唐口大埋深巷道交岔点围岩稳定性研究.pdf

硕士学位论文 唐口大埋深巷道交岔点围岩稳定性研究唐口大埋深巷道交岔点围岩稳定性研究 申请人姓名 陈湘 指导教师 陆庭侃 教授 专业名称 采矿工程 研究方向 巷道围岩压力及其控制 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○○九年十月九日二○○九年十月九日 万方数据 中图分类号中图分类号TD324 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码10460 唐口大埋深巷道交岔点围岩稳定性研究 Study on intersection Stability in Great Depth of Cover in Tang Kou Colliery 申请人姓名申请人姓名 陈湘陈湘 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 巷道围岩压力及其控制巷道围岩压力及其控制 导师导师 陆庭侃陆庭侃 职称职称 教教 授授 提 交 日 期提 交 日 期 2009.12 答 辩 日 期答 辩 日 期 2009.12 河南理工大学 万方数据 河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，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 学位论文版权使用授权书 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书。 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 万方数据 致致 谢谢 时光如水， 研究生三年转眼就要过去了。 经过三年的努力， 论文终于完成了。 在此，对所有曾经帮助过我的老师、专家、教授表示真挚的感谢 本论文是在导师陆庭侃教授的悉心指导下完成的。三年来恩师严谨的作风、 对本学科学术进展的前瞻意识以及积累并总结出的科研方法深深的影响了我， 其 必将成为我将来进一步学习深造和从事科研工作的宝贵财富。不仅如此，导师在 生活上也给予我无微不至的关怀。对此，向恩师表示衷心的感谢和深深的敬意 在河南理工大学求学的近七年期间，无论是学业，还是生活，能源学院的各 位领导和老师、采矿教研室的各位老师，以及和我一起生活、学习的同学们都给 予了莫大的关怀和无私的帮助，在此表示深深的谢意 感谢郭保华和韦四江两位老师在学习模拟软件和数值模拟试验中的无私指 导，使得试验得以顺利进行。谨向两位老师表示感谢 感谢魏锦平教授在弹性力学方面提供的技术建议 对一直关心和鼓励我的家人致以深深的感谢 衷心感谢各位专家、教授在百忙中评审论文和参加我的答辩，并衷心期待得 到更多的指导和修改建议。 谢谢大家 陈 湘 2009 年 10 月 9 号 万方数据 摘 要 I 摘摘 要要 巷道交岔点是指矿井中巷道交会或分岔处的一段巷道。 该处因受两条或多条 相交巷道的影响，围岩受力复杂。随着开采深度的增加，必然引起各种各样的工 程稳定性问题，所以研究深井条件下的巷道交岔点稳定性问题势在必行。基于实 验室实验、现场观测及数值模拟，本文对埋深-1000m 的煤矿巷道交岔点稳定性 做了较全面的模拟研究。在岩石实验方面，通过对现场围岩的取样及经过实验， 得到了细砂岩岩样的基本力学参数，如单轴抗压强度，不同围压下的三轴抗压强 度以及弹性模量等等。在现场观测方面，在巷道交岔点的顶板及两帮安装多点位 移计，以便确定1时间对巷道交岔点稳定性的影响；2主要因素，即对巷道交 岔点稳定影响最大的因素。数值模拟方面，通过 FLAC3D数值模拟程序对地质因 素，交岔点结合结构、施工方式三个因素进行大量模拟，确定上述因素对交岔点 稳定性的影响特性。地质因素方面主要研究交岔点埋深、围岩强度以及侧压系数 三个因素；交岔点结构方面主要研究“十”型、 “T”型、 “Y”型“X”和“L” 型五种交岔点形式下围岩稳定性的影响；施工方式主要研究针对“十”字型巷道 不同的开挖顺序对交岔点的影响。 通过各因素的模拟找到各因素对巷道交岔点稳 定性特性， 为深井大断面岩巷道交岔点设计、 施工和支护提供一定的参考。 同时， 大胆提出地质构造对巷道交岔点影响特性及力学解答， 为交岔点优化布置提供了 一定参考。 关键字关键字交岔点； 稳定性；唐口； 开挖； 地质构造 万方数据 摘 要 III ABSTRABSTRACTACT Roadway crossing point is the intersection of roadway or bifurcation of roadway. Due to the impact of two or more intersecting roadway, the surrounding rock force is very complexity. With the increasing of mining depth， all kinds of engineering stability problem would come forth.. So，study on stability of roadway intersection in great depth of cover is imperative question. A comprehensive investigation on the stability of coal mine roadway intersection has been conducted around 1000m below the surface based on the laboratory testing ,field monitoring and numerical simulation. In the laboratory tests, the fine sandstone samples had been collected from the field and tested to obtain the basic mechanical parameters, such as UCS, Triaxial compressive strength with various levels of confining pressures, as well as the modular of elasticity, etc. During the field monitoring, the wire extensometers were installed on the both roof and rib of the roadway intersection to determine 1 effect of time on stability of roadway intersection, and 2 the key factors, which may strongly influence the stability of roadway intersection. Combining the mechanical properties of surrounding rock mass and the deation behavior of roadway intersection, as well as the great depth of cover, mechanisms of the roadway intersection are analyzed and proposed. The underground monitoring results clearly demonstrated that the large span of opening, and great depth of cover are major factors, which influence the stability of the roadway intersection, even the surrounding rock mass is comparatively strong. In geological factors，it has been studied on effect of three factors，that is， crossing point