巷道动载显现规律及其控制对策.pdf

分类号分类号TD353TD353密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 巷道动载显现规律及其控制对策巷道动载显现规律及其控制对策巷道动载显现规律及其控制对策 巷道动载显现规律及其控制对策 刘刘 学学 建建 申请学位级别申请学位级别工学硕士工学硕士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刘立民刘立民职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零一一零一一年六月年六月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 巷道动载显现规律及其控制对策巷道动载显现规律及其控制对策巷道动载显现规律及其控制对策 巷道动载显现规律及其控制对策 作作作 作 者者者 者 姓姓姓 姓 名名名 名 刘学建刘学建入学时间入学时间入学时间 入学时间 200200200 200 8 8 8 8 年年9 9 9 9 月月 领领领 领 域域域 域 名名名 名 称称称 称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师姓名指导教师姓名指导教师姓名 指导教师姓名 刘立民刘立民职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 THETHETHE THE DYNAMICDYNAMICDYNAMIC DYNAMIC LOADLOADLOAD LOAD APPEARANCEAPPEARANCEAPPEARANCE APPEARANCE SCIENCESCIENCESCIENCE SCIENCE ANDANDAND AND ENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING ENGINEERING CONTROLCONTROLCONTROL CONTROL TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGY TECHNOLOGY OFOFOF OF TUNNELTUNNELTUNNEL TUNNEL A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY f f f f romromrom rom ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by LiuLiuLiu Liu XuejianXuejianXuejian Xuejian SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor LiuLiuLiu Liu LiminLiminLimin Limin CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 201120112011 2011 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。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 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasteMasteMaste Maste r r r r ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学工学硕士学位论文摘要 摘摘摘 摘 要要要 要 本课题以煤矿动压对巷道破坏为背景，建立动载传播数学模型，利用双启动让压管 控制围岩初期变形及动压释放，取得如下成果 （1）围岩变形过程中储存弹性能，根据格里菲斯强度理论，当应力达到围岩的抗拉 强度时，围岩产生拉破坏，释放出储存在围岩中的弹性能。本课题基于连续介质弹性动 力学，将围岩拉破坏看做点震源的集合，在此基础上建立点震源在弹性岩体中传播力学 模型，并运用数学物理方法，对该数学模型进行求解，求出应力与位移表达式。 （2）基于有限元求解理论，利用 ANSYS/LS-DYNA 软件，建立巷道几何模型，施 加相应的约束荷载及动力荷载，对地下岩体进行显式结构动力学分析，模拟结果显示该 点震源以球面形式向外传播。 （3）对右旋等强锚杆螺纹和左旋滚丝锚杆螺纹进行螺纹对比分析，分析得出滚丝锚 杆的扭矩效率远远高于右旋等强锚杆。分析左旋无纵肋滚丝预应力锚杆支护系统、右旋 全螺纹等强锚杆，并对其锚固力进行了对比，通过实验得出左旋螺纹杆体锚固力比右旋 高。针对巷道动载，设计双启动让压管，该构件有利于控制巷道开掘初期围岩变形，同 时有利于吸收回采过程中的围岩能量释放，对冲击型巷道具有较好的控制作用。双启动 让压管进行工程应用显示，动压条件下巷道支护效果良好。 关键词关键词弹性动力学，动载显现，巷道动压，防冲锚杆，双启动让压管 山东科技大学工学硕士学位论文摘要 A A A A BSTRACTBSTRACTBSTRACT BSTRACT Basing on the background of tunnel disater，we build the spread of mathematic dynamic model and use the dual boot rock bolt to control the surrounding rock，the following summaries were concluded. （1）Atthe beginning of surrounding rock deation, when the tensile strengthis reached, the rock will produce tensile fracture, the elastic energy resilience will be released.In view of the continuation media of elastodynamics, we will regard the tensile fracture as point source and build the spread elatic energy mamathematics model in elastic rock, we use the s of mathematical physics to solve this mathematical model and get the expression of stress and displacement. 2On the basis theory of finite element，using the software of ANSYS/LS-DYNA，we build the geometrical model of tunnel,rte the constraint load and the dynamic loading onitand per explicit structural dynamics analysis for underground rock mass, the result show that the numeration is the same as analytic solutions. 3Comparing the thread of identity intensity anchor bolt androllsilk rock anchor bolt，we conclude that the efficiency ofrollsilk rock anchor bolt exceed the intensity anchor bolt.We analyselevorotatory no longitudinal ribrollsilk pre-stress anchor supporting system, dextral all- thread etc strong bolt and compare the anchorage force of two kind rock bolt, we get the result that the anchorage force oflevorotatory threaded rod body is higher than the dextral’s.Itis indicated that the dual bootletpressure pipe is good for the energy release of tunnel digging, which also is good for the absorbation of energy release of surrounding rock.We analyse the engineering use of dual boot rock bolt, the result show that supporting effect is good under the dynamic load. KeywordsKeywordsKeywords Keywords Elastodynamics，Dynamic load appearance，Roadway dynamic pressure ,Rock bolt, Dual boot rock bolt 山东科技大学硕士学位论文目录 目目目 目 录录录 录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1课题的提出及研究意义................................................ 1 1.2国内外研究现状...................................................... 1 1.3本课题主要研究内容与重点............................................ 8 1.4本章小结............................................................ 9 2 2 2 2 弹性动力学方程及其解析解弹性动力学方程及其解析解弹性动力学方程及其解析解 弹性动力学方程及其解析解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101010 10 2.1地下工程动力来源................................................... 10 2.2弹性动力学方程.....................................................11 2.3弹性动力学方程的解析解............................................. 