基于地应力实测的综放沿空掘巷锚杆支护研究.pdf

分类号TD353 分类号TD353 密 级 密 级 公 开公 开 U D C U D C 单位代码 单位代码 10424 10424 学学 位位 论论 文文 基于地应力实测的综放沿空掘巷锚杆支 护研究 基于地应力实测的综放沿空掘巷锚杆支 护研究 王 凯 王 凯 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杨杨 永永 杰杰 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 基于地应力实测的综放沿空掘巷基于地应力实测的综放沿空掘巷 锚杆支护研究锚杆支护研究 作者姓名作者姓名 王王 凯凯 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 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 指导教师指导教师 杨杨 永永 杰杰 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2012 年年 6 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2012 年年 6 月月 STUDY ON BOLT SUPPORTING IN ROADWAY DRIVING ALONG NEXT GOAF FOR FULLY-MECHANIZED CAVING FACE BASED ON IN-SITU STRESS MEASUREMENT A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Kai Supervisor Professor Yang Yongjie 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 煤炭是我国的主要能源，随着煤炭资源的不断开采和开采强度的加大，很多矿井都 由浅井转入了深井开采。深井开采大多受到高地应力的影响，巷道变形加大，支护困难， 特别是综放沿空掘巷，更容易出现变形严重、支护困难等问题，对于综放沿空掘巷进行 合理的锚杆支护设计就显得尤为重要。 地应力是巷道围岩发生变形破坏与运动的根本动力，同时也是引起矿井动力灾害的 根本原因。掌握巷道所处地应力场的分布特点及分布规律，是对巷道进行合理锚杆支护 设计的基础。本文在对某矿综放沿空掘巷进行地应力实测的基础上，对巷道进行了较系 统的锚杆支护优化设计及应用。 首先，采用应力解除法对某矿典型地点进行了地应力实测，得出该研究巷道所处区 域的最大水平主应力为 37.11MPa～38.62MPa， 最小主应力为 20.42MPa～22.19MPa， 巷道 处于高应力区范围内，且巷道主要受水平构造的影响。 在现有实测地应力值的基础上，运用 BP 神经网络的知识结合 MATLAB 工具箱对巷道 所处区域地应力分布规律进行反演， 得出 BP 网络用于煤矿地应力反演的工作能够取得较 好的精度的结论，运用训练好的网络对巷道某点地应力进行预测。 在上述研究的基础上， 采用FLAC3D对综放沿空掘巷进行了锚杆支护的初步设计方案， 根据地应力实测值及预测值建立数值模拟研究模型，对各可行支护方案进行数值模拟研 究，通过对比分析得出该掘巷的优化支护方案。 巷道表面位移和深部位移以及锚杆（索）的工作阻力的实测结果分析表明，巷道支 护方案及参数是合理可行的，能够有效的保持围岩的稳定性，满足工程需求。 关键词关键词沿空掘巷 地应力 BP 神经网络 数值模拟 矿压观测 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT Coal is the main energy recourse of our country. With the continuously mining of coal and the increasing of mining intensity, many coal mines have to adapt deep mining. Deep mining is almost influenced by high in-situ stress and appear many problems. For example, the supporting work is very difficult and surrounding rocks easily appear large deation. Especially for roadway driving along next goaf in fully-mechanized caving face, its surrounding rocks are easier to appear large deation and supporting problems. So, it is particularly important to design reasonable bolt supporting for roadway driving along next goaf in fully-mechanized caving face. In-situ stress is not only the basic motive force of leading to the failure of surrounding rocks, but also the basic reason of causing mine dynamic disasters. It is the base of reasonable design of bolt support in roadways to master the distribution characteristics and distribution law of in-situ stress in roadways. In this paper, the optimizing design of bolt support and its application in roadway driving along next goaf for fully-mechanized caving face of one mine is carried out based on the in-situ stress measurement. Firstly, with the stress-relief , the in-situ stress measurement at typical place in one mine is carried out, and the follows obtained that the maximum horizontal principal stress of regions being studied is about 37.11MPa to 38.62MPa; the minimum principal stress is about 20.42MPa to 22.19MPa. Thus, the conclusion can be drawn that the research roadway