深部回采巷道底臌支护技术研究.pdf

中图分类号 旦圣鳗学校代码 Q 坌 鱼 黑龙江科技学院 硕士学位论文 深部回采巷道底臌支护技术研究 T H ES T U D Yo NS U P P o R T T E C H N o L o G YF o RD E E PR E C o V E R Y R o A D Ⅵ‘A YH E A V E 作者瑟丞毖 申请学位王堂亟 学科专业墨芷王猩 答辩委员会主席量渔泣 导师处亡竖 培养单位资返皇还速王猩堂随 研究方向芷鏖珏苤撞苤 评阅人 路占丞 二O 一二年五月 硕士学位论文 深部回采巷道底臌支护技术研究 T H ES T U D Yo NS U P P o R T T E CH N o L o G YF o RD E E PR E Co V E R Y R o A D Ⅵ俊YH E A V E 作者张永彬 导师孙广义教授 黑龙江科技学院 二。一二年五月 学位论文使用授权声明嗍 本人完全了解黑龙江科技学院有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名我永始 和1 姆1 只i 9 LE l 导师签名 2 刃Z 年／月嘶 论文审阅认定书 研究生张永彬在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指 导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结 构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作 为学位申请论文送专家评审。 聊躲圈 0 2 ．9 纯年占只／5E t 致谢 本文是在导师孙广义教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习期间， 孙老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不致的关怀和照 顾。导师在论文的选题、研究方法、撰写等各个方面都倾注了大量的心血和精力。 特别是他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、精益求精的科研作风， 兢兢业业的工作精神深深感染和鞭策着我，使我受益匪浅。正是导师及时的启发、 帮助与鼓励，才使得论文得以顺利完成。 师恩似海，在此谨向导师致以深深的谢意争崇高的敬意 感谢黑龙江科技学院资源与环境工程学院采石i - x ．程专业的陈刚老师，他在我 论文的撰写过程中提出了很多的宝贵意见和并给予了热心的指导。 同时感谢采矿教研室的刘永立教授、路占元教授、肖福坤教授、康健副教授、 陈海波副教授、兰永伟老师、秦涛老师、张俊文老师李伟老师、李兴伟老师、尹 小军老师、张晓宇老师以及代少军老师，他们在我攻读硕士学位期间的学习，在 生活和论文开题过程中给予了极大的帮助。 感谢我的同学吴祥业、赵坤、石兴龙、于涛、王国超、赵祥顺、李涛、郝鑫 等在我论文的写作期间对我的帮助。 感谢我的师兄董长吉、张继忠、金珠鹏、岳强、刘洋以及师弟徐竟狄和柏兴 明在我论文写作过程中的帮助。 感谢我的父母，感谢他们在我近二十年的读书生涯中辛勤地养育着我，并在 精神上给予鼓励和鞭策。 在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，在参考文献中已将作者列出， 但难以保证没有遗漏。在此，向所有的作者表示衷心感谢。由于水平和时间有限， 论文中难免有不当和不足之处，诚挚的恳请各位专家、教授给予批评、指正。 摘要 巷道底臌作为深部巷道围岩变形与破坏的主要形式之一，一直是困扰着煤矿 深部开采的主要技术问题，因此深入研究深部巷道围岩特征，对有效地控制围岩 的变形与破坏具有重要的理论意义与现实意义。 本文以东海煤矿开采深度1 1 6 0 m 的5 采区3 2 号层回采巷道以及3 5 号层变 电硐室为工程背景，针对煤矿深部回采巷道底臌问题，分析了深部巷道底臌产生 的原因和类型，研究了巷道底臌的力学机理，并在此基础上进行了理论分析、实 验室实验，较为准确地分析了巷道围岩的受力和变形规律，并且建立了巷道底臌 的力学模型。通过数值模拟分析，分别模拟出了裸巷、仅支护顶板和两帮的巷道 以及对巷道进行全断面支护三种情况下回采巷道围岩变形、应力场和位移场的分 布情况，验证了理论分析的结果。对巷道进行了新的支护设计，支护方案成功应 用于现场，取得了良好的技术经济效果，同时为同类巷道的底臌的控制问题提供 了技术支撑，研究成果对深部巷道底臌的综合治理具有一定得借鉴意义。 该论文有图6 7 幅，表1 1 个，参考文献5 5 篇。 关键词巷道底臌；力学机理；数值模拟；回采巷道 A b s t r a c t A sO l l Co ft h em a i nf o r m so fd a m a g ea n dd e f o r m a t i o ni nd e e pr o a d w a y , f l o o r h e a v ei sag r e a tt e c h n i c a lp r o b l e mi n d e e pm i n i n g ．