石壕矿副井+185m～+215m段井壁围岩变形特征及控制技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 徐仪昌 指 导 教 师 陈晓祥 学 位 类 别 工学硕士 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 二二○○一三年六月一三年六月 石壕矿副井石壕矿副井185m215m 段井壁围岩变形特征段井壁围岩变形特征 及控制技术研究及控制技术研究 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 石壕矿副井石壕矿副井185m215m 段段井壁围岩变形井壁围岩变形 特征及控制技术研究特征及控制技术研究 Study on Deation Feature and Control Technology of Surrounding Rock of 185m215m Auxiliary Shaft lining of Shihao mine 申请人姓名申请人姓名 徐仪昌徐仪昌 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 陈晓祥陈晓祥 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2013.6 答 辩 日 期答 辩 日 期 2103.6 河南理工大学 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 石壕矿副井185m215m 段井壁 围岩变形特征及控制技术研究 ，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 致致 谢谢 光阴似箭，时间飞快，三年短暂的硕士学习生涯即将结束，值此论文完成之 际，我谨以最诚挚的心情向我的导师陈晓祥副教授致以最崇高的敬意。在本文的 选题、模拟、分析到修改完善成文，每一个环节都凝结着导师的心血和智慧。感 谢陈老师三年来对我的悉心指导和鼓励，让我学会了扎实、丰富的专业知识，也 学会了严谨的学风和为人处世之道，这些都将激励我在今后的工作和做人中，严 谨求实、积极进取、奋发向上。 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养，感谢所有为我授课的所 有老师感谢矿压教研室的各位老师在论文开题、写作及预审等环节提出宝贵意 见 感谢韦四江副教授、班长李宁、张兵奇、赵磊磊、王兵、陈上元、苌延辉等 在模拟、写作时给予的帮助与指导，同时感谢师弟范增哲、刘军、付东辉、王雷 超给予的极大帮助和支持。 感谢朝夕相处的同窗室友杨志龙、许国胜及全班同学，在这三年里他们在生 活上给予了关心和帮助，是他们让我感受到了同学之间的温暖。 感谢义煤集团石壕矿生产科的张春光科长等工程技术人员在矿上测数据期间 对我的莫大帮助。 感谢我的父母、妹妹和女朋友对我一路走来的鼓励和支持，是他们的鼓励和 无私奉献使我取得今天的成果。 最后，向论文评审各位专家、教授致以深深的谢意恳请各位专家和教授对 论文多提出宝贵意见 徐仪昌 2013 年 6 月于河南理工大学 I 摘摘 要要 本文以义煤石壕煤矿副井井筒为工程背景，采用现场调研、数值模拟和井下 现场试验相结合的研究方法，系统的开展了副井井筒变形破坏原因及加固技术研 究。通过现场调研，分析了井筒变形破坏段的工程地质特征、变形破坏原因和变 形破坏特点。运用 FLAC3D 数值模拟软件，对比分析原支护和锚杆锚索联合支护 下井壁围岩的应力分布状况和位移情况，结果表明锚杆锚索联合支护能更好的控 制井壁变形。通过模拟不同锚杆支护参数条件下两岩柱侧井壁的水平位移变化， 将模拟结果进行综合对比分析，确定适合该副井的最佳锚杆支护参数。在确定最 佳锚杆支护参数的基础上，模拟不同锚索预紧力下井筒两侧岩柱体内的应力状态、 位移情况、塑性区大小以及两岩柱侧井壁位移的变化情况。研究结果表明在对 穿锚索作用下，随着锚索预紧力的增加，岩柱体的水平位移在减小，井壁加固段 的位移也在减小，岩柱体内部的垂直应力和水平应力均在增加，应力的增加量和 位移的减小量均与预紧力成非线性关系。通过将不同支护参数下的模拟结果进行 综合对比分析，最终确定适合该井筒的预注浆锚杆锚索联合支护方案，并应用于 实践，取得了良好的支护效果。 关键词关键词副井井筒；数值模拟；锚杆支护参数；对穿锚索；预紧力；应力分 布；井壁位移 III Abstract Based on the engineering background of the auxiliary shaft of Shihao mine, and with the combination of these research s such as field investigation and research ， numerical simulation and underground practices, are applied to systematically investigate the mechanism of displacement and the reinforcement techniques. By field investigation and research, the engineering geologic features of the shaft deation and failure is analyzed, and the shaft deation and failure effect factors and characteristics are also analyzed in this paper. By using FLAC3D numerical simulation software, the stress distribution and displacement of the surrounding rock of the mine shaft wall are used to compared and analyzed under the original support and bolt and anchor combined support, it shows that bolt and anchor cable combined support can well control the shaft displacement. By simulating different bolt support parameters, the horizontal displacement of the rock pillars on both sides of the shaft are observed, and after the simulation results are made a comprehensive comparison and analysis, the best suitable bolting parameters to this auxiliary shaft are determined. On the basis of determining the best bolt support parameters, and by simulating the rock stress state, the displacement and the plastic zone size inside the pillars on both sides of the shaft under different pre-tightening force of anchor rope, and simulating the changes of the displacement on two wall rock pillars side, the research results show that under the action of the strand anchor, while the pre-tightening force of anchor cable is increasing, the horizontal displacement in rock pillars would reduce, rock vertical stress and horizontal stress within the pillars would increase, and the shaft displacement after reinforcement would also decrease, but the increasing amount of the stress and the decreasing amount of the displacement show a nonlinear relationship with the pre-tightening force. Through the contrast of the rock mass stress and displacement under different supporting parameters, the optimal supporting scheme for the shaft can ultimately be determined, and after putting it into practice, good effect were achieved. Key words Auxiliary Shaft; Numerical Simulation; Bolt Support Parameters; Strand Anchor; Pre-tightening Force;Stress Distribution; Shaft lining Displacement V 目 录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 问题的提出问题的提出 ................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ........................................................................................................ 1 1.2.1 井筒发生破坏原因 ..................................................................................................................... 