软岩巷道支护稳定性及数值动态模拟研究.pdf

致 谢 致 谢 饮其流时思其源，成吾学时念吾师，回顾这一程求学路，记忆里满是老师的悉 心指导和同学的快乐相伴，在此我要向他们表达最诚挚的感谢。张向东老师丰富的 实践经验、渊博的专业知识、务实忘我的工作作风、宽以待人的处事态度使我受益 匪浅，同时在论文的选题、研究和撰写等各个方面，导师孜孜不倦地给予了细心的 指导和耐心的讲解，这篇论文凝聚着导师大量的心血和汗水。在此论文完成之际， 谨向我尊敬的导师张向东教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意、并祝福导师全家幸福 快乐。 同时要感谢北京昊华能源有限公司高家梁煤矿张兴文总工程师及生产办的全体 成员，感谢他们给予我的帮助和提供大量的工程资料，使我了解更多的实际工程， 丰富了论文的内容，使论文更具有实际价值。 感谢教导我 6 年多的土建学院的全体老师们，是他们孜孜不倦的教诲，使我掌 握了更多的知识。感谢与我共同学习和生活的同学，师兄以及师弟，是他们让我在 学习之余感受到家庭般的温暖。 感谢我的家人，感谢他们给予我的支持和鼓励，使我能在塌实无虑的环境中学 习和生活。 感谢各位专家、教授在百忙之中对我的论文评阅和指正。 摘 要 摘 要 软岩巷道支护，一直是矿业工程的难点问题之一。我国软岩分布很广，软岩巷 道的支护与维护问题也显得越来越突出，能否解决好软岩支护问题，是煤矿开采和 安全生产的关键。针对具体的软岩巷道围岩状况，选择技术上合理，经济上可行的 支护方式，并对其具体支护参数进行研究，对软岩巷道来说，无疑具有很大的现实 意义和研究价值。 本文以内蒙鄂尔多斯万利矿区高家梁煤矿软岩巷道围岩支护稳定中存在的问 题作为主要研究对象，通过现场勘察及围岩变形监测，分析了高家梁矿区软岩巷道 破坏原因及破坏型式。运用分形理论分析研究了巷道围岩裂隙发展的内在规律，总 结出松动圈的厚度范围，为巷道支护稳定提供可靠的参数和依据。通过理论分析和 数值模拟等多种手段分析了高家梁矿区软岩巷道围岩应力和位移变化的时间和空 间变化规律，分析了现有支护措施的稳定性和特殊地段的安全性，对巷道交叉点处 进行重点加强支护。 关键词软岩；交叉巷道；支护参数；分形；MIDAS 软件 Abstract Soft-rock roadway support is always one of the difficult problems in mining engineering. Soft rock is widely distributed in our country, soft rock roadway support and maintenance also become increasingly prominent, and can solve the problem of supporting soft rock, and coal mining is the key to safe production. How the rock-specific conditions select technically reasonable, economically viable support, and its support parameters study is undoubtedly of great practical significance and research value. In this paper, put the soft rock roadway surrounding rock stability and supporting the problems of gaojialiang coal mine in neimeng wanli mining area as the object of study, the causes of soft rock roadway damage and the type of damage are analysed through on-site visits and monitoring. The use of fractal theory analysis of the roadway surrounding rock fissures inherent law of development, summed up loose ring thickness range for the roadway to provide reliable parameters for the stability and basis. Through theoretical analysis and finite element numerical simulation study of various means of analysis of mining soft rock roadway surrounding rock stress and displacement changes in time and space variation, analysis of the existing support measures of stability and security of the special sections on the Roadway intersection point to focus on strengthening the supports. Key Words soft rock； intersecting tunnel； support parameter ； fractal； MIDAS software 目 录 目 录 摘 要 Abstract 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 引言 ...