is in high stress area and it is mainly influenced by horizontal structure. Based on the measured values of in-situ stress, using BP neural network and MATLAB to inverse the distribution law of in-situ stress for area where roadway is laid in. The inversion results show that BP neural network can be used in coal mines to inverse in-situ stress and the inversion results have better precision. Then, using the trained BP neural network to forecast the in-situ stress of a certain point. According to the distribution characteristics of in-situ stress, the initial bolt supporting schemes for roadway driving along next goaf are carried out. At the basis of the values of in-situ stress, this paper builds numerical simulation models and using the established modes 山东科技大学硕士学位论文摘要 to uate the supporting effect of each feasible scheme. At last, the most reasonable supporting scheme can be obtained by comparing the simulation results. The observation results of surface displacement and deep displacement of roadway and the working resistances of bolts or anchor cable show that the initial supporting plan and the related supporting parameters which can maintain the stability of surrounding rocks efficiently and satisfy the need of project are feasible. Keywords roadway driving along next goaf; in-situ stress; BP neural network; numerical simulation; mine pressure observation 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 课题的提出及研究意义..............................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.3 主要的研究内容及技术路线......................................................................................6 2 地应力实测研究地应力实测研究............................................................................................... 8 2.1 综放沿空掘巷围岩特点简述......................................................................................8 2.2 应力解除法的测试原理及方法..................................................................................9 2.3 某矿典型地点的地应力实测....................................................................................13 2.4 本章小结....................................................................................................................21 3 基于地应力实测值的人工神经网络反演基于地应力实测值的人工神经网络反演..................................................... 22 3.1 BP神经网络理论简介................................................................................................22 3.2 初始应力场的反演分析............................................................................................25 3.3 本章小结....................................................................................................................30 4 基于地应力的综放沿空掘巷锚杆支护数值模拟研究基于地应力的综放沿空掘巷锚杆支护数值模拟研究................................. 31 4.1 巷道支护方案设计....................................................................................................31 4.2 数值模拟软件简介....................................................................................................32 4.3 数值模型的建立........................................................................................................35 4.4 数值模拟结果分析....................................................................................................38 4.5 本章小结....................................................................................................................51 5 沿空掘巷围岩稳定性控制效果实测分析沿空掘巷围岩稳定性控制效果实测分析..................................................... 