朱仙庄矿破碎带巷道围岩稳定控制研究(1).pdf

申请人姓名 李登月 指导教师 李大伟 教授 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○一一一一年年四四月月十二十二日日 朱仙庄矿破碎带巷道围岩稳定控制研究朱仙庄矿破碎带巷道围岩稳定控制研究 硕士学位论文 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 朱仙庄矿破碎带巷道围岩稳定控制研究 Study on deation control for surrounding rock of fragmentized roadway in Zhuxianzhuang Mine 申请人姓名申请人姓名 李登月李登月 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 李大伟李大伟 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2011.04 答 辩 日 期答 辩 日 期 2011.06 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 饮其流时思其源，成吾学时念吾师，本论文是在导师李大伟教授的悉心指导 下完成的，在论文撰写过程中的各个阶段无不凝聚着尊师的智慧和汗水。在论文 完成之际，谨向我的尊师李大伟教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意。李老师学识 渊博、经验丰富、作风严谨，三年的研究生生活中，我不仅从李老师那里学到了 丰富的专业知识和专业技能，李老师宽以待人的处世态度同样令我受益匪浅。临 别之际，真诚祝愿李老师身体健康、工作顺利同时感谢师母在我读研期间给予 我学习上的鼓励和生活上的关心帮助。 论文撰写过程中得到了河南理工大学能源科学与工程学院李化敏教授、尤明 庆教授、孙玉宁教授、郜进海教授、刘少伟副教授的热心帮助与指导，在此谨向 他们表示诚挚的谢意 感谢师兄周俊帆硕士、唐杰兵硕士在论文撰写过程中热心帮助和指导，在此 向他们表示衷心的感谢同时感谢师弟朱影、付振江、马福杰、刘庆国在论文写 作期间给予的多方面的帮助和支持 感谢同届硕士研究生在本论文撰写期间的无私帮助 感谢朝夕相处的同窗室友杨岁寒、赵辉、翟玉树、蒋东杰长期以来对我生活 上的照顾 深深感谢我的父母及家人，多年来他们给予我鼓励和生活上的资助，才使我 能够顺利完成学业。感谢玉芹在背后默默的支持，使我有了学习的动力和前进的 勇气。 感谢本文所引用文献的各位著、编、译者 感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，本文作者恳求得到您的指导和 帮助。 李登月 2011 年 4 月于河南理工大学 万方数据 I 摘摘 要要 深井软岩巷道围岩控制是煤矿深部开采的技术难题之一。本文以朱仙庄矿破 碎带巷道围岩变形控制作为研究对象，通过现场调查实测，分析了该矿Ⅱ5 行人上 山工程地质特性、合理的支护阻力、巷道变形破坏模式和破坏规律，并在此基础 上探究了巷道破坏影响因素及变形破坏机理。指出原支护方式（锚网喷注普通可 缩支架）支护失败关键原因在于二次支护时，支护体工作阻力偏低，难以控制 巷道围岩的持续变形。在已有研究成果的基础上，提出应用具有特殊结构的超高 强度型钢支架来代替普通可缩支架来控制Ⅱ5 行人上山巷道围岩的设想。利用 FLAC3D数值模拟对原支护方式和预想支护方式（锚网喷注超高强度型钢支架支 护）在围岩应力分布状态、围岩变形特征及塑性区分布范围三个方面进行了对比 分析，得出改进的支护方式可有效控制Ⅱ5 行人上山巷道围岩变形的结论。为了进 一步证实理论分析和数值模拟计算的可靠性， 在Ⅱ5 行人上山破碎带巷道进行了现 场工业性试验，监测结果表明 “锚网喷注超高强度型钢支架支护”可满足该巷 道对围岩变形的要求。 实践证明，在围岩松软破碎的巷道，低强度的二次支护难以阻止围岩体流变 变形的发展。支护思想应该为第一阶段允许巷道适度让压变形,充分发挥围岩的 自承能力；第二阶段不再强调可缩让压，而是通过对围岩体提供高强度的支护阻 力，使围岩体向流变停止状态转化，促进巷道长期稳定。 本文的研究成果对破碎带软岩巷道围岩变形控制具有重要的指导意义，可为 类似地质条件下巷道支护提供借鉴，并可进一步丰富深井软岩巷道控制理论。 关键词关键词破碎带；软岩巷道；高强度支护；大刚度支护；二次支护 万方数据 万方数据 III Abstract Strata stability control on deep mine and soft rock roadway is one of the technological difficulties for deep coal mining. In this paper, with a broken soft rock roadway deation control in Zhuxianzhuang Mine for study. Through measuring by field investigation, engineering geological characteristics, suitable support resistance, roadway failure modes and failure law of No.Ⅱ5 person rise roadway are fully analyzed, and on this basis to explore influencing factors and the roadway damage deation mechanism. Pointed out that the failure of the original support with bolt/steel mesh/concrete /grouting ordinary yielding U-steel support is due to support system characteristics of lower-resistance are not well to block access to unstable rock creep stage for secondary support. Base on the research results have been advanced we proposed a new support using ultra-high strength steel supports to replace the ordinary contractible U-shaped steel supports to control the rheological properties of No.Ⅱ5 person rise roadway. Though FLAC3D numerical simulation software to analysis comparatively the stress distribution in rock and rock deation and the distribution of plastic zone three aspects between original support and desired supportbolt/steel mesh/shotcret/grouting ultra-high strength steel support, the results show that the improved support can effectively control the surrounding rock deation of No.Ⅱ5 person rise roadway. To further confirm the reliability of theoretical analysis and numerical simulation, we conducted industrial test in No.