深厚表土层立井马头门围岩稳定性及控制技术研究.pdf

分类号TD321分类号TD321 密 级公 开 密 级公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 深厚表土层立井马头门 围岩稳定性及控制技术研究 深厚表土层立井马头门 围岩稳定性及控制技术研究 张 宁 张 宁 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名秦秦 忠忠 诚诚 职职 称称教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月二零一二年六月 论文题目 论文题目 深厚表土层立井马头门 围岩稳定性及控制技术研究 深厚表土层立井马头门 围岩稳定性及控制技术研究 作者姓名 张 宁 作者姓名 张 宁 入学时间 入学时间 2009年年9月 月 专业名称 采矿工程 专业名称 采矿工程 研究方向 研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师 秦 忠 诚 指导教师 秦 忠 诚 职 称 教 授 职 称 教 授 论文提交日期 论文提交日期 2012 年年 4 月 月 论文答辩日期 论文答辩日期 2012 年年 6 月 月 授予学位日期 授予学位日期 STUDY ON THE STABILITY OF SURROUNDING ROCKS AND CONTROL TECHNOLOGY ON SHAFT INGATE IN DEEP ALLUVIUM A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Ning Supervisor Professor Qin Zhongcheng College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 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。 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。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘 要 摘 要 马头门（井筒与井底车场巷道相连接的部分）是矿井的咽喉部位，因其空间断面大、 结构复杂、受力特殊等原因，造成了马头门部位及其附近井筒的破坏现象，尤其是华东 地区。该地区马头门部位和井筒破坏现象愈演愈烈，严重威胁了矿井安全生产，目前已 成为制约矿井建设速度的关键因素之一。 本文以杨营煤矿副立井马头门为研究对象，在继承现有围岩控制理论及技术的基础 上，利用理论分析、数值分析、现场观测的方法，对深厚表土层立井马头门围岩稳定性 及控制技术进行了的研究。 通过实验室测得岩样力学参数，然后利用深部岩体强度准则和 RMR 岩体地质力学 分类方法来估算岩体的强度，为理论分析、数值模拟等奠定了坚实的基础。 通过理论分析手段研究井壁的受力特征，以一个半定量的方式给出了深厚表土层某 深度处的井壁垂直应力；分析了马头门围岩应力分布及其变形特征，得到了“马头门三 角区围岩首先破坏， 应力集中系数沿远离井筒的方向先是增大， 增至最大值后逐渐减小” 的规律。 通过数值模拟计算，获得了马头门开挖过程中的应力分布规律及其围岩变形特征 开挖过程中，马头门围岩出现大面积拉应力区，井筒沉降和径向变形幅度很大，井窝的 开挖对底臌影响很大，斜巷段的顶底移近量比其它区域大；提出了井筒底角锚杆支护 井窝的锚网索喷的支护方式，通过对该方式的数值模拟分析，验证了该支护方式在深厚 表土层立井马头门支护中的有效性。 通过现场支护效果监测，获得了杨营煤矿支护结构受力变化特征和锚杆受力变化趋 势，验证了井筒底角锚杆支护井窝的锚网索喷支护方式在杨营煤矿马头门支护中的可 行性。 关键词关键词马头门；岩体力学参数评估；井筒竖向附加力；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT Ingatethe junction of shaft and bottom station is the “throat” of the shaft. Because of its large section area, complex structure and special force condition, the sections of ingate and near shaft will be destroyed, which is becoming increasingly fierce especially in the east of China. At present, this kind of problem will imperil the production of coal mine and reduce the speed of coal mine construction. The ingate of subsidiary shaft in Yangying coal mine is studied in this article. Based on the existing surrounding rock supporting theory and technology, the stability of surrounding rocks and control technology on shaft ingate in deep alluvium is studied by the s that are theoretical analysis, numerical simulation and field measurement. The mechanical parameters of rock sample is measured by experiments. The strength of rock mass is estimated by the s that are strength criterion of deep rock mass and RMR geomechanics classification, which is the base of theoretical analysis and numerical simulation. The characteristic of force condition of shaft lining is studied by theoretical analysis. The vertical stress of shaft lining at certain depth is inferred by semi-quantitative. Surrounding rock stress and distribution characteristics is studied, which is inferred that the trigonal area of ingate will be destroyed at first, along the direction away from the shaft, factor of stress concentration firstly increases, after to a maximum, decreasing gradually. Based on numerical simulation, access to the stress distribution and deation characteristics during the excavation of ingate the ingate surrounding rock appear a large area of