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................2 1.2.1 国外巷道支护理论 ....................................................................... 2 1.2.2 国内巷道支护理论 ....................................................................... 3 1.3 本文主要研究内容及研究方法 ..........................................................5 1.3.1 研究内容 ...................................................................................... 5 1.3.2 研究方法 ...................................................................................... 5 2 矿区软岩巷道变形破坏特征及巷道支护结构设计 ..................................... 6 2.1 高家梁矿区概况 ................................................................................6 2.1.1 矿区位置与交通 ........................................................................... 6 2.1.2 区域地质 ...................................................................................... 6 2.2 软岩巷道变形破坏的主要特点及影响因素 .......................................9 2.2.1 软岩巷道变形破坏的主要特点..................................................... 9 2.2.2 影响软岩巷道围岩与支护变形的主要因素 .................................. 9 2.3 高家梁矿巷道变形破坏情况的现场调查 .........................................10 2.3.1 巷道实地勘察情况 ..................................................................... 10 2.3.2 巷道变形破坏类型 ..................................................................... 11 2.4 软岩巷道支护结构设计 ...................................................................12 2.4.1 软岩巷道支护原则 ..................................................................... 12 2.4.2 软岩巷道支护参数 ..................................................................... 14 2.5 本章小结..........................................................................................17 3. 软岩巷道围岩变形监测与支护稳定分析 ................................................. 18 3.1 高家梁矿区巷道支护.......................................................................18 3.1.1 巷道型式及设计支护简介 .......................................................... 18 3.1.2 目前施工中巷道支护方面存在的问题 ....................................... 18 3.1.3 巷道支护存在问题原因分析 ...................................................... 19 3.1.4 综采顺槽支护方案比较.............................................................. 19 3.2 巷道围岩变形监测...........................................................................20 3.2.1 监测原理和目的 ......................................................................... 20 3.2.2 监测仪器 .................................................................................... 