Ⅱ5 person rise roadway with broken soft rock, monitoring results show that “bolt/steel mesh/shotcret/grouting ultra-high strength steel support” can meet the requirements of the roadway. Practice shows that the roadway in the soft broken surrounding rock, low-intensity secondary support is difficult to prevent the development of deation of rock rheology. Supporting ideas should be that the first stage allows releasing pressure appropriately so that fully uses support action of the surrounding rock; the second phase no longer emphasize compression, but through providing high-strength support resistance to stop the surrounding rock creep, make the roadway stable for long time. The research results of this paper have important guiding significance on 万方数据 IV deation control of broken soft rock roadway, and can give reference to the roadway with the similar geological conditions, and further enriched the control theory on soft rock roadway. Keywordsfragmentized rock; soft-rock road; high strength support; large rigidity support；secondary support 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................................................... I 目目 录录 ...................................................................................................................................................... V 1 1 绪论绪论 ....................................................................................................................................................... 1 1.1 课题来源及选题依据 ............................................................................................................. 1 1.1.1 课题来源 ................................................................................................................................ 1 1.1.2 选题依据 ................................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................................... 2 1.2.1 软岩的概念及属性 ............................................................................................................... 2 1.2.2 软岩巷道围岩控制理论研究现状 ...................................................................................... 3 1.2.3 软岩巷道围岩控制技术研究现状 ...................................................................................... 6 1.2.4 破碎带条件下巷道围岩控制研究现状 .............................................................................. 6 1.3 朱仙庄矿破碎带巷道支护研究现存的问题 .................................................................. 7 1.4 本文主要内容 ........................................................................................................................... 8 1.5 技术路线 ..................................................................................................................................... 8 1.6 本章小结 ..................................................................................................................................... 9 2 2 朱仙庄矿Ⅱ朱仙庄矿Ⅱ5 5 行人上山工程地质特性及巷道破坏特征分析行人上山工程地质特性及巷道破坏特征分析 ........................................ 10 2.1 工程地质条件概况 ................................................................................................................ 10 2.1.1 矿井概况 .............................................................................................................................. 10 2.1.2 Ⅱ5 采区行人上山地质条件 ............................................................................................. 10 2.2 Ⅱ5 行人上山破碎带巷道支护现状及现存问题分析 .............................................. 14 2.2.1 Ⅱ5 行人上山原支护方式与围岩控制效果 .................................................................... 14 2.2.2 Ⅱ5 行人上山巷道变形特征分析 ..................................................................................... 15 2.3 Ⅱ5 行人上山原支护方式变形规律预测 ...................................................................... 