T h e r e f o r e , i n t e n s i v es t u d y c o n c e r n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs u r r o u n d i n gr o c k s ，w h i c hC a np r o v i d ee f f e c t i v e m a t c h e sf o rt h ep u r p o s eo fc o n t r o l l i n go ft h er o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei so f i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ． T a k eN O ．3 2r e c o v e r yr o a d w a yo ff i v em i n i n ga r e aa n dN O ．3 5l a y e rs u b s t a t i o n c h a m b e ri nd o n g h a ic o a lm i n ef o re x a m p l e ，t h ep a p e rh a ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h ep r o b l e m s ，t h er e a s o n s ，t y p e sa n dm e c h a n i c a lm e c h a n i s mo f r o a d w a yf l o o rh e a v e ， a n db a s i s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dm o r ea c c u r a t ea n a l y s i s o ft h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o no ft h et u n n e l p a r to ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，T h e m e c h a n i c a lm o d e lf o rt h ef l o o rh e a v eo fs t r e s st y p eW a se s t a b l i s h e d ．T h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h ee x a c t i t u d eo ft h e o r ya n a l y s i sw a s v a l i d a t e d ．S o m ec o n t r o lm e t h o d sf o rf l o o rh e a v e s u c ha sb a r er o a d w a y 、o n l y s u p p o r t i n gt h er o o f a n dt w os i d e so f r o a d w a ya n dr o a d w a yo f t h ef u l l - f a c es u p p o r t i n t h ed e e pr e c o v e r yr o a d w a yw e r eg i v e nb a s e do nt h er e s u l to fa n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．An e ws u p p o r tp r o g r a mh a v es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h e s c e n ea n dh a v eg o tg o o dt e c h n i c a la n de c o n o m i ce f f e c t ．T h ep r o d u c t i o no fr e s e a r c h p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h et r e a t m e n to ft h ef l o o rh e a v e ．I th a sc o m p r e h e n s i v e r e f e r e n c e so f r o a d w a yf l o o rh e a v ei nd e e pc o a lm i n e ． T h i sP a p e rh a s6 7f i g u r e s ，1lt a b l e sa n d5 5r e f e r e n c e s K e y w o r d s f l o o rh e a v e ；m e c h a n i c a lm e c h a n i s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e c o v e r y r o a d w a y 目录 摘要．