中空注浆锚索在软岩巷道中的支护研究.pdf

中空注浆锚索在软岩巷道 中的支护研究 作者姓名这壅入学时间2 Q 1 2 生窆旦 专业名称塞全工程研究方向塞室塑测皇随渔 指导教师王垭建职称夔援 副指导教师壶堡丝职称直缍王程短 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 至Q 曼垒生旦 至Q 量垒生鱼旦 万方数据 | | I l l lI l l l l lI l l l ll l l lllIl ll Y 2 6 7 6 8 2 1 R E S E A R C Ho NH o L L O WG R o U T I N GS U P P O R T T E C H N o L o G YI NS o F TR o C KR o A D 、M 气Y AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L o S O P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y H a n D o n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rY uS h i j i a n C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 4 万方数据 声明 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。 A F F I R 4A T I O N 硕士生签名 日 汉暂、 期加f 蛾 易、勺 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． 4 S i g n a t u r e 狠肖、 解／ D a t e 汝 ， 矽肌6 、q 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 软岩巷道支护问题已成为煤矿开采中一个常见的复杂问题。特别是随着开采强度及 深度的日益加大，越来越多的深井巷道应运而生，随即出现大量的支护困难巷道，包括 深部巷道、高地应力巷道、受强烈动压影响巷道、围岩松软破碎或极破碎巷道等。对深 部资源矿产的开采过程中的支护问题提出了严峻挑战。要确保这类巷道的安全支护问题， 选择科学合理的支护方式及参数便是重中之重。因此研究软岩巷道的合理支护技术具有 非常重要的现实意义。 本文首先采用了理论研究的方法，详细的介绍了深部软岩巷道的变性破坏机制，分 析了深部软岩巷道变性破坏特征及其影响因素，并结合煤矿实际，分析出了东滩矿的巷 道变性特征及影响因素，并对现有的支护技术进行了分析，决定采用“一次锚网喷支护， 二次锚索 锚注加固”的联合支护方式。 本文利用F L A C 一3 D 模拟软件分析松软煤层回采巷道在中空注浆锚索补强前后围岩 变形破坏情况，结果表明，采用中空注浆锚索补强支护后，对围岩稳定性控制的效果很 好。并结合东滩煤矿新老石门轨道巷的工程实践，对其松软围岩利用中空注浆锚索补强 支护进行了工业性试验，并对实测结果与模拟结果对比分析，最终围岩变形得到有效控 制，技术经济效益显著。 本文研究与实践相结合，中空注浆锚索在松软煤层回采巷道支护中的成功试验，为 松软煤层回采巷道支护和维护探索了一种新的思路和方法，具有广阔的应用前景和推广 价值。 关键词中空注浆锚索；软岩；巷道支护；锚注支护 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t A b s t r a c t T h es u p p o r to f t h es o f tr o c kr o a d w a y su n d e rh i 曲s t r e s sh a sb e c o m eac o m m o nc o m p l e x p r o b l e m ．E s p e c i a l l yw i t ht h es t r e n g t ha n dd e p t ho ft h em i n i n gi n c r e a s i n g l yi n c r e a s e ，m o r e a n dm o r er o a d w a yo fd e e pm i n ea r i s ea tt h eh i s t o r i cm o m e n t ．T h e nal o to fd i f f i c u l t i e si n s u p p o r t i n go fr o a d w a ya p p e a r e d ，i n c l u d i n gd e e pr o a d w a y , h i g hg a g s t e r sr o a d w a y , t h es t r o n g i n f l u e n c eo fd y n a m i cp r e s s u r er o a d w a y , s o f ts u r r o u n d i n gr o c kb r o k e nr o a d w a y , e t c ．T h e s e p r o b l e m sp u tf o r w a r ds e v e r ec h a l l e n g e st ot h es u p p o r to ft h ep r o c e s so fm i n i n go fm i n e r a l r e s o u r c e s ．T oe n s u r et h es a f e t yo ft h i sk i n do fr o a d w a ys u p p o r t ，s c i e n t i f i cc h o i c eo ft h e s u p p o r t i n gm e t h o da n dp a r a m e t e r so ft h er e a s o n a b l ei sm o s ti m p o r t a n t ．