tensile stress, shaft subsidence and its radial deation more large, the excavation of shaft pit has a great influence on floor heave, convergence between roof and floor more large in the inclined area; put forward a shaft base angle bolting shaft pit of bolting and shotcreting, through numerical simulation, show that the support is feasibility for shaft ingate in deep alluvium. Through the monitoring of supporting effect, access to the supporting structure force 山东科技大学硕士学位论文摘要 variation and the bolt force trends in Yangying coal mine, and show that shaft base angle bolting shaft pit of bolting and shotcreting is feasibility for Yangying coal mine. Keywords ingate; mechanical parameters uation of rocks; shaft vertical addition force; numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目 录 目 录 1 绪论绪论 ................................................................................................................. 1 1.1 课题的提出及意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状........................................................................................................2 1.3 主要研究内容与技术路线........................................................................................5 2 工程地质概况及围岩力学参数评估工程地质概况及围岩力学参数评估........................................................................7 2.1 井田概况....................................................................................................................7 2.2 井田地质特征............................................................................................................8 2.3 水文地质条件..........................................................................................................10 2.4 围岩力学参数的评估..............................................................................................11 2.5 本章小结..................................................................................................................19 3 马头门硐室围岩力学特性分析马头门硐室围岩力学特性分析................................................................... 20 3.1 立井井壁力学分析..................................................................................................20 3.2 马头门硐室围岩应力分布及变形特征..................................................................23 3.3 本章小结..................................................................................................................28 4 马头门硐室围岩稳定性模拟研究马头门硐室围岩稳定性模拟研究............................................................... 29 4.1 模型构建..................................................................................................................29 4.2 马头门开挖过程的数值模拟..................................................................................32 4.3 不同支护方案马头门稳定性数值模拟..................................................................40 4.4 本章小结..................................................................................................................50 5 马头门硐室支护效果监测马头门硐室支护效果监测........................................................................... 51 5.1 监测目的和内容......................................................................................................51 5.2 监测断面的选择及设备的安置..............................................................................51 5.3 监测过程及结果分析..............................................................................................53 5.4 本章小结..................................................................................................................57 I 山东科技大学硕士学位论文目录 6 结论与展望结论与展望................................................................................................... 