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．】【 目录⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I l I 1I 者论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 巷道底臌产生的原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 巷道底臌机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 巷道底臌控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 巷道围岩受力变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 巷道外接圆理论的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．1 矿山巷道力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 矿山外接圆巷道力学模型建立的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 矿山巷道破坏机理的外接圆理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 巷道变形破坏类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。10 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 巷道应力型底臌力学机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 巷道应力型底臌机理及解析分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 ．1 巷道应力型底臌力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～1 4 3 ．1 ．2 巷道底臌支护荷载的分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 3 ．2 工程算例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 工程概况及力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 ．1 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 4 4 ．1 ．2 煤及煤质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．2 岩石力学性能参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 ．13 2 、3 5 号煤层回采巷道顶底板岩层构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 4 ．22 岩样的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．23 试件的加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．3 实验数据的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 ．1 原始数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 4 ．3 ．2 数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 0 4 ．4 实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 5 深井巷道覆岩活动数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 5 ．1R F P A 2 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 5 ．2 巷道断面数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 5 ．2 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 5 ．2 ．2 巷道完全无支护情况下数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 5 ．2 ．3 仅对顶板及两帮支护情况下巷道底臌数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 7 5 ．2 ．4 加底部锚杆支护情况下巷道底臌数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 0 5 ．3 巷道断面数值模拟应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．3 ．1 完全无支护情况下巷道应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．3 ．2 仅对顶板和两帮支护情况下巷道应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．3 ．3 加底部锚支护情况下巷道应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 工业性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 6 ．1 回采巷道底锚支护前后巷道情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．1 ．1 原支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 6 ．1 ．2 巷道变形情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 6 ．1 ．3 新支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 6 ．1 ．4 观测数据及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 6 ．2 变电硐室底锚支护前后巷道情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2 ．1 原支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6 ．2 ．2 新支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．2 ．3 观测数据及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 6 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 I V 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 V 1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出 本课题来源于龙煤集团鸡西分公司东海煤矿巷道底锚支护技术研究。 统计资料表明，在我国的经济建设中9 5 ％的能源和8 0 ％以上的工业原料均 来自于矿产资源【l 】。随着国民经济的快速发展，预计在今后的3 0 年内，将是中 国历史上最大、最集中需求矿业产品的时期。据研究表明到2 0 3 0 年，煤炭在我 国能源消费结构中仍占7 0 ％左右【2 1 。“煤炭是工业的粮食’’显示了煤炭资源在国 民经济发展过程中的重要性。 我国煤炭资源埋深在1 0 0 0 m 以下的为2 ．9 5 万亿吨，占煤炭资源总量的 5 3 ．2 咏3 1 。目前煤矿开采深度以每年8 - - , 1 2 m 的速度增加，东部矿井正以每年 1 0 , ．- 2 5 m 的速度发展，预计在未来2 0 年内很多煤矿将进入到1 0 0 0 m 到1 5 0 0 m 的 深度，随着开采深度的增加巷道的支护问题也越来越被关注【4 1 。煤矿开采深部与 浅部的明显区别主要是在于深部岩体的“三高一扰动“ 的复杂力学特性其表现为 地应力高、温度高、岩融水压高和岩体开挖后高地应力与采动影响更加显著，巷 道围岩及其破碎、膨胀，大流变时间效应也更为明显【5 】。 深部巷道围岩的矿压显现及力学特征表现在以下几个方面 1 ．巷道围岩压力大 随着开采深度的增加，巷道围岩所承受的压力也随之增大，形成的支承压力 不断增高。所以在深部开采时巷道围岩的应力基本上都超过巷道围岩的自身强 度，特别是高于煤层巷道和软岩巷道围岩的自身强度【6 】。矿井的开拓巷道、准备 巷道与回采巷道，它们不管是否受到采动影响，矿压显现都变得很强烈。 2 ．巷道变形量大 ． 深部巷道在开挖后围岩会产生较大的变形这是深井巷道矿压显现的最显著 标志之一。这是由于巷道在开挖时，处于掘进工作面前方一定距离尚未开挖的岩 体内出现了应力集中和破碎产生的裂隙现象所导致的【。丌。由于围岩内存在着大量 的节理裂隙，巷道在开挖后围岩内应力开始释放，降低了围岩的整体性和强度， 同时又加剧了围岩裂隙的进一步发育，形成的破碎区向巷道的深部发展，而巷道 的破坏先是从几个关键部位破坏，然后整个巷道开始发生失稳破坏。