52 5.1 巷道表面位移观测....................................................................................................52 5.2 巷道深部位移观测....................................................................................................55 5.3 巷道锚杆（索）受力状况监测................................................................................56 5.4 本章小结....................................................................................................................57 6 结论与展望结论与展望 ..................................................................................................... 58 6.1 主要结论....................................................................................................................58 山东科技大学硕士学位论文目录 6.2 展望............................................................................................................................59 致谢致谢 ..................................................................................................................... 60 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果............................................................................. 61 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 62 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction..1 1.1 Raising of Project and Meanings of Study1 1.2 Research Status at Home and Abroad2 1.3 Research Contents and Techniques Line6 2 In-situ Stress Measurement8 2.1 Brief Introduction of Characteristics of Surrounding Rocks 8 2.2 Principle of Stress Relieving 9 2.3 In-situ Stress Measurement at Typical Place in Roadway Driving along Next Goaf of a Mine 13 2.4 Chapter Summary.21 3 Study of In-situ Stress Based on Measurement Results Using ANN22 3.1 Brief Introduction of Theory of BP Neural Network22 3.2 The Back Analysis of In-situ Stress 25 3.3 Chapter Summary29 4 Numerical Simulation on Bolt Support in Roadway Driving along Next Goaf Based on In-situ Stress.31 4.1 Supporting Schemes Design.31 4.2 Brief Introduction of Numerical Simulation Software.32 4.3 Establishment of Numerical Simulation Mode... 35 4.4 Analysis of the Numerical Simulation Results.. 38 4.5 Chapter Summary.51 5 uation about Surrounding Rock Stability Control of Roadway Driving along Next Goaf 52 5.1 Observation of Surface Displacement of Roadway Surrounding Rock 52 5.2 Observation of Deep Displacement of Roadway Surrounding Rock 55 5.3 Observation of Anchor’s Force 56 5.4 Chapter Summary 57 6 Conclusions and Prospect58 山东科技大学硕士学位论文目录 6.1 Main Conclusions 58 6.2 Prospect 59 Thanks...60 Main Fruits during Studying....61 References62 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 煤炭是我国的主要能源，建国以来它支撑和推动着我国经济的持续快速发展，无论 是从煤炭储量还是煤炭产量，我国均在世界上占有较大的比重。随着经济的高速发展， 我国对于煤炭资源的需求量在飞速增长，这就不可避免的导致浅、中部的煤炭资源逐渐 减少并趋于枯竭，使得很多矿井都由浅井开采转入深井开采，有些矿井的开采深度甚至 已超过 1000m，例如淄博矿务局的唐口煤矿、新汶矿务局的孙村煤矿和华丰煤矿、巨野 煤田的许多矿井等。 深井开采面临的地质条件较浅中部更为复杂，情况更为特殊。