19 2.4 本章小结 ................................................................................................................................... 20 3 3 朱仙庄矿Ⅱ朱仙庄矿Ⅱ5 5 行行人上山巷道支护时机及变形破坏机制分析人上山巷道支护时机及变形破坏机制分析 ........................................ 21 3.1 巷道围岩变形机理分析 ....................................................................................................... 21 3.1.1 围岩塑性区的应力和位移计算 ........................................................................................ 21 万方数据 VI 3.1.2 Ⅱ5 行人上山巷道围岩变形及支护结构分析 ................................................................ 26 3.2 围岩与支护结构相互作用机理分析 .............................................................................. 26 3.3 Ⅱ5 行人上山巷道变形主要影响因素和破坏模式及过程分析........................... 28 3.3.1 Ⅱ5 行人上山巷道变形主要影响因素分析 ..................................................................... 28 3.3.2 Ⅱ5 行人上山巷道变形破坏模式 ..................................................................................... 32 3.3.3 Ⅱ5 行人上山巷道变形破坏过程分析 ............................................................................. 33 3.3.4 Ⅱ5 行人上山巷道围岩变形量的构成 .............................................. 错误错误未定义书签。未定义书签。 3.4 Ⅱ5 行人上山支护方案改进思路 .................................................................................... 33 3.5 本章小结 .................................................................................................................................. 35 4 4 破碎带试验巷道围岩稳定控制技术（方案）数破碎带试验巷道围岩稳定控制技术（方案）数值计算值计算 ................................................ 36 4.1 概述 ............................................................................................................................................ 36 4.1.1 FLAC 3D简介 ............................................................................................ 错误 错误未定义书签。未定义书签。 4.1.2 FLAC 3D求解基本原理 ........................................................................... 错误 错误未定义书签。未定义书签。 4.1.3 FLAC 3D特点 ............................................................................................ 错误 错误未定义书签。未定义书签。 4.2 数值模拟方案的确立 .......................................................................................................... 36 4.2.1 基本设计原则...................................................................................................................... 36 4.2.2 基本假设条件...................................................................................................................... 36 4.2.3 模拟方案的确立 ................................................................................................................. 37 4.3 Ⅱ5 行人上山数值计算说明 ............................................................................................. 37 4.3.1 模型的建立 .......................................................................................................................... 37 4.3.2 力学参数确定...................................................................................................................... 38 4.4 Ⅱ5 行人上山数值计算结果分析 .................................................................................... 39 4.4.1 无支护状态下巷道的围岩应力与变形特征分析 ........................................................... 39 4.4.2 锚网喷普通 U 型钢可缩支架支护状态下巷道的围岩应力与变形特征分析 ........... 48 4.4.3 锚网喷超高强度型钢支架支护状态下巷道的围岩应力与变形特征分析 ............... 57 4.5 本章小结 .................................................................................................................................. 66 5 5 现场工业性试验现场工业性试验 ............................................................................................................................ 