巷道产生破 坏后由于围岩的蠕变特点，使得巷道继续收缩、变形，最终导致了支护体失去支 护效果嘲。 3 ．巷道围岩变形趋于稳定的时间长及长期蠕变 深井巷道的另一标志是巷道变形趋于稳定需要经历一个较长时间的过程，在 深部高应力的环境下，岩石具有强时间效应，表现为明显的流变和蠕变。巷道的 硕十学位论文 稳定程度与围岩破裂范围半径有很大的关系，破裂区半径越大，巷道变形稳定需 要的时间越长。虽然深井巷道在开挖后要经历较长的时间巷道变形才能趋于平 稳，但是巷道的围岩收敛变形大多数发生在开挖后一个比较短的时问段内，由于 巷道的开挖引起的围岩变形趋于平稳后，围岩的变形速度将维持在一个较低的水 平【9 】。在此之后，巷道围岩变形将以这一速度保持不变，长期处于蠕变状态。 4 ．巷道底臌量大 深井巷道矿压显现的第四个显著特点是巷道底臌量大，其同时具有普遍性。 据前苏联对部分深井资料的统计分析1 巷道易于产生底臌随开采深度增大的比 重越来越大[ 1 0 1 ；2 随开采深度的增大，底臌量在其顶底板的相对移近量中所占的 比重随之增大【l 。巷道围岩的变形及破坏范围较大，而且巷道底板的围岩变形、 破坏范围明显大于巷道两帮和顶板。 5 ．冲击地压发生的频率和强度增大 理论研究和实践分析表明，矿井发生冲击地压的频率和冲击强度与开采深度 有着密切的关系。随着开采深度的加大，煤、岩体因变形积聚的能量呈现平方的 关系加大【1 2 1 。所以，位于深部的煤、岩体内积聚了大量的能量，当开采活动引起 能量的释放速度比煤、岩体破坏所消耗能量的速度大时，就容易发生冲击地压。 实践表明，随着开采深度的不断增加，发生的冲击地压的频率随之增大，冲击地 压的强度也明显提高【B l ，在岩体强度较大的矿山中冲击地压问题更为突出与严 重。 6 ．地温增高 相关资料表明地温随着开采深度的增加而升高，地温与开采深度有如下的关 系，Y a x [ Ⅻ，其中Y 表示升高的温度，X 表示开采深度的增加量，a 为相关系 数，一般取O ．0 3 ～0 ．0 5 ，当巷道及工作面所处的位置很深时，温度能够达到 3 0 , - ．5 0 0 1 2 ，在如此高的温度下可出现两种不利情况1 巷道内水汽增多，使巷道 周边围岩的强度降低，在深部高应力作用下，若只加强顶、帮的支护，就易产生 底臌；2 高温会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形【l5 1 。根据井下 实测，东海煤矿3 2 号层回采巷道围岩体的温度达到3 7 ．1 “ - 3 8 ．0 度。 7 ．瓦斯含量和水压力升高 随着开采深度的增加，瓦斯含量和瓦斯压力迅速增加，并造成瓦斯灾害事故 的频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡超过1 0 人的煤矿事故中 约有7 0 ％出现在采深6 0 0 m 以下的矿井【1 6 】；在采深大于1 0 0 0 m 的深部矿井，其岩 溶水压将高达7 M P a ，有的甚至更高，岩溶水压的增高，使得矿井突水灾害更为严 重【1 7 】。 综上所述可知，深部巷道维护要比浅部巷道维护更加困难，由于巷道处于深 1 绪论 部开采条件下，其周边的围岩将处于高应力作用下，围岩将比巷道处于浅部时更 加容易破碎、变形，围岩破坏的范围也会加大，同时将对矿井的正常生产有着 很大的影响，如巷道维护困难等，以及会对矿井的安全生产造成影响，例如工作 面顶板的大面积来压和顶板的塌落，巷道围岩的变形量比较大并且出现蠕变、松 弛和弹性后效等状态的发生，其表现出来力学特征与浅部岩体有很大的区别【l 引。 巷道底臌现象是巷道围岩稳定性课题中的特殊问题，长期以来在地下工程围 岩稳定性理论和实践的探索研究中，不论是二十年代古典的压力拱理论、四十年 代的塌落拱理论，还是六十年代以后考虑围岩节理、裂隙及流变性质的支护一围 岩共同作用理论等，主要是研究如何有效地支护巷道的顶板和两帮使其不破坏和 不发生大的位移以及垮落，而对底板是否稳定未给予足够重视。而近年来随着煤 炭资源的井下开采深度越来越大，巷道的大变形、大地压、难支护的工程问题同 趋严重，底臌是深井巷道矿压显现的主要特征。在对底板不支护的情况下，巷道 项底板移进量中约有2 ／3 3 ／4 是由底臌造成的【1 9 1 ，部分煤矿底臌情况如表1 所 示。 表1 - 1 部分煤矿岩斫巷道底臌情况 1 ■b l e ．1 ．1T h ef l o o rh e a v eo fs o m er o c kt u n n e l si nm i n ec o a l 巷道名称底臌概述 孔庄矿一7 8 5 轨道大巷 焦作古汉山矿 谢一矿 良庄煤矿8 4 0 4 巷道 姚桥煤矿 7 0 0 3 工作面 新集三矿 ．3 4 0 m 水平集中巷 龙口柳海矿 徐州旗山矿 张小楼井1 0 1 0 m 胶带大 巷二联巷 巷道埋深8 1 0 ～8 1 7 m ，最人底臌量达7 0 0 r a m ，为直J i j ；半网拱形5 ．4 x 4 ．6 m 底 板泥岩的粘十矿物成分含量高达5 0 ．7 ％r - 5 1 ．7 ％，且矿物成分主要为伊，蒙混 层、伊利蕊、高岭杠。