软岩巷道联合支护设计及三维数值模拟研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 作者姓名作者姓名 张虎伟 指导教师指导教师 张向东（教授、博导） 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 岩土工程 研究方向研究方向 地下工程 分类号 TD353 学校代码 10147 UDC 622 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 软岩巷道联合支护设计及三维数值模拟研究 Combined support design and study of three-dimensional numerical simulation on soft rock tunnel 致 谢 致 谢 感谢我的导师张向东教授，在读研的 2 年半岁月里，他给予了我多次机会参与课题让 我从中学到了科学研究的方法，更重要的是培养了我刻苦求学，不断钻研的好习惯。在论 文的撰写过程中张老师给予了我许多宝贵的有建设性的意见，让我获益匪浅。在茫茫学海 中遨游，导师就是那盏明亮的灯塔，感谢张老师给我指明了前进的方向，祝您今后在学术 上更进一步，在生活上美满幸福 感谢我的同学阮剑剑在现场监测上给予的帮助，依稀记得在高家梁煤矿半年的岁月里 一起冒着严寒与危险在漆黑的井下工作的分分秒秒，我们互相的鼓励是我们坚持到底的精 神慰藉。感谢高家梁煤矿生产技术科的工作人员沈旭武、张锋、王兆锋、白武在现场给予 的帮助和提供的丰富的现场资料。 感谢我的师兄孙闯博士，在论文的的修改过程中他给我提供了很大的帮助，在读研的 学习中每当我遇到疑惑他就给我排疑解难，在做人做事中他更是给了我很多有意义的建 议。能够认识这位兄长是我研究生时代的一大幸事在这里我要感谢你对我的无私帮助祝 你今后学业有成，工作顺利 感谢土木研 09-1 的同学们，在一起读研的快乐时光是我人生最美好的回忆之一 最感谢的是我的父母，我所奋斗的动力来源于他们，父母对我的鼓励和支持让我在每 次困难面前都变得勇敢与坚强在此谨以此文献给你们 - I - 摘 要 摘 要 软岩巷道围岩松散破碎，承载力低，在工程荷载作用下，具有明显的塑性变形和强流 变性。传统单一的支护手段难以保证其安全和稳定。高家梁煤矿第一开采水平 2-2 上煤层的 巷道是典型的软岩巷道，其围岩遇水泥化，膨胀，崩解，进而造成巷道出现断面收缩、两 帮片帮，顶板离层和冒落等失稳现象。针对高家梁煤矿 2-2 上煤层 20110 综采工作面的辅运 巷道和皮带巷道的软岩问题，结合巷道具体工程地质条件及围岩物理力学特性，分别设计 出锚喷网和锚网索局部立柱式钢管混凝土支架的联合支护方案，通过在工程现场对巷道 围岩的表面位移监测对设计方案的支护效果进行了检测，其结果证明两条巷道的联合支护 方案均可以有效的控制软岩巷道的大变形。利用 FLAC3D对巷道支护前后的位移场和应力 场进行了三维数值模拟，并与现场监测进结果行了对比分析，证明了数值计算的有效性并 且分析出了联合支护对软岩巷道变形控制的力学机理。 关键词软岩巷道；联合支护；FLAC3D数值模拟；位移监测 - II - Abstract Abstract The wall rock of soft rock tunnel is very fractured and its bearing capacity is low, which will be showing the obvious plastic deation and strong rheological behaviour in engineering loads . The traditional and single supporting means will not guarantee its safety and stability. The 2-2 up coal seam roadway of GaoJialiang colliery is typical of soft rock tunnel, whose wall rock will appear mud optimization, inflation and crumbling phenomenon when meeting water, which cause roadway appeared some instability phenomena such as reduction in area, sloughing, abscission layer and collapse of the roofs and so on. This paper design a bolting-steel mesh-shotcreting combined support and a bolt-mesh-anchor concrete-filled steel tube of Pillar in local area combined support scheme combined with the engineering geological conditions and wall rock physic-mechanical characteristic to solve the soft rock problem of 20110 feedbelt tunnel and 20110 subsidirary transportation tunnel combined mining face in 