20 3.2.3 监测方案 .................................................................................... 21 3.3 巷道围岩变形监测结果及分析 ........................................................22 3.4 本章小结..........................................................................................27 4 软岩巷道围岩系统的分形特征及分析 ...................................................... 28 4.1 引言 .................................................................................................28 4.2 分形理论及分形维数.......................................................................29 4.2.1 分形理论研究............................................................................. 29 4.2.2 分形的数学描述方法.................................................................. 30 4.2.3 分形维数的估测 ......................................................................... 31 4.3 岩石破碎的块度分布与分形分析 ....................................................33 4.3.1 岩石破碎的块度分布模型 .......................................................... 33 4.3.2 岩石破碎的块度分形维数计算方法 ........................................... 36 4.4 矿区巷道掘进迎头岩体断裂和破碎的分形特征..............................36 4.4.1 矿区巷道围岩破碎块度及分形维值的确定 ................................ 36 4.4.2 矿区巷道围岩分形维值与松动圈厚度的关系 ............................ 45 4.5 本章小结..........................................................................................45 5 软岩巷道开挖支护的数值模拟 ................................................................. 46 5.1 数值模拟方法的选择.......................................................................46 5.2 基本假设..........................................................................................47 5.3 交叉巷道有限元模型的建立............................................................47 5.3.1 计算断面的选择 ......................................................................... 47 5.3.2 边界条件及荷载的确定.............................................................. 49 5.4 岩石的屈服强度准则.......................................................................49 5.5 模型参数的选取 ..............................................................................50 5.6 巷道开挖后围岩应力和变形分析 ....................................................51 5.6.1 围岩及支护体应力分析.............................................................. 51 5.6.2 围岩位移分析............................................................................. 53 5.6.3 交叉巷道交叉部位分析.............................................................. 55 5.7 交叉巷道关键部位支护优化............................................................56 5.8 本章小结..........................................................................................59 6 结论与展望 ............................................................................................... 