S ot h es t u d yo ft h e s u p p o r tt e c h n o l o g yi nd e e ps o f tf a i l u r er o a d w a yu n d e rh i g hs t r e s sh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e ． F i r s t l y , u s e dam e t h o do ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t od e s c r i b e dt h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a yd e n t a l l y ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fh i g h - s t r e s s d e e ps o f tr o c kr o a d w a y , c o m b i n e dw i t I lt h ec o a lm i n ea c t u a l l y , a n a l y z e dt h ed e g e n e r a t i o no f D o n g t a I l ’Sc o a lm i n er o a d w a yc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ．a n da n a l y z e dt h e s u p p o r to fe x i s t i n gt e c h n o l o g i e s ，d e c i d e dt oa d o p tt h ea n a l y s i sa b o u ts u p p o r ti na n c h o rn e t s p r a ya n da n c h o rc a b l ec a s t i n gs u p p o r t ． T h i st h e s i sa p p l i e sF la c 一3 Dt oa n a l y s i sd e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k b e t w e e nh o l l o wg r o u t i n gc a b l es u p p o r t i n ga n dh o l l o wg r o u t i n gc a b l ew i t h o u ts u p p o r t i n gi n s o f ts e a mg a t e w a y , T h er e s u l t si st h a tt h eb e t t e re f f e c to ff l u f f ym i n i n gr o a d w a ys t a b i l i t yb y h o l l o wg r o u t i n gc a b l e ．I n d u s t r i a lt e s to fh o l l o wg r o u t i n gc a b l er e i n f o r c i n gs u p p o r t i n gi nf l u f f y m i n i n gr o a d w a yW a si m p l e m e n t e da r o u n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c et h eD o n g t a n ’Sc o a lm i n e o fn e wa n do l dS h i m e nw i n da l l e y , A n dc o m p a r ea n da n a l y s i st h et e s tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t s ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ki sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , a n dt e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i ti Sr e m a r k a h l e T h i sp a p e rs t u d i e s 、丽t ht h ep r a c t i c eu n i f i e s ．B e c a u s et h et e s to fs o f ts e a mg a t e w a y s u p p o r th a ss u c c e s s f u l l yb yh o l l o wg r o u t i n gc a b l e ，S Oan e ws u p p o r t i n ga n dm a i n t a i n i n g 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文A b s t r a c t m e t h o df o rs o f ts e a mg a t e w a yi se x p l o r e d ，a n di th a sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dt h e v a l u eo fp r a c t i c a lp o p u l a r i z a t i o ni ne n g i n e e r i n gf i e l d s ． K e yw o r d s D e e ph i g hs t r e s s ，S o f tr o c k ，R o a d w a ys u p p o r t ，b l o t - g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n t 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的提出与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 , 2 国内外软岩巷道支护理论研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容及研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 深部软岩巷道变形破坏机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 软岩的相关概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 深部软岩巷道变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 深部软岩巷道变形破坏及形态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 深部软岩巷道围岩变形破坏影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．