2-2up coal seam respectively. The results showed that the combined supporting schemes could effectively control the large deation of the two soft rock tunnels to ensure the safe production of the colliery. FLAC3D is used to make three-dimensional numerical simulation on the displacement field and stress field of the tunnel before and after supporting, and the monitoring results is compared with the simulation results, which proving the the effectiveness of the numerical calculation and analysising the mechanical system of the combined support structure controling the deation of the soft tunnel. Key Words soft rock tunnel; comined support; FLAC3D numerical simulation; displacement monitoring - III - 目 录 目 录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1 绪论 .............................................................................................................. 1 1.1 课题的背景与意义 ................................................................................ 1 1.2 软岩巷道支护理论的国内外研究现状 .................................................. 2 1.2.1 国外研究现状 ................................................................................. 2 1.2.2 国内研究现状 ................................................................................. 3 1.3 研究内容与技术路线 ........................................................................... 4 1.3.1 研究内容 ........................................................................................ 4 1.3.2 技术路线 ........................................................................................ 6 1.4 本章小结 .............................................................................................. 6 2 井田地质概况与巷道破坏机理 ..................................................................... 7 2.1 井田地质概况 ....................................................................................... 7 2.1.1 煤矿位置、交通概况 ...................................................................... 7 2.1.2 井田地形与地貌 ............................................................................. 7 2.1.3 井田地质构造 ................................................................................. 8 2.1.4 井田水文地质 ................................................................................. 8 2.2 软岩巷道破坏机理分析 ....................................................................... 9 2.2.1 软岩的概念及分类 ......................................................................... 