depth, rock strength, as well as lateral pressure coefficient；In structure of intersection，it has been studied the “十“, “T“, “Y“,“X“ and “L“ five cross-type s；In construction s，it has been studied on different excavation of the “ten“ intersection；Through the simulation of factors，the features of factors has been found, which would give a prediction for design,construction and support of great depth cover. At the same time, the impaction of geological structure on roadway intersection has been pointed out, in order to provide a reference for optimizing the layout of intersection. Key words intersections； stablity； TangKou ;excavation； geological structure 万方数据 目 录 V 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................I 目目 录录 ..................................................................................................................... V 1 绪绪 论论 .................................................................................................................. 1 1.1 引言 .................................................................................................................1 1.2 国内外研究概况 ............................................................................................4 1.2.1 深部巷道交岔点破坏机理 ......................................................................................... 4 1.2.2 巷道顶板结构理论成果 ............................................................................................. 6 1.2.3 深井巷道交岔点围岩控制理论和技术现状 ............................................................. 8 1.2.4 深井巷道交岔点稳定性影响因素研究 ................................................................... 13 1.3 存在的问题 ...................................................................................................18 1.4 研究的内容和方法 .......................................................................................19 2.4 技术路线 .......................................................................................................20 2.深井巷道深井巷道交岔点现场观测交岔点现场观测 ................................................................................. 21 2.1 矿区概况 .......................................................................................................21 2.1.1 井田总体概况 ........................................................................................................... 21 2.1.2 地质特征 ................................................................................................................... 22 2.2 观测现场工程背景 .......................................................................................24 2.3 观测位置及其概况 .......................................................................................25 2.4 变形破坏机理分析 .......................................................................................28 2.5 观测方案 .......................................................................................................30 2.5.1 观测点布置 ............................................................................................................... 30 2.5.2 观测方法 ................................................................................................................... 31 2.6 观测数据结果 ...............................................................................................33 2.6.1 测点围岩变形特征 ................................................................................................... 33 2.6.2 交岔点表面变形 ....................................................................................................... 40 2.7 结果及分析 ...................................................................................................44 3.