2 1.2.2 井筒破坏过程 ............................................................................................................................. 3 1.2.3 井筒破坏防治方法 ..................................................................................................................... 5 1.2.4 井筒破坏预测方法 ..................................................................................................................... 7 1.3 本文研究内容及技术路线本文研究内容及技术路线 ........................................................................................ 7 1.3.1 研究思路 .................................................................................................................................... 7 1.3.2 研究主要内容 ............................................................................................................................ 8 1.3.3 论文特色 .................................................................................................................................... 9 1.3.4 技术路线 .................................................................................................................................... 9 2 副井井筒变形破坏特征及塑性区理论计算副井井筒变形破坏特征及塑性区理论计算 ............................................................ 11 2.1 工程地质条件概况工程地质条件概况 .................................................................................................. 11 2.1.1 矿井概况 .................................................................................................................................. 11 2.1.2 矿井地质条件概况 ................................................................................................................... 11 2.1.3 副井井筒变形情况 ................................................................................................................... 12 2.1.4 围岩表面变形情况 ................................................................................................................... 14 2.2 围岩内部结构调查围岩内部结构调查 .................................................................................................. 16 2.3 井壁围岩破坏原因及破坏特征分析井壁围岩破坏原因及破坏特征分析 ...................................................................... 19 2.3.1 井壁围岩破坏原因 ................................................................................................................... 19 2.3.2 井壁围岩破坏特征 ................................................................................................................... 20 2.4 井筒围岩塑性区应力和范围计算井筒围岩塑性区应力和范围计算 .......................................................................... 20 2.4.1 塑性区力学计算模型的建立 ................................................................................................... 20 2.4.2 围岩塑性区应力和半径计算 ................................................................................................... 21 2.4.3 实例分析 .................................................................................................................................. 24 VI 2.5 本章小结本章小结 .................................................................................................................. 26 3 石壕矿副井井壁锚杆支护参数的确定石壕矿副井井壁锚杆支护参数的确定 ..................................................................... 27 3.1 概述概述 .......................................................................................................................... 27 3.1.1 ANSYS 简介 ............................................................................................................................. 27 3.1.2 FLAC3D 简介 ........................................................................................................................... 27 3.1.3 TECPLOT简介 ............................................................................................................................ 28 3.2 数值模拟方案的确立数值模拟方案的确立 .............................................................................................. 28 3.2.1 基本假设条件 .......................................................................................................................... 28 3.2.2 模拟支护方案参数的确定 ...................................................................................................... 29 3.3 数值模拟模型的建立数值模拟模型的建立 .............................................................................................. 29 3.3.1 边界条件及初始应力的合理确定 .......................................................................................... 30 3.3.2 岩石力学参数的确定 .............................................................................................................. 31 3.4 原支护方式下数值计算分析原支护方式下数值计算分析 .................................................................................. 