9 2.2.2 软岩巷道变形破坏特点及现场破坏情况调查 ................................. 11 2.2.3 软岩巷道变形力学机制及影响因素 ............................................. 12 2.2.4 2-2 上煤层巷道软岩物理力学指标 ................................................ 13 2.2.5 2-2 上煤层巷道破坏原因分析 .......................................................... 15 2.3 本章小结 ............................................................................................ 15 3 支护方案设计 ............................................................................................. 16 3.1 软岩巷道支护原则 ............................................................................. 16 - IV - 3.2 巷道断面形状选择 ........................................................................... 16 3.3 20110 辅运巷道支护方案设计 ......................................................... 19 3.3.1 方案比选 ...................................................................................... 19 3.3.2 锚喷网支护参数设计 .................................................................... 20 3.3.3 20110 辅运巷道支护工艺关键问题 ............................................... 24 3.4 20110 皮带巷道支护方案设计 ............................................................ 25 3.4.1 方案比选 ...................................................................................... 25 3.4.2 锚网索支护参数设计 .................................................................... 25 3.4.3 立柱式钢管混凝土支架设计 ......................................................... 30 3.4.4 20110 皮带巷道支护工艺关键技术 ............................................... 37 3.5 本章小结 ............................................................................................ 38 4 现场监测 ..................................................................................................... 39 4.1 监测原理和目的 ................................................................................ 39 4.2 监测仪器设备 .................................................................................... 39 4.3 监测方法 ............................................................................................ 40 4.4 监测记录及监测结果分析 ................................................................. 42 4.4.1 20110 辅运巷道监测数据及数据分析 ....................................... 42 4.4.2 20110 皮带巷道监测数据及数据分析 ........................................ 46 4.5 本章小结 ............................................................................................. 51 5 三维数值模拟 ............................................................................................. 