60 6.1 全文结论..........................................................................................60 6.2 展望 .................................................................................................61 参 考 文 献................................................................................................... 62 作 者 简 历................................................................................................... 65 学位论文数据集.............................................................................................. 67 - 1 - 1 绪论 1 绪论 1.1 引言 软岩巷道的矿压控制与围岩支护稳定性是世界矿业和岩石力学的难题之一,也 是目前国内外都给予广泛关注的工程难题之一。 近些年来,随着矿业开采条件的日益 复杂,所涉及的工程领域也越来越多。我国的许多矿区,目前都存在着软岩巷道支护 困难问题,并成为影响矿区发展和经济效益的主要因素之一。世界范围内许多国家， 如前苏联、德国、澳大利亚等国家广泛分布着软岩。煤炭系统许多专家在梅河、长 广、舒兰、龙口、沈北、淮南、畔集等矿区，开展了软岩井巷掘进与支护的大量研 究，在软岩井巷的矿压显现、掘进方法、支护技术等方面，都取得了很好的成绩和 经验。但就具体的实际应用来看，软岩支护问题还没有得到根本上的解决，诸多问 题还有待于进一步的研究和探讨[214]。 据统计，我国目前煤炭开采每年掘进巷道大约 6000km，其中软岩巷道约占 600km[3]，由于软岩支护的问题，大约有 100km/年的软岩巷道需要返修、维护，尤 其是近几年来，随着开采深度的不断加深，“千米井”相继投入使用，深井工程软 岩支护问题日益突现。我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快， 一些国有重点煤矿主要矿区已开始转向或即将进入深部开采。在国有重点煤矿生产 矿井中，采深超过 700m 的矿井有 60 处，占总数的 9.25，采深超过 800m 的矿井 有 25 处，预计今后 1020 年内，采深超过 700m 的矿井将会达到 7080 处。原来适 用于浅部硬岩巷道的支护技术在软岩巷道支护过程中，已经表现出明显的不适应， 巷道服务期间屡遭破坏，需多次翻修，每米巷道每年的修复费就需要 2000 元左右， 我国深部高应力软岩巷道长达 200 万 m，深部高应力软岩巷道每年的修复费数高达 40 亿元，严重影响了矿井正常生产和企业的经济发展，是制约煤炭工业进一步发展 的技术关键[13]。尤其对于开拓巷道来说，因需要 5080 年的服务期限，所消耗的修 复费用就更为惊人。所以能否解决好软岩巷道的支护等问题，是我国煤炭开采向纵 深发展和安全生产的关键问题之一。目前国内外许多专家学者致力于该领域的研 究，已取得了一些可喜的成果，但还不能满足日益增长的软岩工程需要，还迫切需 要进一步的研究和探索[512]。 - 2 - 随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制 理论取得了长足发展，支护形式也发生了重大变化，支护理念由原来的被动支护变 为现在的主动支护，巷道的支护已由传统的棚式支护向锚杆支护转变，支护手段由 原始单一支护向联合支护发展。与软岩的支护技术研究相比，支护理论研究就显得 相对较弱，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 [1115]。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[9]。 因此，研究复杂应力、地质条件下软弱岩层巷道的矿压控制对我国煤矿安全、 高效生产具有重要意义与应用价值。 1.2 国内外研究现状 支护理论是实施地下工程支护的指导思想及设计依据[27]。早期，在传统的松动 地压支护理论的指导下，所采用的支护方式都是被动式支架支护。20 世纪初发展起 来的以海姆、朗肯和金尼克理论为代表的古典压力理论认为，作用在支护结构上的 压力是其上覆岩层的重量Hγ [28]。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论 许多方面都有不符合实际之处，于是坍落拱理论也称为松软压力理论应运而生， 其代表有太沙基理论和普氏理论[29]。此类理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度 和围岩性质有关。其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。20 世纪 50 年代以来， 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 Fenne 公式和 Kastner 公式[30]。