15 2.4本章小结........................................................... 18 3 3 3 3 巷道动载数值分析巷道动载数值分析巷道动载数值分析 巷道动载数值分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191919 19 3.1有限单元法理论基础................................................. 19 3.2ANSYS/LS-DYNA 有限元软件简介.....................................19 3.3数值模拟分析....................................................... 20 3.4本章小结........................................................... 30 4 4 4 4 动载条件下防冲让压锚杆支护系统动载条件下防冲让压锚杆支护系统动载条件下防冲让压锚杆支护系统 动载条件下防冲让压锚杆支护系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313131 31 4.1锚杆螺纹对比分析................................................... 31 4.2左旋无纵肋滚丝预应力杆体........................................... 34 4.3右旋全螺纹等强锚杆杆体............................................. 36 4.4左、右旋螺纹钢锚杆锚固力对比分析................................... 38 4.5动载防冲让压锚杆支护系统........................................... 40 4.6本章小结........................................................... 44 5 5 5 5 工程应用分析工程应用分析工程应用分析 工程应用分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454545 45 5.1地质采矿条件....................................................... 45 5.2锚杆支护设计....................................................... 46 5.3锚杆拉拔实验数据分析............................................... 50 5.4巷道位移监测结果................................................... 57 5.5锚杆位移观测与分析................................................. 59 5.6本章小结........................................................... 62 6 6 6 6 主要结论与研究展望主要结论与研究展望主要结论与研究展望 主要结论与研究展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636363 63 6.1主要结论........................................................... 63 6.2研究展望........................................................... 63 致致致 致 谢谢谢 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656565 65 山东科技大学硕士学位论文目录 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 攻读硕士期间主要成果 656565 65 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676767 67 山东科技大学硕士学位论文目录 C C C C ONTENTSONTENTSONTENTS ONTENTS 1 1 1 1 InInIn In t t t t rodurodurodu rodu c c c c tiontiontion tion 1 1 1 1 1.1 the problem suggestion and the significance of research 1 1.2 The present research situation at home and abroad1 1.3 The main content and of this research paper8 1.4 Nodule 8 2 2 2 2 WaveWaveWave Wave dynamicsdynamicsdynamics dynamics equationequationequation equation andandand and itsitsits its analyticanalyticanalytic analytic solutionsolutionsolution solution 9 9 9 9 2.1 The underground powersource 9 2.2 Elastic dynamics equation10 2.2 Theanalytic solution of elastic dynamics equation14 1.5 Nodule17 3 3 3 3 T T T T hehehe he numericalnumericalnumerical numerical solutionsolutionsolution solution ofofof of dynamicdynamicdynamic dynamic loadloadload load 181818 18 3.1 The finite element and theory18 3.2 The introduction ofAnsys/Ls-dyna softwar19 3.3 The numerical simulation 29 3.4 Nodule29 4 4 4 4 BoltingBoltingBolting Bolting systemsystemsystem system combinatorialcombinatorialcombinatorial combinatorial optimizationoptimizationoptimization optimization 303030 30 4.1 Levorotatory no longitudinal rib roll silk pre-stress anchor supporting system30 4.2 Levorotatory no longitudinal rib roll silk pre-stress anchor supporting system33 4.3 Dextral all-thread intensity anchor bolt35 4.4 Left dextral rebar anchor force comparative analysis37 4.5 Suggest anchor model and configuration39 4.6 Nodule44 5 5 5 5 EngineeringEngineeringEngineering Engineering applicationapplicationapplication application analysisanalysisanalysis analysis 454545 45 5.1 Geological and mining conditions 45 5.2 Thedesign of rock bolting 45 5.3 Anchor stress monitoring50 5.4 Coal wall displacement monitoring results55 5.5 Anchor displacement observation and analysis58 5.6 Nodule 61 6 6 6 6 C C C C onclutiononclutiononclution onclution andandand and propectpropectpropect propect 626262 62 6.1 Main results62 山东科技大学硕士学位论文目录 6.2 Research prospect62 AcklnowledgementAcklnowledgementAcklnowledgement Acklnowledgement 646464 64 MainMainMain Main WorkWorkWork Work AchievementAchievementAchievement Achievement ofofof of thethethe the AuthorAuthorAuthor Author duringduringduring during WorkingWorkingWorking Working ononon on MasterMasterMaster Master PaperPaperPaper Paper 656565 65 R R R R eferenceeferenceeference eference 656565 65 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 课题的提出及研究意义 煤炭是重要的能源，也是冶金、化学工业的重要原料，被誉为工业的“粮食”。煤矿 开采过程中，煤或岩体在高应力状态下积聚有大量的弹性能，在一定条件下突然发生破 坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应，这些 现象统称为煤矿动压现象。根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式， 即冲击矿压、顶板大面积来压和煤与瓦斯突出[1]。 冲击矿压是积聚在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸 性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破 坏，支