58 6.1 主要结论..................................................................................................................58 6.2 展望..........................................................................................................................59 致谢致谢 ..................................................................................................................... 61 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 62 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..................................................................................... 66 II 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction.................................................................................................... 1 1.1 Raising of Project and Research Significent..............................................................1 1.2 Reasearch Status at Home and Abroad.......................................................................2 1.3 Main Reasearch Contents and Technical Route.........................................................5 2 Project Geological Conditions and uation of Surrounding Rock Mechanics Parameters.................................................................................. 7 2.1 Take Overview ...........................................................................................................7 2.2 Take Geological Conditions.......................................................................................8 2.3 Hydrogeological Conditions.....................................................................................10 2.4 uation of Surrounding Rock Mechanics Parameters.........................................11 2.5 Summary ..............................................................................................................19 3 Mechanics Characters Analysis of Ingate Surrounding Rock................ 20 3.1 Shaft and Shaft lining Mechanical Analysis.............................................................20 3.2 Stress distribution and Deation Characteristics of Ingate Surrounding Rock ..23 3.3 Summary ..................................................................................................................28 4 Numerical Simulation of Stability on Ingate Surrounding Rock ........ 29 4.1 Test model ................................................................................................................29 4.2 Numerical Simulation during excavation of Ingate .................................................32 4.3 Numerical Simulation on different Supporting schemes of Ingate..........................40 4.4 Summary ..................................................................................................................49 5 Supporting effect Monitoring of Ingate..................................................... 51 5.1 Monitoring purpose and Contents............................................................................51 5.2 Snap Surface Choose and Equipment Arrangment ..................................................51 5.3 Monitoring Process and Results Analysis................................................................53 5.4 Summary ..................................................................................................................57 6 Conclusions and Prospect........................................................................... 