32 3.4.1 原支护方式下井壁围岩应力分析 .......................................................................................... 32 3.4.2 原支护方式下井壁围岩位移分析 .......................................................................................... 35 3.5 锚杆支护参数的确定锚杆支护参数的确定 .............................................................................................. 36 3.5.1 不同锚杆间排距下数值计算结果分析 .................................................................................. 37 3.5.2 不同锚杆长度下数值计算结果分析 ...................................................................................... 39 3.5.3 不同锚杆直径下数值计算结果分析 ...................................................................................... 41 3.5.4 锚杆锚索支护下井壁围岩应力、位移分析 .......................................................................... 42 3.6 本章小结本章小结 .................................................................................................................. 46 4 不同围压下岩柱应力、变形的模拟研究不同围压下岩柱应力、变形的模拟研究 ................................................................. 49 4.1 不同预紧力下岩柱内应力场分布不同预紧力下岩柱内应力场分布 .......................................................................... 49 4.1.1 泵房侧岩柱内应力场分布规律 .............................................................................................. 49 4.1.2 绕道侧岩柱内应力场分布规律 .............................................................................................. 57 4.2 不同预紧力下岩柱位移分布规律不同预紧力下岩柱位移分布规律 .......................................................................... 61 4.2.1 泵房侧岩柱水平位移分布规律 .............................................................................................. 61 4.2.2 绕道侧岩柱水平位移分布规律 .............................................................................................. 64 4.2.3 两侧井壁水平位移分布规律 .................................................................................................. 65 4.3 不同预紧力下岩柱塑性区对比分析不同预紧力下岩柱塑性区对比分析 ...................................................................... 68 VII 4.4 本章小结本章小结 .................................................................................................................. 71 5 现场工业性试验现场工业性试验 ........................................................................................................ 73 5.1 加固材料和表面支护材料加固材料和表面支护材料 ...................................................................................... 73 5.1.1 注浆材料 .................................................................................................................................. 73 5.1.2 注浆材料配比 .......................................................................................................................... 73 5.1.3 注浆锚杆 .................................................................................................................................. 74 5.1.4 封孔材料及锚固方式 ............................................................................................................... 74 5.1.5 表面喷浆材料 .......................................................................................................................... 75 5.1.6 护表构件 .................................................................................................................................. 75 5.1.7 强力锚杆 .................................................................................................................................. 75 5.1.8 强力锚索 .................................................................................................................................. 75 5.2 井壁加固方案井壁加固方案 .......................................................................................................... 76 5.2.1 破壁扩宽 .................................................................................................................................. 76 5.2.2 井壁表面喷浆 .......................................................................................................................... 76 5.2.3 打注浆锚杆孔 .......................................................................................................................... 76 5.2.4 安装注浆锚杆 .......................................................................................................................... 77 5.2.5 水泥注浆 .................................................................................................................................. 77 5.2.6 打树脂锚杆孔 .......................................................................................................................... 80 5.2.7 安装树脂锚杆 .......................................................................................................................... 81 5.2.8 打锚索孔 ...