例如，深井开采大多 都面临着高应力、高地温和高岩溶水压等问题，使得高地应力巷道的数量逐渐增多，巷 道的围岩应力也越来越大，在浅部表现为普通坚硬的岩石在深部就可能表现为软岩的特 征，巷道容易出现大变形、冒顶、冲击地压等，而且随着开采技术的不断发展，全煤巷 道越来越多的应用于深井开采，这无疑给巷道的支护设计带来了极大的难题，因此，对 于深部巷道的支护设计就不能照搬浅部开采巷道的支护经验和支护方法。 对于沿空掘巷，除受“三高”的影响之外，还受强烈的采掘挠动影响、上区段工作 面的初次采动压力影响和本区段工作面的二次采动压力影响，因此，沿空掘巷尤其是综 放沿空掘巷较其它巷道而言更容易出现大变形、 高地压、 难支护等非线性软岩力学特性。 例如，某综放工作面沿空顺槽的实测结果表明，在距工作面煤壁距离 120m 范围内，巷道 易发生变形，巷道断面易收缩，为保证巷道有足够的空间，就必须在此 120m 范围内设置 大密度的单体液压支柱及交接顶梁进行支护。这不但需要较大的劳动强度和浪费很大的 财力、物力，而且与工作面内的综放机械化作业极不相称。 地应力是推动巷道围岩发生变形破坏与运动的根本动力，同时也是引起矿井动力灾 害的根本原因[1]。地下工程开挖后会引起原有地应力场的重新分布，产生新的应力场， 原有地应力场的状况决定了新的应力场是否会造成危险，因此掌握工程所处应力场的分 布特点及分布规律，是对工程施工与支护安全可靠的基础。目前针对深井高地应条件下 综放沿空掘巷的锚杆支护设计基本上均采用经验法和工程类比的方法[2]，缺乏可靠的理 论依据，这无疑给矿井的安全生产和工作面的高产高效带来隐患。例如，锚网联合支护 设计的强度不够， 将造成锚网支护达不到所需的支护强度和支护要求， 巷道出现大变形、 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 冲击地压、冒顶等事故，危害矿井的安全生产[3]；锚网支护设计强度过大，将造成支护 材料的浪费，提高了支护的成本，同时还增加了工作者的劳动强度和工作时间，影响工 作面的综采机械化生产。为了科学的对巷道进行支护设计，就必须首先对巷道所处位置 的地应力进行测试，然后以实测值为基础对巷道所处地应力场进行反演分析，得出巷道 周围地应力场的分布特点及分布规律，最后以此作为巷道支护设计的基础。 目前比较成熟的地应力实测方法有应力解除法、水力压裂法、应力恢复法等，但均 存在工程量大，需要耗费大量的资金、时间等成本及大量的工人劳动量等问题，因此不 可能在工程现场进行大规模的地应力实测。 鉴于此，本文以某矿综放沿空掘巷为工程背景，拟对巷道所处位置的典型地点进行 地应力测试， 在有限测点地应力实测值的基础上， 运用 BP 神经网络反演巷道所处区域的 区域地应力场分布特点及分布规律，并在此基础上对沿空掘巷的支护方法和支护参数进 行设计与优化，确定合理的支护方式及相应的支护参数，旨在降低巷道的支护成本以及 提高矿井的综合效益，同时也为相邻巷道或相似高地应力条件下沿空掘巷的支护设计提 供参考和借鉴。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 沿空巷道研究现状沿空巷道研究现状 国外对沿空巷道支护技术的研究已有较长的历史，也取得了大量的成果，但大多都 是对巷旁支护技术的研究，对于巷内支护的研究较少。例如，德国采用硬石膏飞灰加硅 酸盐水泥， 矸石加胶结料等低水材料充填； 英国在 1979 实验并成功的应用高水材料进行 巷旁充填。国外一直采用金属支架作为巷内支护的一般方法，而采用锚杆支护作为巷内 支护方式在国外尚不多见。 我国对于沿空巷道的实验研究开始于 20 世纪 50 年代。随着综放开采技术的不断发 展，越来越多的沿空巷道被应用到煤矿的矿井生产当中，但由于当时自身的地质条件和 开采方式的差异，综放开采沿空巷道技术的应用稀少。我国的沿空巷道技术的发展历程 大致分为以下四个阶段[4] 第一阶段是在 20 世纪 50 年代， 在煤层厚度小于 1.5m 的煤层中尝试着用木棚作为巷 内支护。 第二阶段是在 20 世纪 60～70 年代，在 1.5～2.5m 厚的煤层中应用木棚、工字钢梯 形支架作为巷内支护，沿空巷道取得了一定成功，并得到了一定程度的应用。 2 山东科技大学硕士学位论文绪论 第三阶段是在 20 世纪 80～90 年代，在大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断 增大，巷内多采用型钢可缩性金属支架。90 年代初期，沿空巷道理论与技术虽有了较大 的发展，但巷内支护大多为被动支护，这就使得支护技术难以适应大断面沿空巷道的要 求。 第四阶段是从 21 世纪初至现在， 随着锚杆支护技术的不断完善和推广应用， 我国有 些学者在厚煤层综放工作面和三软煤层工作面进行了沿空巷道技术的试验研究，并取得 了初步成功[5 ～8]。例如，①侯朝炯、李学华[9]提出了综放沿空掘巷上覆岩体“大、小结构” 的观点，提出巷道锚杆与其锚固范围内的围岩能形成统一的承载结构巷道围岩“小 结构”的观点，认为巷道在“大结构”稳定的前提下， “小结构”自身的变形特征及稳定 性是决定巷道最终能否稳定的关键；②张东升教授[10, 11]通过采用相似材料模拟和计算机 数值模拟，提出锚杆（索）网的联合支护方式有利于综放煤巷的稳定。 1.2.2 锚杆支护技术研究现状简述锚杆支护技术研究现状简述 国内外巷道的支护技术总的来说经历了从木支架向刚性金属支架、 可缩性金属支架， 到锚杆支护、锚网支护，再到联合支护的发展过程[12 ～14]，其中对于高地应力巷道围岩采 用支护方式试验和应用了锚喷支护、U 型钢可缩性支架支护、注浆支护、联合支护及卸 压技术等多种支护形式。 锚杆支护方式最早是在 1912 年开始出现于煤矿巷道的顶板支护当中，并在上世纪 20 年代中期至 40 年代末得到了第一次的迅速发展和推广。从 50 年代初开始，经过近二 十多年的徘徊期后，锚杆支护技术迎来了其第二次的蓬勃发展，并且在世界各国得到了 迅速的推广和应用，从而一举成为煤矿巷道支护的主要支护形式。其中澳大利亚与美国 作为典型的代表国家，相比较其它国家而言，澳大利亚与美国在锚杆支护技术发展及应 用方面均较领先于其他国家，锚杆支护方式在美国和澳大利亚的煤矿巷道支护中所占得 比重基本接近 100。我国对于锚杆支护技术的研究与使用开始于上世纪 50 年代，在矿 山、隧道、水利等各部门均开始得到应用，其中煤矿是从 1956 年开始使用锚杆对井下巷 道进行支护，主要采用的是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆。自从国家将锚杆支护作 为软岩巷道支护的主攻方向之一列入国家“七五”和“八五”科技攻关中开始，锚杆支 护的研究及推广应用工作在许多煤矿和铁路隧道工程得到开展，锚杆支护技术开始有了 新的发展，并且锚杆支护开始进入以锚带网组合支护和锚梁网组合支护作为代表的新阶 段。经过国家“九五”期间的洗涤，锚杆支护技术进入了更为深入、更为细致的研究阶 段。 特别是从 1996 年引入澳大利亚的锚杆支护技术开始， 我国煤巷的锚杆支护技术提升 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 到一个新的阶段。直到今天，我国煤巷的锚杆支护技术已经取得了较大的进展，出现了 多种组合支护方式。 目前我国沿空巷道的主要支护方式有[1517]工字钢梯形刚性金属支架、工字钢梯形 可缩性金属支架、U 型钢可缩性金属支架、锚杆支护、锚梁网支护、锚网索联合支护等 多种支护形式。对于综放沿空巷道支护多采用高强锚杆和锚网