58 I 山东科技大学硕士学位论文目录 6.1 Main Conclusions.....................................................................................................58 6.2 Prospect....................................................................................................................59 Thanks................................................................................................................. 61 References........................................................................................................... 62 Publisher Papers during Working on Master Dissertation........................... 66 II 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及意义课题的提出及意义 煤炭是助推我国现代化建设的重要能源，在国民经济发展中有着不可替代的作用。 长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成中均占 2/3 以上。根据国家计委近期的 研究预测，2015 年煤炭占全国能源消费总量不会低于 55，2050 年也将不低于 50， 这表明我国以煤炭为主的能源结构在未来几十年内仍然难以改变。 随着能源需求量的增大，我国出现了一批新建矿井，这些新建矿井在建成后相继出 现了井筒以及马头门部位破坏现象，尤其是华东地区。究其原因有三点一是马头门部 位结构复杂、空间断面大，且马头门处井巷布置密集，开拓过程中会相互影响；二是马 头门部位是个三维空间结构，该处围岩受力不均衡，较大的应力集中使附近井筒及巷道 受挤压而产生变形破坏；三是该地区矿井表土层较厚，引起的竖向附加力较大，作用在 井壁及其马头门围岩附近的荷载就相对较大。马头门是矿井的咽喉，在井巷工程中一直 是建井的重点。在建井和生产期间因上述原因造成了马头门及其附近井壁破坏的现象， 给煤矿造成了巨大的经济损失，严重威胁了矿井安全生产，目前已成为制约矿井建设速 度的关键因素之一。 鲁西基地是我国已规划的十三个煤炭基地之一，在基地内正投资兴建着几个矿井。 杨营煤矿是由肥城矿业集团投资兴建的中型现代化矿井， 井田位于巨野煤田与阳谷－茌 平煤田的接合部，行政区划属山东省济宁市梁山县杨营镇境内，是已规划的鲁西基地的 一部分。矿井采用立井开拓，设主、副两个井筒，设计生产能力 0.9Mt/a，矿井服务年 限为 42.0a。主井深度 681m，副井深度 668m。井筒采用冻结法施工，主、副井冻结深 度定为 540m、588m。由于该煤矿表土层很厚，再加上施工顺序、开挖方式等人为因素， 在建井过程中，马头门部位的围岩不断受到破坏。破坏有时发生在附近井壁上，有时发 生在马头门巷道围岩上，有时候两部分都发生破坏，严重影响了矿井的建设进程。 但是，目前对马头门部位的研究，往往都是当马头门出现问题时，才加以修复的。 鉴于此，如果能掌握马头门及其附近井筒的围岩变形机理及控制技术，就可以为此类条 件下马头门的安全施工提供科学指导。因此，对深厚表土层立井马头门及其附近井筒的 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 破坏机理及控制技术进行研究对于该地区矿井建设及生产有着重要的意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 井筒破坏机理研究现状井筒破坏机理研究现状 近年来，我国立井井筒破坏现象呈现出愈演愈烈的趋势，尤其是在华东矿区。该地 区矿井在建井和生产期间都出现了不同程度的井筒破裂， 因此相关专家就此情况进行了 研究并取得了一系列的成果。 目前立井井筒破坏的原因主要有以下几个观点 （1）新构造运动是造成立井井筒破坏的主要原因[2] 相关专家通过对立井井筒集中破坏时期的新构造运动活动资料的调查和整理后认 为，立井井筒破坏发生的主要原因是新构造活动造成的地应力的变化，且黄淮地区新构 造运动产生的地应力变化与当时立井井筒破坏现象的发生具有时间上的同步性、 影响地 点的对应性、受力方向的一致性和破坏部位的相关性。 （2）立井井筒的施工方法不当、设计考虑不周全是造成立井井筒破坏的主要原因 [3-4] 一些研究人员在分析立井井筒破坏的现象后认为施工方法不当、 立井设计考虑不周 全造成了立井井筒的破坏，其主要观点为 ①双层井壁设计过程中，对于防水问题考虑不充分，导致井壁不防水； ②井筒内外壁分期施工，结合时机不到位，不可能共同承载； ③冻结法凿井混凝土的凝固硬化过程中，会在井筒的内外壁之间产生温度应力，使 井壁产生破裂； ④井筒施工质量不合格、管理松弛也是造成立井井筒破坏的原因之一。 （3）底含风化带渗流变形及渗水对井壁混凝土的腐蚀是造成立井井筒破坏的主要 原因[7-10] 此种观点认为立井井筒破坏发生的原因为以下两点 ①由于底含风化带的颗粒组成大小不一、极不均匀，在渗流过程中流水会把细小的 颗粒带走，形成机械潜蚀，而机械潜蚀的不均匀性会造成底含部位井壁周围土体变形的 不均匀，从而引起地层的顺层剪切滑移，使井壁由于受到不均匀的地压而破裂； 2 山东科技大学硕士学位论文绪论 ②底含渗流过程中，水对于混凝土及混凝土中的钢筋都具有腐蚀作用，久而久之， 立井井筒的混凝土强度降低，从而发生破坏。 （4）竖向附加力是立井井筒井壁发生破坏的主要原因[11-17] 许多学者在经过多年的研究后， 关于立井井筒破坏的发生机理已经逐渐形成了比较 统一的观点，即在井壁外表面作用有向下的竖直附加力，该竖直附加力的产生是导致表 土段立井井壁破裂的主要原因。 产生附加力的原因有以下几点 ①具有特殊地质条件的煤矿生产过程中，表土含水层的水压逐渐下降，疏水层的有 效应力逐渐增大，就会产生压缩变形，且随着疏水层的变形其上覆土层发生下沉，土层 在下沉的过程中，与井壁产生摩擦，即产生了作用在井壁外的附加力； ②对于冻结法凿井，在冻结井筒解冻阶段，由于冻土的融化、孔隙水的泄露、土层 的沉降，给井筒带来很大的竖向附加应力； ③由于不协调开采，引起地层大幅度下沉，使井壁承受巨大的附加应力。 1.2.2 马头门围岩破坏机理研究现状马头门围岩破坏机理研究现状 马头门部位在井巷中不仅仅是位置重要，而且具有特殊的三维空间结构，其巷道硐 室较多、受力状况比较复杂。对于马头门失稳破坏机理的研究，有以下几种观点 （1）马头门破坏的主要原因有两点一是马头门处井巷布置密集，开拓过程中相 互影响；另一点是马头门所处位置地应力较大，特别是水平方向地应力的作用，使井筒 及巷道受挤压而产生变形破坏[18-19]。 （2）马头门开挖后，在围岩附近将引起较大的应力集中，岩体在高应力的作用下 表现出塑性变形量的增加。塑性变形产生的位移分为两个方向一个指向马头门，另一个 指向井筒。指向马头门方向的变形位移，在遇到马头门支护结构时转化为作用于结构上 荷载；指向井筒方向的围岩变形表现为围岩对井壁的侧向力的增加，增大井筒的竖直附 加应力