5 东滩矿松软煤层回采巷道破坏特征及其影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 深部软岩巷道联合支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 深部高软岩巷道支护分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 深部软岩巷道支护对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．3 深部软岩巷道综合支护技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．4 “一次锚网喷支护，二次锚索 锚注加固”联合支护技术⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 深部软岩巷道支护数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 模拟方法的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2F L A C 一3 D 应用程序简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．3 建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．4 模型参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．5 数值模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 万方数据 山东科技人学硕士学位论文目录 5 支护实践和结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．1 工程概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 中空注浆锚索支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．3 注浆锚索材料及施工设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．4 施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．5 支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 5 ．6 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 5 ．7 社会效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．】【 1 ．1T h er e s e a r c hm e a n i n go f t h et o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2C u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fr o a d w a yi n d e e ph i g hs t r e s ss o f tr o c ka th o m ea n d a b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3M e t h o da n dr o a do f t h er e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2R e s e a r c ho nf a i l u r em e c h a n i s mo fh i g h - s t r e s sd e e ps o f tr o c k r o a d w a y ⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1T h ed e f t n i t i o no f t h es o f tr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2F a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fh i i g h s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．3F a i l u r eS p e c i a t i o na n a l y s i so f h i g h s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4T h ei n f l u e n c i n gF a c t o r so f h i g h s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．5 T h e i n f l u e n c i n g F a c t o r s o f s o f tr o c kr o a d w a y i n d o n g t a n ’Sc o a l m i n e ‘1 7 2 ．6 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3R e s e a r c ho nc o m b i n e ds u p p o r to fd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - 。1 9 3 ．1A n a l y s i so fs u p p o r t i n go fh i g h - s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 S u p p o r t i n gM e a s u r e so fh i l g h - s t r e s sd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3T h eM e c h a n i s mc o m b i n e ds u p p o r to fh i g h s t r e s s d e e ps o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯2 1 3 ．