到了 20 世纪 60 年代，随着弹塑性理论的发展，形成了变形地压支护理论， 也产生了新奥法NATM，揭开了地下工程支护的新篇章。 1.2.1 国外巷道支护理论 巷道工程支护结构理论的发展至今已经有两百多年的历史，它的发展依赖与岩 石力学和土力学的发展。巷道支护理论的核心问题是如何确定支护荷载，也就是围 岩压力理论，这样才能对支护结构进行设计。主要支护理论见表 1-1[3,31]。 - 3 - 表 1.1 主要的围岩支护理论 Tab1.1 Theory of roadway support 发展 阶段 理论名称 主要观点 提出者 第一 阶段 古典压力理论 作用在支护结构上的压力是上覆岩 层的重量，在地层深部不适用 20 世纪 20 年代 第二 阶段 散体理论 将岩体视作散体，作用在支护结构 上的荷载是围岩塌落拱内的松动岩 体重量 太沙基和普氏 （20 世纪 60 年代） 应变控制理论 围 岩 应 变 随 支 护 结 构 的 增 加 而 减 小，容许应变随支护结构的增加而 增加，通过增加支护结构控制围岩 应变在容许应变以内 日本的山地宏和樱井 春辅（20 世纪 60 年 代） 能量支护理论 围岩和支护结构的相互作用中能量 守恒，主张利用支护机构的特点自 动调整吸收和释放多余的能量 M．Dsalamou （20 世纪 70 年代） 第三 阶段 压力控制理论 通过一定技术手段改变某些围岩的 物理力学性质，改善围岩内的应力 和能量分布，使支撑压力向围岩深 部转移，从而提高围岩的自稳能力 起源于原苏联 1.2.2 国内巷道支护理论 我国在软岩巷道支护设计等方面的研究工作起于 1958 年。但真正的取得较大 发展的应始于 20 世纪 80 年代，现已在软岩巷道支护领域形成了几种具有代表性的 控制分析理论。 1 由于学馥等人1981 年提出的“轴变理论”和“开挖控制理论”[48]认为 巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍落是系统改变巷道轴比，导致 应力重新分布，高应力下降低应力上升，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷 道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的 平衡，这个不平衡系统具有自组织功能，可以自行稳定。 2 由冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，又提 出了“联合支护技术”[20,21]认为对于软岩巷道支护，要“先柔后刚、先挖后让、 柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术，锚喷网架支护技术和锚带 网架和锚带喷架等联合支护技术。 3 以郑雨天教授、孙均教授和朱效嘉教授为代表的学者提出了“锚喷一弧板 支护理论”[16]，该理论认为对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要 - 4 - 坚决顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式为“钢筋混凝土弧板”，要 坚决限制和顶住围岩向中空的位移。 4 由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论[11]，其基本观点是凡是裸体巷 道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要 支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难。因此，支护的目的在于防止围岩 松动圈发展过程中的有害变形。 5 由何满潮教授提出的，关键部位耦合组合支护理论[9,10]认为巷道护破坏大 多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的要采取适当 的支护转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的 面支护，第二次是关键部位的点支护。 6 煤炭科学研究总院开采研究所康红普研究员提出了关键承载层圈理论。 该 理论认为巷道稳定性取决于承受较大切向应力的岩层或承载层圈。 承载层圈的稳 定与否就决定了巷道的稳定性。因此，该承载层圈为关键承载层圈。巷道支护目 的就在于维护关键承载层圈的稳定，只要关键承载层圈不发生破坏，保持稳定， 则承载圈以内的岩层将保持稳定。基于该理论，关键承载层圈具有以下性质 ①承载层圈厚度越大，分布越均匀，承载能力越大； ②承载层圈内应力分布越均匀，承载能力越大； ③在未支护前，关键承载层圈离巷道周边越近，巷道越容易维护。 随着采矿深度的增加软岩巷道问题日益突出，流变力学、断裂力学非连续介质 力学、复合材料力学、损伤力学、时间序列分析理论、灰色系统理论和人工神经网 络理论等都引入了软岩工程的研究，特别随着计算机技术和数值计算方法的发展， 以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现，并应用于 地下工程，如SAP、ANSYS、ABQUS、FINAL、ADINA、FLAC、MIDAS 等国际 著名程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具目前在软岩工 程领域新的分析方法、支护方法、支护技术不断涌现，如锚喷网耦合支护技术、 柔性锚索支护技术、刚柔层控制技术、刚隙层控制技术、锚杆三维优化支护技术和 消力底梁技术等。 - 5 - 1.3 本文主要研究内容及研究方法 1.3.1 研究内容 1 高家梁矿软岩巷道支护压力及变形破坏特征的调查； 2 高家梁软岩巷道支护压力及变形分析； 3 高家梁运输大巷围岩变形监测结果的分析； 4 高家梁矿锚喷网带联合支护稳定分析； 5 研究特殊地段加强支护措施； 6 计算机模拟结果分析； 7 高家梁矿软岩巷道支护设计优化。 