j e 中，膨胀性及吸水性较强的伊，蒙混层含量5 2 ％“％， 底板岩石具有较强的膨胀性和吸水性。巷道处于水叩应力为主的地应场中， 最火水j F 主成力达到2 6 ．7 8 M P a 。属于应力型和膨胀型复合底臌。 底板岩层含粘土矿物7 5 ％- 7 8 ％，遇水膨胀泥化，属于节理化软岩。底臌表 现为直线型和弧型，底臌量达到3 0 0 ～10 0 0 m m 。 埋深6 6 0 m ，底板岩层富含泥岩、砂质泥岩，处于高地应力场中。 属于大采深矿井，因受到围岩鹾力及回采工作面动态支承压力的影响，采区 回采巷道的变形极为严重，在8 4 0 4 轨道巷中，两帮相对移近量达12 0 0 m m 底臌量达到9 0 0 m m 直接底为㈣．9 5 m 厚的泥岩，老底为3 ．3 巧．4 m 厚砂质泥岩，巷道埋深 6 4 0 m - 7 5 0 m 断面为矩形高2 ．7 m 宽4 ．6 m 底臌量达到5 8 2 m m 。。 巷道受地质构造影响，底臌十分严重，断面采用半圆拱形，净宽3 ．4 m 。净 高3 ．0 m ，巷道底臌速度在1 ．2 4 ．0 m m ／d 左右。巷道掘进不到两个月，巷道 宽度由原来3 ．4 m 缩小为1 ．8 m 。 该矿底板岩层较软，蒙脱石含量达到9 0 ％9 6 ％，属于严重膨胀型底臌。 埋深大约为1 0 3 2 m ，属于穿层巷道，穿过中生代煤岩组、砂岩组和泥岩组， 巷道底臌十分严重。 9 7 年2 月开始施工，9 9 年3 月旌工完毕。巷道埋深1 0 2 5 m ，采用直墙圆型 断面，净宽4 ．4 m ，净高3 ．8 m ，巷道所穿过的层位有砂岩、页砂岩互层，页 岩及灰岩，并且穿过一宽缓的褶曲背斜构造带，地质条件十分复杂，巷道最 大底臌量达到2 ．5 6 m 。 3 硕十学位论文 在深井巷道中，底臌是围岩变形和破坏的主要形式之一。底膨导致巷道断面 缩小，阻碍运输和行人，妨碍通风，许多矿井不得不投入大量人力、物力做一些 临时处理工作，底臌严重的矿井，将造成整个巷道报废，严重影响了矿山的生产 和安全【2 0 】。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 巷道底臌产生的原因 为了控制巷道底臌，就必须研究底臌产生的原因【2 1 1 。国内外近来对深井巷道 围岩的物理、水理力学性质、产生巷道变形与底臌的力学机制及控制底臌的技术 措施丌展了大量的研究工作，取得了大量的理论和技术应用成果。针对底臌的机 理与防治对策，国内外开展了广泛的研究，发表了许多论著。 底板岩层的结构状态 如破碎结构、薄层结构、厚层结构等 、软弱程度及软 弱岩层的厚度直接决定着巷道底板发生底臌的大小及底臌形态。当底板处于软弱 的泥岩、页岩或断层破碎带中时，由于岩体强度低、吸水率高、裂隙发育，其自 身稳定性和承载能力较差【2 2 1 ，在地应力作用下极易产生底臌，造成底板失稳。 巷道开挖后，原有的应力平衡状态被破坏，引起围岩应力重新分布，巷道围 岩所受应力状态则是影响底板底臌的决定性因素【2 3 1 。 弄清巷道底臌产生的原因是确定底臌类型和形式的前提，也是制定控制底臌 支护方案的科学依据。 1 ．2 ．2 巷道底臌机理研究 前苏联及德国研究成果较多。底臌现象是由于底板岩体松软，其力学本质为 在两帮岩柱的压模作用下挤压底板软弱岩体臌出，即“压模效益”，并应用极限 平衡理论计算底臌岩层作用在巷道支架上的压力【2 4 1 。 1 9 世纪7 0 年代N ．布什曼则得出底板岩层最大破坏深度与巷道宽度成比例的 结论【2 5 1 。 康红普于1 9 9 0 年建立了求解底板岩层破坏范围的动态模型，提出了估算巷 道底臌量的公式，底板岩层挠曲引起的底臌量占总底臌量的6 7 ％t 2 6 】，底板岩层 弹塑性位移和扩容位移底臌分别占总底臌量的1 1 ．8 ％和1 1 ．2 ％。认为底臌的原因 在于失稳底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。 1 9 9 3 年姜耀东经过大量的现场观测和实验室研究认为，由于巷道所处的地 质条件、底板围岩性质和应力状态的差异，底臌可分为挤压流动型、挠曲褶皱型， 遇水膨胀型和剪切错动型四类【2 丌。 4 1 绪论 候朝炯、马念杰通过对回采巷道底板的受力变形分析，认为回采巷道底板位 移分为两个阶段第一阶段不受采动影响时，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动， 2 m 以下的岩层位移基本为零，即底板岩层主要发生向上的移动；第二阶段巷道 受到采动回采影响时，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板表 面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底臌，而较深部围岩出现不同程度 的下沉，离工作面越近下沉越显著【2 引。 