52 5.1 20110 辅运巷道数值模拟 ................................................................... 52 5.1.1 20110 辅运巷道模型建立 .............................................................. 52 5.1.2 20110 辅运巷道地应力场分析 ....................................................... 54 5.1.3 20110 辅运巷道支护前后位移场对比 ........................................... 55 5.1.4 20110 辅运巷道支护前后应力场对比 ........................................... 58 5.2 20110 皮带巷道数值模拟 ................................................................ 61 5.2.1 20110 皮带巷道模型建立 .............................................................. 61 5.2.2 20110 皮带巷道支护前后位移场对比 ........................................... 63 - V - 5.2.3 20110 皮带巷道支护前后应力场对比 ........................................... 66 5.3 本章小结 ............................................................................................. 69 6 结论与展望 ................................................................................................. 70 6.1 结论 ................................................................................................... 70 6.2 展望 ................................................................................................... 71 参 考 文 献 ................................................................................................... 72 作 者 简 历 ................................................................................................... 75 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 76 学位论文数据集 .............................................................................................. 77 - 1 - 1 绪论 1 绪论 1.1 课题的背景与意义 1.1 课题的背景与意义 煤炭是我国的重要能源，我国煤炭每年的产量居世界第一，为我国的工业发展和居民 的正常生活提供不可或缺的源能量，是国家经济发展的生命线是社会安定和谐的基础。只 有实现高效高产的采煤才可以保证我国经济的持续腾飞。在高效高产采煤工艺的研究中， 巷道的支护技术是不可或缺的重要组成部分。如果支护方式不能够有效的保证巷道的安全 与稳定，一方面巨大的维修费用会增加煤矿的生产成本，另一方面安全事故造成的人员伤 亡影响社会的安定，都会不利于提高煤矿的经济效益。相对于普通矿井围岩的支护问题， 软岩巷道的支护问题是被国际所公认的岩石力学的研究难题。软岩巷道围岩松散破碎承载 力低，在工程荷载作用下，具有明显的塑性变形和强流变性[1]。其围岩遇水泥化、膨胀、 崩解，进而造成巷道出现断面收缩、片帮、冒顶等失稳现象，对巷道的运输，行人及通风 造成巨大的安全威胁。传统的单一支护手段在软岩巷道中经常失效，多次的返修不仅没有 解决巷道的支护问题并且加大了巷道的开拓和支护成本，大大降低了煤矿的经济效益和生 产效率[2]。 内蒙古是我国重要的煤炭生产基地，含煤面积达到 10 万 km2,目前内蒙古已查明煤炭 资源储量 7016 亿 t，居全国之首。加大对内蒙古自治区煤炭的开采力度势必成为我国未来 资源开发的重要战略。但是内蒙古地区软岩工程问题突出，煤矿的软岩巷道占巷道总量的 90，加大了巷道的支护难度，给煤矿的开拓及开采带来了不利条件。为了克服在内蒙古 地区的软岩巷道问题，解除我国煤炭资源开采战略的制约，对软岩巷道的支护方式进行研 究日益重要。随着软岩支护理论及材料科学的发展，软岩巷道的支护问题得到了一定的解 决，一方面支护理论上已经由最初的被动刚性支护转换为主动的柔性支护[3] 、[4]，另一方面 对应着支护理论的进步锚杆这种先进支护材料出现了。