1.3.2 研究方法 1 通过查阅大量相关文献，对软岩特性、力学属性、围岩支护变形破坏机理、 支护压力计算方法及围岩与支护变形仿真分析等进行系统深入的研究、探讨、分析 和实践； 2 结合鄂尔多斯高家梁煤矿五条运输大巷软岩支护具体工程实例，实验室岩 石试验及现场变形监测，对该地区复杂条件下软岩井巷联合支护方案进行了详细研 究，以确定合理的支护形式和支护参数； 3 根据现场勘测情况设计监测方案，包括围岩收敛量、锚固力、锚杆实际受 力状态等； 4 采用先进的矿用电子钻孔窥视仪等仪器对大巷典型围岩断面进行钻孔结构 观察，从微观上分析围岩松动圈和软岩特性， 为巷道支护加固设计提供可靠的依据； 5 对所选定的联合支护方案的试验结果进行认真分析，根据现场监测结果， 利用 MIDAS 有限元数值分析软件进行动态模拟，对设计进行优化； 6 综合上述研究结果，提出有关软岩井巷稳定性控制、软岩运输大巷联合支 护等方面的结论，并对其发展方向予以展望。 - 6 - 2 矿区软岩巷道变形破坏特征及巷道支护结构设计 2 矿区软岩巷道变形破坏特征及巷道支护结构设计 2.1 高家梁矿区概况 2.1.1 矿区位置与交通 东胜煤田高家梁井田位于鄂尔多斯市境内，行政区划分别隶属东胜区铜川镇、 准格尔旗准格尔召乡、伊金霍洛旗纳林陶亥镇管辖。其地理坐标为 东经11002’9”1011’3” 北纬 3937’2”3945’9” 井田位于鄂尔多斯市东胜区的东南部，井田北部边界距东胜区约 8km。井田西 有包（包头）～神（神木）铁路、210 国道（包头～南宁）呈南北向通过，北有 109 国道（北京～拉萨）东西向通过，东南有准（准格尔）～东（东胜）铁路东西向通 过，包（包头）～府（府谷）二级公路在井田东部呈南北向通过。交通位置见图 2.1。 2.1.2 区域地质 东胜煤田大地构造分区属于华北地台鄂尔多斯台向斜东胜隆起区,经历了基底 形成阶段和盖层稳定发展阶段之后，在晚三叠世末期开始进入地台活动阶段。在华 北地台西部开始出现了继承性大型内陆坳陷型盆地鄂尔多斯盆地，其构造形式总 体为一宽缓的大向斜构造（台向斜）。高家梁煤矿地处河谷高漫滩地带比较平坦、 开阔，地面标高在 1390.36～1403.33m 之间，最大高差 12.97m，地形地貌见图 2.2。 图 2.2 地形地貌特征 Fig2.2 Terrain features - 7 - G110 S210 G110 S103 G109 S213 S213 G210 S306 Z Z Z Z Z Z Z Z 土默特右旗 包头市 石拐矿区 土默特左旗 托克托县 达拉特旗 呼和浩特市 准格尔旗 偏关 河曲 东胜区 白泥井 榆林子 王爱召 新民堡 白泥井 盐店马场壕 吉格斯太 白泥井 树林召 布尔陶亥 大路 东孔兑 喇嘛湾 新营子 十二连城中滩 蓿亥树 巴润哈岱 海子塔 哈岱高勒 沙圪堵 西营子 暖水 四道柳 纳林陶亥 准格尔召 潮脑梁 塔拉壕 敖包梁 耳字壕 布尔台格 布尔洞高勒 长滩 哈镇 敖斯润陶亥 乌日图高勒 羊市塔 大昌汗 老高川 新庙 乌兰木伦矿 中鸡 德胜西 乌兰哈达 万利镇 布日都梁 大柳塔 布连 楼子营 马栅 天峰坪 魏家峁 古城 单台子 窑沟乡准 曹家石湾 十 里 长 川 纳 林 川 川 水 清 川 山 孤 水 牛 勃 川 暖 乌 兰 木 伦 河 红 碱 淖 罕 台 川 壕 庆 河 川 拉 什 哈 母 哈 日 沟 东 柳 河 呼 斯 太 河 哈 素 海 退 水 渠 大 黑 河 黄 河 黄 河 11 0 00 ′ 11 1 00 ′ 11 0 00 ′ 11 1 00 ′ 30 ′ 0 ′ 40 0 0 ′ 39 3 0 ′ 40 3 0 ′ 0 ′ 乌兰木伦 窑沟乡清 弓家塔 边家壕 图 例 铁路 河流 公路 乡、镇 旗、县 高家梁井田 唐公塔 大路峁 高家梁井田 图 2.1 交通位置图 Fig.2.1 Map of traffic - 8 - 东胜煤田整体属构造简单型煤田，区域地层系统详见表 2.l。 表 2.1 煤田区域地层表 Tab.2.1 Coalfield Regional Stratigraphic list 系 统 组群 厚度m 最小最大 岩 性 描 述 全 新 统 （Q4） 025 为湖泊相沉积层、冲洪积层和风积层。 第 四 系 上 更 新 统 马兰组 （Q3m） 040 浅黄色含砂黄土，含钙质结核，具柱状节理。不 整合于一切地层之上。 第 三 系 上 新 统 （N2） 0100 上部为红色、土黄色粘土及其胶结疏松的砂岩， 下部为灰黄、棕红、绿黄色砂砾岩、砾岩，夹有砂岩 透镜体。不整合于一切老地层之上。 40230 上部为浅灰、灰紫、灰黄、黄、紫红色泥岩、粉 砂岩、细砂岩、砂砾岩、泥岩、砂岩互层，夹薄层泥 质灰岩。交错层理较发育。顶部常见一层中粗粒砂岩， 含砾，呈厚层状。 白 垩 系 下 统 志 丹 群 K1zh 3080 下部为浅灰、灰绿、棕红、灰紫色泥岩、粉砂岩、 砂质泥岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、细砾岩，中夹 薄层钙质细砂岩。斜层理发育，底部常见大型交错层 理。与下伏地层呈不整合接触。 安定组 （J2a） 1080 浅灰、灰绿、黄紫褐色泥岩、砂质泥岩、中砂岩。 含钙质结核。 中 统 直罗组 （J2z） 1278 灰白、灰黄、灰绿、紫红色泥岩、砂质泥岩、细 砂岩、中砂岩、 粗砂岩。 下部夹薄煤层及油页岩， 含 1 煤组。与下伏地层呈平行不整合。 中 下 统 延安组 （J1-2y） 78247 灰灰白色砂岩，深灰色、灰黑色砂质泥岩，泥岩 和煤层。含 2、3、4、5、6、7 煤组。与下伏地层呈平 行不整合接触。 侏 罗 系 下 统 富县组 （J1f） 0