69 5.1 试验巷道支护设计 ............................................................................................................... 69 5.1.1 支护形式及支护参数的选取............................................................................................. 69 5.1.2 支护说明 .............................................................................................................................. 71 万方数据 VII 5.2 数据观测及分析 ..................................................................................................................... 72 5.3 经济性分析 .............................................................................................................................. 76 5.3.1 Ⅱ5 行人上山巷道两种支护方式下费用对比计算 ........................................................ 76 5.3.2 经济效益 .............................................................................................................................. 77 5.3.3 社会效益 .............................................................................................................................. 77 5.4 本章小结 ................................................................................................................................... 77 6 6 结论与展望结论与展望 ...................................................................................................................................... 79 6.1 主要结论 ................................................................................................................................... 79 6.2 研究展望 ................................................................................................................................... 80 参考文献参考文献 ................................................................................................................................................ 81 作者简历作者简历 ................................................................................................................................................ 85 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................................. 95 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题来源及选题依据 1.1.1 课题来源 本课题来源于淮北煤业集团朱仙庄矿，该矿区地质条件复杂，多断层构造， 岩体呈压碎状态，属于Ⅱ类围岩断层破碎带，围岩自稳能力极差，这些不良地质 条件导致巷道变形量大，变形持续时间长，使得岩体的破坏程度和变形破坏方式 与浅部有很大的不同，一些浅部常用的支护方式在深部实践中遇到了困难。 1.1.2 选题依据 随着社会经济的发展，对能源需求逐渐增加，同时使开采深度的不断加大。 据不完全统计 [1]，国外开采深度超过 1000m 的金属矿山已有 80 余座，其中有代表 性的当属南非，其矿井深度达到 3800m。我国一些金属矿山也陆续向深部开采阶 段过度 [2]，如铜陵狮子山铜矿开采深度已达 1100m，湘西金矿超过 850m。深部开 采工程灾害十分突出，巷道变形破坏问题已成为深部开采的重大灾害之一。 软岩问题从 20 世纪 60 年代起就作为世界性难题被提出来，煤矿软岩治理问 题一直是困扰煤矿安全建设和生产的棘手问题之一 [3]。近年来，随着开采深度不断 增加，地应力逐渐增大、巷道变形加剧、导致巷道底鼓及片帮，致使巷道支护难 度增加，严重危害巷道围岩的稳定性和巷道维护，制约深部开采，如何有效地支 护和加固巷道围岩和维护巷道围岩的稳定性是近年来国内外岩土工程界和采矿界 特别关注的重要课题 [4-5]。同时，在深部软岩中随采动或掘进的进行会出现一系列 的工程问题，致使巷道变形严重，其支护问题日趋严重，直接影响煤矿安全生产， 危及人身安全。软岩巷道支护问题成为困扰中国煤矿生产建设的重大问题之一， 因此关于软岩支护的研究得到了广泛关注 [6-7]。目前国内外众多专家学者致力于该 领域的研究并有所重大突破，但还不能满足日趋增长的软岩工程的需要，还必需 进一步的研究和探索。 针对朱仙庄矿特殊的地质条件，长期以来虽采用多种复合支护形式，效果均 不理想，巷道围岩仍得不到有效控制，在短时间内就需维修，成本居高不下，不 能满足生产要求，采用新的科学有效的支护方式尤为重要。对该矿破碎条件下巷 道围岩的变形失稳机理进行研究，对巷道支护参数进行优化设计，改善围岩的受 力状态，使围岩达到最佳支护水平，在保证巷道正常使用的同时，减少煤柱的损 失，为煤矿安全生产，提高矿井的经济效益，实现矿井的高产高效具有重要意义。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 软岩的概念及属性 1.2.1.1 软岩的概念 软岩，也称为松软岩层。从 20 世纪 60 年代到 90 年代初，关于软岩的概念在 国内外一直争论不休，产生的软岩定义多达几十种 [8]。总括起来，大体上可以分为 描述性定义、指标化定义和工程定义三类。 描述性定义软岩是指强度低、孔隙度大、胶结差、受结构面切割及风化影响 显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。 指标性定义单轴抗压强度在 0.525MPa 的一类岩石。此定义的核心是岩石 的单轴抗压强度。 地质软岩上述三种软岩定义方式都是地质软岩的范畴，以描述性定义和国际 岩石力学学会提出的指标性定义为代表。 工程软岩在工程力作用下能够产生显著塑性变形和流变特性的工程岩体。 1.2.1.2 软岩的工程特性 软岩具有两个工程特性，即软化临界荷载和软化临界深度。 对于特定矿区存在着与软化临界荷载相对应的软化临界深度， 当巷道埋深大于 某一深度时，围岩产生明显的塑性大变形、高地应力和支护困难情况；当巷道埋 深小于某一埋深时，大变形、大地压现象明显消失。这一临界深度称为岩石的软 化临界深度。 软化临界荷载和软化临界深度可相互推求转化。 实际上一般将地应力和岩石单