锚杆支护与传统的棚架式支护手段 相比具有支护效果好、支护成本低、施工工艺简单、工人劳动强度小等优点[5]，但是对于 软岩巷道单纯的采用锚杆支护不能解决其变形剧烈，难以稳定的难题。同时通过单纯的增 加锚杆的长度及采用更高强度及刚度的杆身材料也不能有效的解决问题。因此对于软岩矿 井，国内外的科学家们提出了一系列的联合支护手段[6][8]，通过发挥各支护构件独特的力 学性能并且充分将各构件的支护功能耦合起来强化支护效果，有效保持软岩巷道的稳定从 而保证煤矿的安全生产，增加煤矿的经济效益。 因此研究软岩巷道联合作用的机理，选择合理的联合支护方式是一项重大而又亟待解 决的问题。 - 2 - 1.2 软岩巷道支护理论的国内外研究现状 1.2 软岩巷道支护理论的国内外研究现状 软岩巷道的支护理论是以岩石力学，弹塑性力学，流变力学等经典力学知识为基础[9]， 同时通过现场新的支护材料、支护工艺及支护技术的反馈而不断发展与进步的，是理论知 识与工程实践相互结合相互指导的产物，所以一方面他拥有较深厚的理论底蕴，另一方面 又具有工程经验的性质。由于岩体材料的复杂性，同时又因为该理论发展起步较晚，故整 个支护理论尚未完善与成形，形成了国内外百花齐放、百家争鸣的现象。 1.2.1 国外研究现状 1.2.1 国外研究现状 可以以四个阶段来划分软岩巷道支护理论的发展历程。第一阶段是 19 世纪末到 20 世 纪初的古典压力理论阶段。这一阶段的主要观点是巷道支护结构的支护压力来源于巷道上 覆岩层的重力，其代表理论有瑞典地质学家海姆（A.Haim）提出的静水压力理论[1]；苏联 学者金尼克（A.H.Иник）基于弹性力学理论提出的水平侧压力系数概念，即支护结构 上的垂直压力等于Hγ，而水平压力则需要乘以一个侧压力系数，即Hλγ。第二阶段是 20 世纪初至 30 年代的经验散体地压理论阶段。这一阶段的主要观点是将岩体看做一种散体 材料，巷道支护结构的支护压力来源于围岩塌落拱内的破碎岩体的重力。其代表理论有苏 联学者普罗托吉雅可诺夫（M.M.Продъяконов）的自然平衡拱理论，太沙基也 提出了相近似的平衡拱理论，二者的区别仅是巷道平衡拱的形状不同，普罗托吉雅可诺夫 认为是抛物线形而太沙基认为是矩形[10][12]。第三阶段是 20 世纪 30 年代到 60 年代的经典 理论阶段。这一阶段弹性力学和塑性力学被引入巷道围岩的力学计算分析中，形成了围岩 与支护结构共同作用的理论。该理论主要分为连续介质理论及地质力学理论。连续介质理 论主要分析材料的力学性质以此判定软岩的稳定。其代表有萨文（（ Ρ.Η.С А ΒИН）用无 限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析巷道围岩应力分布问题；鲁滨湟特 （Κ.Β.Ρуппененит）运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作；地质 力学理论注重研究地层结构与力学和岩石工程稳定性的关系，其最具代表性的理论就是是 “新奥法”。该方法是奥地利工程师 L.V. 拉布采维茨（L.V.Rabcewicz）对前人的经验进 行总结提出的一套新的隧道施工方法。该方法将支护过程分为两个阶段，第一阶段利用锚 杆，金属网，喷射混凝土的支护手段在隧道断面开挖后立即进行初次支护，这些支护手段 属于柔性支护充分发挥了围岩的自承载能力。第二阶段主要通过现场变形监测确定最佳二 次支护时间后通过喷射混凝土或砌碹进行二衬对隧道进行永久支护[13]。新奥法以岩石力学 为理论基础，重视围岩与支护的共同作用，被广泛应用于地下工程的施工中，特别的在软 岩巷道的掘进支护中被广泛使用，是软岩巷道的重要支护理论之一。第四阶段 20 世纪 60 - 3 - 年代至今的软岩巷道支护理论的新进展阶段，该阶段的主要特点是多学科交叉。其代表有 樱井春辅与山地宏于 20 世纪 60 年代提出的围岩支护应变控制理论，围岩的应变与支护结 构的影响关系在该理论中进行了分析； 萨拉蒙M.D.Salamon于 20 世纪 70 年代提出了著名 的能量支护理论，在该理论中能量守恒的观点被应用在支架和围岩的关系中，围岩通过变 形所释放的能量被支护结构所吸收，以该理论为依据可对支护结构进行构造上设计使其能 够自动调整围岩释放的能量和支架吸收的能量，一方面充分调动围岩的自承载能力，另一 方面可以使支架提供足够的支护力且不被破坏[14]；20 世纪 80 年代随着计算机科学及有限 元，离散元，有限差分等数值计算学科的发展，计算机仿真模拟分析的方法逐渐成熟，特 别的是一些商业数值模拟软件如 FLAC、ADIAN、ANSYS、UDEC 等的推广，更加使该方 法在软岩巷道支护设计中等到广泛的应用[15][19]。 1.2.2 国内研究现状 1.2.2 国内研究现状 我国对软岩巷道支护理论的研究虽然在时间上晚于西方国家，但是在研究成果上却毫 不逊色甚至在一些方面处于国际领先地位。广大的岩土工程学者、力学学者、采矿工程学 者自 20 世纪 50 年代末开始一直探索着和创造出可靠性更高、实践性更强的软岩巷道支护 理论。其代表理论有以下几种。 （1）岩性转化理论 该理论由中国科学院院士陈宗基于 20 世纪 60 年代提出，该理论强调了围岩所具有的 工程性，即同一种围岩在不同的工程环境中有不同的力学性质， 岩块在实验室的测试数 据不能简单应用于工程设计，巷道的埋深、地质构造、温度、压力都会对围岩岩体的应力 应变关系造成影响。对于软岩这种非连续、强流变介质强调了应用流变力学对其进行研究 的重要性。 （2）轴变理论 该理论由北京科技大学岩石力学专家于学馥教授提出。