965在总结前人经验后提出 的一套隧道设计与施工原则，米勒1980将其总结为 22 条。至今为止，新奥法仍 是国际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。我国对新奥法的引进 与推广虽较西欧晚十多年，但由于它的引进正好与软岩问题的大量出现同步，故 三十多年来一直将其作为软岩支护的主要理论。 新奥法摒弃了隧道力学中的以普氏理论为代表的松动地压理论，将岩体视为 承载体，这种认识上的重大转变给支护带来了一场革命，所提倡的主动支护和柔 性支护方法对软岩是有效的，其 22 原则可用于设计、施工、监测反馈等各种工作， 形成了比较完整的理论体系。其中的 17 条原则比较容易理解，提法较明确，相当 一部分原则可操作性强。 新奥法的不足主要表现在其中的 5 条原则（最终围岩允许变形量、一次支护 时间及确定、二次支护强度及刚度等）难以真正理解和掌握。总体说来，新奥法 是大量规律的经验总结，其理论基础是当时的岩石力学理论基础一弹塑性理论， 一些原则可以用力学原理去解释，而有些尚难做到。众所周知，软岩表现出来的 工程特性己超出了简单的弹塑性问题范畴，用传统的新奥法处理软岩支护问题必 然带来理论和技术上的不足。 董方庭教授1996通过大量现场观测巷道支护作用与围岩破裂区、 塑性区生成 的时间先后关系，发现现行巷道支护一不可能及时，二不可能密贴，只有静待围 岩产生足够变形之后才能够提供支护阻力，以此为基础提出了巷道围岩松动圈支 护理论，并建立了松动圈大小和支护力大小的经验关系，对解决软岩支护问题起 到了积极的作用。但由于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物，仅从这一最后形 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 式分析问题，不仅难以考虑软岩中出现的各种较为复杂的情况和影响因素，也难 以建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支护理论。 （2）定量的支护理论 定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。 至 20 世纪 50 年代，围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。弹塑性支护理论通 过对“支护-围岩”共同作用系统的分析，从而揭示出支护与围岩的共同作用原 理。与传统支护理论相比，其特点表现为以下几方面 ①对围岩与围岩压力的认识方面，传统支护理论认为围岩压力是由硐室塌落 的松散压力造成的，而现在支护理论认为，围岩不仅仅是支护载荷的来源，并且 是主要的承载结构，支护的作用是阻止围岩的变形压力。 ②在支护围岩共同作用体系中，传统支护理论把围岩与支护分开考虑，支护 只是承载，而现代支护理论认为支护是为了及时稳定加固围岩，围