综上所述，截至目前国内外在底臌机理研究方面取得的成果归纳起来有① 巷道开掘后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸压产生弹塑性变形并向巷道内臌 起；②巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板并下沉，使底板受水平应力作用出现 拉应变从而导致底臌；③底板岩层的流变导致底臌量随时间延长而增加；④水对 底板的作用，底板中某些粘土矿物遇水后体积膨胀，导致围岩强度降低、结构松 散，易崩解、破碎【2 9 】。 1 ．2 ．3 巷道底臌控制研究 为有效的控制底臌，国内外学者进行了大量的探索，提出了许多底臌控制技 术【3 0 1 。目前国外内专家学者普遍认为巷道底臌控制归纳起来有卸压法、加固法、 巷旁充填法和联合法【3 。 1 ．卸压法。卸压法主要通过切缝等一些方法使原来连续的变为不连续状态， 使底板岩体处于应力降低区，从而保持底板的稳定【3 2 1 。国内外使用的卸压法包括 底板切缝、两帮切缝、钻孔、松动爆破及卸压煤柱等方法。①切缝切缝包括底 板切缝和两帮切缝，使应力向围岩深部转移，使底板处于应力降低区，切缝的卸 压能力主要取决于切缝深度、宽度及形状、切缝与开巷时间间隙等；②打孔打 孔法也包括底板打孔和两帮打孔，其卸压机理与切缝相似；③松动爆破在巷道 底板或两帮进行松动爆破后，出现众多人为裂隙，使底板附近的围岩与深部岩体 脱离，使原本处于高应力区的底板岩层卸载，将应力转移到深部围岩；④卸压煤 柱在回采巷道中运用卸压煤柱可取得一定的控制底臌效果，当工作面一侧的巷 道没有卸压煤柱时，由于煤体受集中应力的作用，不仅使煤体严重向巷道内移进， 而且使底板承受过大的压力而产生底臌【3 3 1 。此时卸压煤柱的作用是传递而不是承 受压力，卸压煤柱破碎后，可将作用在其上面的应力转移到较远的煤体上，使卸 压煤柱的底板卸载，从而减少巷道的底臌量。 2 ．加固法f 3 4 1 。这是控制底臌最常用的一种方法，主要有底板注浆、底板锚杆、 封闭式支架、砌碹及混凝土反拱等。①底板注浆底板注浆主要用来加固底板破 碎岩层，浆液主要有水泥浆、聚胺脂、高水材料等，浆液渗透到岩层裂隙间，增 加了破碎岩石之间的粘聚力，在底板中形成一个强度比破碎岩层大的反拱，从而 硕 学位论文 在一定程度上阻止了下部岩层向上臌起，同时，由于加固区岩层抗变形能力增加， 故该区岩石的扩容、弯曲位移等会减少；②底板锚杆底板锚杆主要有两个作用， 一是把浅部不稳定的岩层与下面稳定岩层联结在一起，二是通过底板锚杆在巷道 底板形成组合岩梁，抑制下部岩层因扩容引起的裂隙张开及新裂隙的产生，同时， 也可限制下部岩层向上臌起，可起到一定的阻止底板向巷道内移动的作用；③封 闭式支架通过封闭式支架的底梁给底板岩层旖加的反力提高了支架的整体支护 阻力，也增加了支架控制底臌的支护阻力，改变底板岩层附近的应力状况，从而 在一定程度上抑制底板岩层扩容、弯曲及膨胀变形的产生；④混凝土反拱这种 方法适宜永久性巷道，反拱具有较高而均匀一致作用于底板上的支护阻力。加固 法虽然可以起到一定的抑制底臌的作用，但在有强烈底臌趋势的巷道中不仅材料 消耗大、支护费用高，而且并不能真J 下起到控制底臌的作用，原因在于加固法只 能被动维护底板，在高应力、松软底板的条件下，封闭式支架底梁往往无法充分 发挥其承载能力，致使向巷道内臌起，失去控制底臌的能力，在很多情况下，底 板锚杆由于在松软底板岩层中锚固基础差而锚固力不足或延伸量与底臌量不匹 配而失效，底板注浆可提高底板较浅部岩层的强度，但如果注浆达不到底板岩层 的破坏深度，则上部已加固岩层会被下部岩层顶起【3 5 】，因此，注浆控制底臌的作 用也是有限的。 加固巷道帮、角的措施有帮角注浆和帮角锚杆，其作用是①减弱巷道角部 应力集中程度，在两帮及角部形成自承能力较高的承载拱以控制两帮和底角围岩 塑性区的发展②提高巷道两帮与角部 尤其是底角 围岩的自承能力，减少两帮 的变形【3 6 】；③通过加固巷道帮、角，减少由于两帮破裂压缩下沉所造成的底臌、 体积膨胀量、顶板的破裂和离层从而减少巷道底臌和顶板下沉量。 3 ．巷旁充填法。巷旁充填法控制底臌的原理与卸压煤柱原理相似，首先把巷 道两帮一定范围内的煤采出，再填入充填材料，但充填材料的抗压强度不能超过 顶底板岩层，要求充填材料既有一定的支护阻力又有一定的让压性能，使巷帮应 力向深部转移，达到控制底臌的目的【3 7 】。 4 ．联合法。将上述方法中的两种或两种以上联合使用，进而控制底臌的产生。 1 ．3 研究内容和方法 本文在现场调研的基础上，采用理论分析，数值模拟及现场试验相结合的方 法，针对东海煤矿五采区3 2 号层回采巷道的破坏机理与规律进行了研究，主要 研究内容如下 1 ．深部巷道围岩变形破坏现象和变形机理研究 通过对东海煤矿3 2 号层回采巷道原支护破坏情况的调查，以及利用数值模 拟的方法体现出巷道发生大变形破坏的整个过程。分析了巷道变形破坏过程中受 l 绪论 力情况，从而确定出影响巷道围岩变形破坏的主要因素，为进一步提出支护对策 和优化支护参数提供科学依据。 2 ．巷道围岩应力分析 通过对巷道周边围岩应力分布的分析，确定出巷道的塑性区半径，结合巷道 破坏特征及原理提出新的支护方案，为巷道支护提供理论依据。 3 ．实验室实验测定岩体力学参数 为了确定工程岩体的力学参数，通过野外工程地质调查，选取具有代表性的 岩块，进行室内完整岩块岩石