交岔点岩石强度实验交岔点岩石强度实验 ......................................................................................... 47 3.1 岩石试件加工 ...............................................................................................47 万方数据 目 录 VI 3.2 岩石试验 .......................................................................................................48 3.3 岩石实验结论 ...............................................................................................53 3.3.1 单轴试验结论 ........................................................................................................... 53 3.3.2 三轴试验结论 ........................................................................................................... 54 4 深井巷道交岔点稳定性因素数值模拟深井巷道交岔点稳定性因素数值模拟 ............................................................ 55 4.1FLAC 应用程序 .............................................................................................55 4.1.1FLAC 程序简介 ........................................................................................................ 55 4.1.2 拉格朗日元法介绍 ................................................................................................... 55 4.2 交岔点形式对巷道稳定性影响 ...................................................................57 4.2.1 模拟方案 ................................................................................................................... 57 4.2.2 模拟结果 ................................................................................................................... 58 4.3 地质因素对巷道交岔点稳定性影响 ...........................................................59 4.3.1 模拟方案 ................................................................................................................... 59 4.3.2 研究因素的确定 ....................................................................................................... 60 4.3.3 埋深对巷道交岔点稳定性的影响 ........................................................................... 60 4.3.4 岩体强度对巷道交岔点稳定性影响 ....................................................................... 68 4.3.5 侧压系数对巷道交岔点稳定性影响 ....................................................................... 79 4.4 开挖顺序对巷道交岔点稳定性影响 ...........................................................80 4.5 分析 ...............................................................................................................82 4.6 本章小结 .......................................................................................................83 5 褶曲构造对交岔点变形和破坏影响假说褶曲构造对交岔点变形和破坏影响假说 ........................................................ 85 5.1 引言 ...............................................................................................................85 5.2 褶曲构造模型假设 .......................................................................................85 5.2.1 褶曲构造模型的提出 ............................................................................................... 85 5.2.2 模型形成的基础 ....................................................................................................... 86 5.2.3 模型的力学解答 ....................................................................................................... 87 5.3 分析及结论 ...................................................................................................90 6 结论与建议结论与建议 ........................................................................................................ 93 6.1 结论 ..............................................................................................................93 6.2 建议 ..............................................................................................................94 万方数据 目 录 VII 参考文献参考文献 ................................................................................................................ 