4T h ea n a l y s i sa b o u tS u p p o r ti nA n c h o rN e tS p r a ya n dA n c h o rC a b l eC a s t i n g S u p p o a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4R e s e a r c ho nc o m b i n e ds u p p o r to fN u m e r i c a lS i m u l a t i o nA n a l y s i sr o a d w a y 3 0 4 ．1T h ec h o o s eo ft h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2T h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eF L A C 一3 Da p p l i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3T h eb u i l do ft h em o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．4T h ed e t e r m i n a t i o no fs i m u l a t i o np a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．5R e s u l t sa n d A n a l y s i so ft h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．6C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5T h e s u p p o r to ft h ep r a c t i c ea n dt oa n a l y s i st h er e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．1T h es u m m a r yo ft h e p r o j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2h o l l o wg r o u t i n ga n c h o rs u p p o r tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3a n c h o rg r o u t i n gm a t e r i a l sa n dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4C o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．5T h ea n a l y s i sr e t a i n i n ge f f e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．6T h ea n a l y s i se c o n o m i cB e n e f i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．7T h ea n a l y s i so fS o c i a lB e n e f i t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．8 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6C o n c l u s i o n sa n d0 u t l o o k ⋯⋯⋯i o o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1T h e m a i nc o n c l u s i O n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2 P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 T h a n k s ⋯O I O ⋯⋯D I oo o g ⋯⋯⋯⋯o i l ⋯⋯⋯o o Q ⋯⋯⋯i i o ⋯⋯I o Q ⋯⋯⋯o i l ⋯5 5 M a i nR e s e a r c hA c h i e v e m e n t sd u r i n gt h e S t u d yf o r t h eM a s t e r ’SD e g r e e ‘‘‘‘6 0 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题的提出与研究意义 煤矿是工业的“粮食”，在国民经济的发展过程中占着举足轻重的地位，据研究表明， 直到2 0 3 0 年，煤炭在我国的能源消耗总量中仍占有7 0 ％的比重，而我国又是一个煤矿 生产大国，煤炭产量高居世界首位。在我国，每年巷道掘进量约6 0 0 0 k m ，其中1 0 ％以 上的巷道为软岩巷道。在我国，全国各地都分布着含有软岩的矿井，具有巷道支护问题 的有三十多个矿区。我国东部矿井的开采深度以平均1 5 - 2 5 m ／年的速度增加，有些矿井 的开采深度甚至己达到1 0 0 0 m ，预计今后深部矿井的数目将会成倍增加I l 】。 到目前为止，关于深井定义的规定没有明确的指出来，而在中国煤矿开拓系统一书 中则把矿井分成4 个大类，其根据是煤矿的开采深度，而各分类的深度范围如表1 ．1 所 示。 表1 ．1 矿井分类嘲 T { 出l e1 ．1M i n ec l a s s i t i c a t i o n 据统计，我国，埋深大于6 0 0 m 的煤炭储量达7 3 ．1 9 ％，大部分的煤炭储量赋存在深 部，埋深大于1 0 0 0 m 的储量更是高达5 3 ．1 7 ％。按深度储量分布如表1 ．2 所示。 表1 ．2 我国煤炭资源按深度的预测储型3 1 T a b l e1 ．2T h eC h i n a sc o a lr e s o u r c e se s t i m a t e dr e s e r v e sb yd e p t h 由于浅层的煤炭资源越来越少，我国正逐步转向深部煤炭开采，而且我国多数煤矿 已进入深部开采阶段，而进入深部开采后，各种问题也随之显现，岩层压力、巷道围岩 变形量、巷道支架受损程度、矿压显现频率和巷道翻修率等现象日趋明显，这也导致那 些在地下深部的软岩巷道在开掘和支护的过程中会遇到很大的困难。巷道围岩复杂的性 质以及巷道所处的多变而复杂的环境也使得其内在的变形机理无法被现有的理论所解 释，现有的技术也更不能保证巷道围岩在使用过程中保持稳定。