97 作者简历作者简历 .............................................................................................................. 101 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................. 103 万方数据 第 1 章 绪 论 1 1 1 绪绪 论论 1.1 引言 开采规模扩大和机械化水平的提高加速了生产矿井开采向深部发展。煤矿深 井开采是世界上大多数采煤国家目前和将来要面临的问题，人类要生产和生活， 就离不开对资源的依赖，即使目前没有进入深部开采的国家或迟或早要进入深部 开采。 由于不同产煤国家在煤层赋存自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异。 以及在深部开采中出现问题的程度不同。国际上尚无统一和公认的标准来定量划 分深井。根据各国国情，一些采煤国家的学者对深井的界定提出了一些见解和论 述。日本学者将 600m 作为深井临界点；前苏联的一部分学者[1]将采深超过 600m 的矿井归于深井，而另一部分学者把采深 800m 作为统计深井的标准。英国与波兰 学者把煤矿深部开采的起点定为 750m。原西德学者把采深 8001200m 定为深部 开采，把 1200m 以下矿井称为超深开采[2]。 我国对深井的界定有明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿 井划分为 4 类，各类的深度范围如表 1-1。 表 1-1 中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类[3] Table 1-1 The mine classification according to the depth 矿井类别 浅矿井 中深矿井 深矿井 特深矿井 采深 H/m 400 400H800 800H1200 1982 年我国煤田依据地质探测在埋探 2000m 内预测的总储量为 4492703Mt， 按深度分布如表 1-2。 表 1-2 我国煤炭资源按深度预测的储量[4] Table 1-2 Chinas coal reserves according to the depth 埋深/m 600 6001000 10001500 15002000 储量/Mt 204384 899597 1127593 1260951 比例/ 26.81 20.02 25.10 28.07 由表 1-2 可知，我国大部分的煤炭储量赋存在深部，埋深大于 600m 和 1000m 的储量分别占 73.19％和 53.17％。1980 年我国煤矿平均开采深度为 288m，1995 年为 428.83m，年平均增加 9.39m，2000 年开采深度为 500m，20 年内开采深度增 加了 212m，平均降深速度约为 10m/a，平均采深如图 1-1 所示。2000 年在国有重 万方数据 第 1 章 绪 论 2 点煤矿生产矿井中， 采深大于 700m 的有 50 处， 占总数的 8.35％， 采深已超过 800m 的矿井有 25 处，分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汉、和徐州等开采历 史较长的老矿区，特别是东部矿区。在采深超过 1000m 的矿井中，有沈阳彩屯矿 1199m，开滦赵各庄矿1160m，新波孙村矿1055m，北票冠山矿1059m和北京 门头沟矿1008m。开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿，北票台吉矿，新汉华丰矿， 长广牛头山矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近 1000m。目前，我国煤矿的 开采深度正以每年 8-12m 的速度递增，其中，东部矿井正以每 10 年 100-250m 的 速度发展， 预计在未来 20 年很多煤矿将进入到 1000m 到 1500m 的深度。 按照 中 国煤矿开拓系统一书的分类标准，我国今后总的发展趋势是浅矿井的数目将大 为减少，中深矿井的数目将明显增加，深矿井的数目将成倍增加，并且要出现更 多的特深矿井。 预计今后 1020 年内， 采深超过 700m 的矿井有可能要达到 7080 处。 0 100 200 300 400 500 600 1980199520002005 年份 /a 开采深度 /m 图 1-1 各年平均开采深度 Fig1-1 The average mining depth 因此，我国大多数煤矿已进入深井开采阶段。进入深部开采后，岩层压力大， 巷道围岩变形量显著增大、变形速度快，支架损环严重，矿压显现强烈，巷道翻 修量剧增，巷道维护变得异常困难。 徐州权台矿开采的 3 煤层厚度在 4.55m 左右，在埋深 600m 以下，长壁工作 面上分层回风平巷总卧底量能达到 3m，服务期间内由于反复卧底，部分上分层巷 道卧到下分层的底板。 长广一矿-850m 水平埋探 920m,马头门施工时采用锚喷支护，再架设 11工字 万方数据 第 1 章 绪 论 3 钢棚，一个月后浇注厚 0.60.8m 的双层钢筋混凝土碹，随着马头门变形破坏后又 加间距为 0.6m 的 24工字钢排撑和 Φ596 的钢管。 在这样的支护形式下， 马头门 仍出现边墙内移、混凝土碹体拱顶片落、墙脚压碎、排撑和钢管压弯。 巷道交岔点是指矿井中巷道交会或分岔处的一段巷道。由于巷道交岔点的开 挖，使交岔点处巷道围岩的受力状态由原始的三向应力状态转变为两向应力状态 或单向应力状态，进而使围岩性质及受力情况相应发生改变，并使巷道交岔点发 生失稳破坏的可能性剧增。 开滦钱家营矿业分公司于 1988 年投产，设计生产能力 400 万 t/a。近年来由于 受开采的影响，巷道尤其是交岔点的破坏逐年严重，其失修巷道也严重影响了运 输、通风、行人的安全。目前个别巷道已经进行了多次的套修治理，投入了大量 的人、才、物，有的重要巷道虽进行了多次的加固，但断面越来越小，无法保证 生产的需要。 窑街煤电公司海石湾矿井设计生产能力 150 万 t/a，服务年限 81 年，水平采深 725m。矿井地层构造复杂，地层以砂泥岩、泥灰岩和砂砾岩为主，层理、节理发 育，强度较低，稳定性差，普氏系数约 4～6。在 1997 年 9 月井底水仓交岔点施工 过程中遇到松软岩层及断层破碎带， 接连两次发生大面积片帮冒顶， 冒顶长 14.5m， 高 3.8m，冒顶岩石约 180m。 上述实例表明研究巷道稳定因素、变形特征和和合理布置巷道及选择支护 方式，显得非常重要。 交岔点处因受两条或多条相交巷道的影响，巷道跨度和顶板悬露面积往往很 大，加上交岔点附近巷道两侧支承压力区和顶板卸载区的相互影响，使该处围岩 受力复杂。随着深度的增加各种形式的交岔点都会不可避免地引起各种各样的工 程稳定性问题。而井下巷道交岔点形式复杂多样，巷道交岔点力学特性也随其结 构而不尽相同。国内外对深井巷道交岔点稳定性问题进行了大量的研究，逐渐形 成了一些有影响力的理论和技术，这些理论与技术解决了大量围岩支护问题，但 是由于深部开采环境的复杂性，巷道交岔点难支护的问题尚未得到根本解决，导 致在实践上盲目性大、针对性差、成功率低、浪费严重。因此，进一步研究适合 于深部巷道交岔点问题的支护理论对于煤矿安全生产具有重要意义。 万方数据 第 1 章 绪 论 4 1.2 国内外研究概况 1.2.1 深部巷道交岔点破坏机理 随着浅部资源的日益减少，我国煤矿开采深度逐渐加深，大约以每年 812m 的速度增加，东部很多矿井正以每 10 年 100250m 的速度发展。近年已有一批矿 井进入深部开采阶段，由于深部复杂的力学环境，使得巷道交岔点围岩稳定性控 制问题成为困扰煤矿安全生产和建设的主要难题之一。对地应力的研究表明，当 最大地应力大于岩石单轴抗压强度的 30％时，即可引起地下工程的断裂，当地应 力增大到单轴抗压强度的 65％时，将使地下工程结构难以支护 [5]。