虽然国内外的许多研究 万方数据 些查型垫查堂堡主兰竺笙苎堕笙 人员对软岩巷道问题进行了深入的理论研究，也对这些问题用很多工程实践进行了论证 研究，并且因为这些工作获得了些许理论成果，但是高压应力软岩巷道的支护问题依然 存在很多新的问题和挑战，因此，继续对高应力软岩巷道的支护机理进行研究、支护效 果进行分析、支护成果进行实际应用具有非常重要的意义。对未来煤炭行业高效、安全 开采提供技术支持和理论保障，对世界矿山的可持续发展和我国经济的快速稳定的发展 具有重要的作用，具有一定的现实意义。 1 ．2 国内外软岩巷道支护理论研究概况 深部高应力软岩巷道的支护问题，多年来就是矿业工程的难点和重点。随着矿井开 采的不断发展，埋藏深、范围大成为了软岩巷道的显著特征，随即软岩巷道的支护问题 就变得非常明显，软岩问题的严重性将直接导致煤矿无法安全高效生产。近年来国内外 的很多研究人员从软岩的物理及力学性质入手，研究巷道变形的力学机制，寻找和探索 控制巷道变形的技术措施，进一步研究软岩巷道的支护问题，也为此做了大量的研究工 作，并且取得了一定的技术成果，有理论成果也有应用成果。 1 ．2 ．1 国外软岩巷道支护理论研究概况 2 0 世纪初出现的古典的压力理论【4 ‘5 】认为作用在上覆盖岩层的质量m 被称为支护 结构面上的压力。只是修正系数有所不同海姆认为上覆岩层的侧压力系数是个常数， 就是1 ，而朗金根据松散体理论认为系数会随着角度的改变而改变，是t a n2 4 5 。．1 f ，／2 ， 金尼克根据弹性理论的原理进行分析，认为修正系数是Ⅳ／ 1 一Ⅳ ，其中 威示岩体的泊松比，濠示岩体的内摩擦角， ，表示岩体的体积质量。 随着煤炭资源的不断开采，巷道开挖的深度也在不断的加深，渐渐地人们发现古典 压力理论与实际存在这很大的差异，而且这些差异存在于多方面，这就导致了坍落拱理 论的出现，坍落拱理论‘6 。7 】认为坍落拱的高度是由很多因素决定的，其中起主要作用的 就是地下工程的跨度以及巷道围岩的性质。不同的专家学者对塌落拱的形状也有不同的 观点，有人认为坍落拱的形状为矩形，代表人物是太沙基，有人就认为坍落拱形状是抛 物线形的，代表人物是普氏。巷道围岩具有一定的自承能力，这也是坍落拱理论提出的 观点，这都为以后的巷道支护问题做出重大贡献。 1 9 6 0 年左右奥地利土木工程师L ．V ．R a b c e w i c z 提出了一种新的隧道旌工方法，叫做 新奥法【8 J ，这种方法是根据前人的工程经验所提出的，现在这种方法已经被广泛的应用 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 到了煤矿的软岩巷道的支护中，已经被广大煤炭工作者所认可，而且取得了一定的成就， 并已成为现阶段在煤矿等地下工程软岩巷道支护过程中的主要理论之一。新奥法的理论 基础主要是两个方面是一是岩石三轴压缩应力应变特性；二是莫尔 M o h r 学说；此 外还考虑到了隧道在掘进的两种效应时空、时问。“为了能在周围的岩质为砂质介质 的围岩中开挖出隧道，并在围岩中形成一个中空筒状支承环结构的隧道设计施工方法【9 J ” 被称为新奥法，这是奥地利土木工程学会地下空间利用分会在1 9 世纪8 0 年代所提出的。 此方法对开挖软岩巷道来说仍然存在很多问题，岩石力学中的弹塑性理论就是新奥法的 理论基础，但是在实际工程中，软岩都具有流变性的特点，而具有这些特点的问题早已 超出了弹塑性理论所能解决的范围，由此可以看出新奥法还需要进一步的提高与完善。 围岩支护的应变控制理论由日本学者提出【Ⅲ。该理论观点为支护结构能的增加， 会导致允许应变的增大，但隧道围岩的应变将随之减小。所以利用增大支护构造能的方 法可以很容易地把围岩变形控制在容许的范围内。 2 0 世纪7 0 年代，萨拉蒙 M ．D ．S a l a m o n 等提出了能量支护理论【l l 】。该理论观点为 在围岩的支护过程中遵循能量守恒定律，围岩会释放一些能量，同时支护结构也会吸收 一些能量，总的能量保持不变，保持守恒。因而，主张利用支护结构的特性及能量支护 理论，来达到让支护结构自动释放多余能量的功能，通过支架实现围岩释放的能量和支 护体吸收的能量的自动调整。 随着计算机技术的日益完善，数值计算方法如有限元、有限差分、边界元、离散元 等都慢慢被用户熟悉，在此基础上出现了众多的计算软件，如A N S Y S 、A D I N A 、F L A C 、 S A P 等等，这些计算软件通过与支护理论相融合而应用在现在的地下工程中，应用效果 很好，应用范围广泛。 1 ．2 ．2 国内软岩巷道支护理论研究概况 于学馥教授等人提出了“轴变论”理论【1 2 1 认为巷道坍落可以自行稳定，而且上述 现象可以用弹性理论进行分析。围岩破坏是由于围岩所受应力超过了岩体强度极限引起 的，巷道轴比因为坍落而改变，进而导致围岩所受的应力也重新分布。应力的重分布使 围岩高应力下降，低应力上升，最终当围岩的应力分布稳定时才停止。巷道最稳定的轴 比是应力均匀分布时的轴比，达到该轴比时巷道形状所对应的形状是椭圆形。 在研究新奥法的基础上，冯豫等教授等提出了联合支护技术理论【1 3 。1 6 】，该理论可以 概括为对于巷道的支护问题，仅仅强调支护刚度是无用的，要先柔后刚，先抗后让， 万方数据 坐查型垫奎堂堡主兰垡笙茎 堡堡 柔让适度。在此观点的基础上发展了一些新的支护形式，即锚网喷、锚喷网架、锚带网 架、锚带喷架等联合支护形式。 在联合支护技术理论的发展基础上，孙均、郑雨天和朱效嘉教授等提出了锚喷．弧板 支护理论[ 1 7 ] 。对软岩巷道总是强调放压不行，当放压到一定程度时，一定要顶住，即采 用高标准、高强度钢筋混凝土弧板作为刚性支护形式顶住，坚决限制围岩向中空产生位 移是该理论的主要内容。 中国矿业大学董方庭教授提出了松动圈理论【博】，该理论认为坚硬围岩的裸体巷道 其围岩松动圈都近似于零，虽然此时巷道围岩依然存在弹塑性变形，但此时不需要支护。 巷道围岩的松动圈越大，围岩收敛变形越大，巷道支护难度就越大。在围岩松动圈发展 的过程中阻止有害变形的产生是其支护的主要目的。 软岩工程力学支护理论‘1 9 1 是由何满潮教授提出的，该理论的主要内容为创新的提 出了工程软岩的概念，总结了工程软岩的基本属性、软岩形变的力学机理和松软岩石支 护荷载的确定，并且给出了软岩非线性大变形力学设计方法等。 综合国内外软岩巷道支护的探究与实践，以及上文的论述，可将目前的主要支护理 论整理成如图1 ．1 所示。 图1 ．1 巷道支护理论 F i g u r e1 ．1T h et h e o r yo f r o a d w a ys u p p o r t 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．2 ．3 国内外较岩巷道锚索支护概述 锚索与围岩的作用机理和锚杆相似，但是相对于锚杆，锚索自身优势也很大。随着 现代支护理论的发展，国外松软煤层回采巷道锚索支护技术发展迅速，地下工程应用越 来越普遍。我国自上世纪6 0 年代引进锚