该理论的核心概念是“巷道轴 比”。当巷道具有应力分布均匀的轴比时，其围岩变形均匀，巷道保持稳定。但是当巷道 具有应力分布不均匀的轴比时， 巷道围岩的应力就会进行重分布， 高应力下降低应力上升， 伴随着应力的变化围岩出现了大的变形甚至塌落，塌落又改变了巷道的轴比[20]。直至巷道 再次具有应力分布均匀的轴比时，塌落自行稳定。 （3）主承载区和次要承载区支护理论 该理论由北京科技大学教授方祖烈教授提出。该理论根据巷道开挖后围岩的应力状 态将围岩分为主次两个承载区。巷道表面的围岩处于张拉应力状态，围岩不稳定承载力低 故被定义为次承载区，该区域是巷道支护的主要对象。巷道深部围岩处于压缩应力状态， - 4 - 围岩稳定承载力高，具有自撑能力，被定义为主承载区。该理论指出充分发挥主承载区的 承载作用，同时通过支护结构的加固发挥次承载区的辅助承载作用并将二者协调起来才能 有效保证巷道的稳定[8] 、[21]。 （4）松动圈理论 中国矿业大学教授董方庭教授将理论与实践相结合创立了该理论[20]。该理论指出巷道 在开凿后，围岩原岩应力会发生变化，围岩应力以集中应力的方式在围岩中重新分配，围 岩从三向应力的强度降低到两向应力的强度，这两种变化使围岩发生了超过围岩极限强度 的破裂变化，这个破碎区成为松动圈[22] 、[23]。该理论将支护荷载确定为围岩松动圈产生过 程中岩石的碎胀力，并提出了松动圈的分类方法，对应着不同大小的松动圈采用不同的支 护理念和支护手段。该理论指出巷道松动圈越大支护越困难，达到 1.5m 时即为软岩支护 技术。通过超声波测试、多点位移计等技术手段该理论成功应用于工程实际，为我国软岩 巷道支护做出了巨大贡献。 （5）软岩工程力学支护理论 中国矿业大学的何满潮教授创立了该理论，在该理论中软岩工程岩体力学参数确定的 新方法被创立出来，软岩巷道非线性大变形力学设计方法被应用到了软岩巷道的支护设计 中，并利用刚柔层（RFL）和刚隙柔层（RGFL）支护技术将该理论成功应用于软岩巷道支 护的工程实际中[24][26]。 （6）联合支护理论 由冯豫、郑雨天等人提出了联合支护的理论。该理论实质上是新奥法施工的发展。最 大的改变是不局限于仅仅使用锚喷支护而是将更多的支护方式联合起来对软岩巷道进行 支护，充分发挥各支护方式的优势性能并达到互补和耦合，提高支护效果[1] 、[27]。 1.3 研究内容与技术路线 1.3 研究内容与技术路线 1.3.1 研究内容 1.3.1 研究内容 高家梁煤矿是内蒙古自治区的大型矿井。该矿井在巷道掘进施工中由于软岩问题，已 诱发巷道出现多次顶板离层、冒落以及片帮等事故给矿井生产造成了巨大的威胁严重影响 了矿井的生产效益。该煤矿的巷道由于软岩问题所造成的破坏状况如图 1.1 所示。 - 5 - 巷道顶板破碎 巷道片帮 巷道两帮大变形 图 1.1 巷道破坏状况 Fig. 1.1 Damage condition of the tunnel 本文为了解决高家梁煤矿在巷道掘进中所遇到的这一系列软岩问题，以该矿第一开采 水平 2-2 上煤层 20110 综采工作面的辅运巷道和皮带巷道为研究对象进行支护设计及工业试 验具体研究内容如下 （1）该煤矿的原支护设计应用了传统简便的支护设计方法即工程类比法对该矿的软 岩类型没有做深入详细的研究因此没有搞清楚该矿软岩的类型进而对其破坏的变形力学 机制就没有清楚的认识，因此本论文研究的首要内容是通过通过现场调查及室内实验确定 高家梁煤矿第一开采水平 2-2 上煤层顶底板岩石的软岩类型及变形破坏的力学机制。 （2）本次设计采用的支护方式是软岩巷道支护设计中应用较为广泛支护效果良好的 联合支护，联合支护设计的种类很多，因此本文针对两条巷道不同的工作类型及使用年限 的要求对断面形式和联合支护方式采用了不同的设计以使设计更具有针对性和适用性。 （3）对试验巷道进行现场表面位移监测，反馈原设计从而对原设计进行改进，实现 软岩巷道的动态支护设计和最优化设计。 （4） 利用 FLAC3D对巷道进行三维仿真模拟从而从数值计算角度对支护的效果进行评 价与检验并利用该软件分析支护结构作用的力学机理。FLAC3D采用显示差分法求解微分 方程，该方法在大变形问题上拥有巨大优势特别适合软岩这种特殊材料的模拟计算。 （5）采用约束混凝土新技术，设计立柱式钢管混凝土支架，对顶板破碎的矩形巷道 进行有效支撑。 - 6 - 1.3.2 技术路线 1.3.2 技术路线 图 1.2 技术路线图 Fig. 1.2 Technology roadmap 1.4 本章小结 1.4 本章小结 本章介绍了论文研究的背景及研究的意义，对国内外软岩巷道支护理论的研究现状 进行了综述，并提出了本文的研究内容及研究路线。 收集资料及基础数据测定 现场勘查 室内实验 破坏情况调查 地质水文条件 岩石物理指标 岩石力学指标 现场资料及实验数据整理分析判断软岩类型及破坏机理 现场围岩表面位移监测 辅运巷道支护方案设计皮带巷道支护方案设计及立 柱式钢管混凝土支架设计 FLAC3D三维数值模拟 总结成果推广应用 - 7 - 2 井田地质概况与巷道破坏机理 2 井田地质概况与巷道破坏机理 2.1 井田地质概况 2.1 井田地质概况 2.1. 1 煤矿位置、交通概况 2.1. 1 煤矿位置、交通概况 高家梁煤矿是京煤集团昊华精煤有限责任公司的一个生产矿井，位于内蒙古自治区鄂 尔多斯市伊金霍洛旗境内。该矿年生产力 600 万 t 属于大型矿井。按中国国际工程咨询公 司评估过的内蒙古自治区鄂尔多斯万利矿区总体规划可知高家梁井田面积为 87.4178km2。高家梁井田属于东胜神府煤田万利矿区，设计可采储量达到 824.6 万亿 t， 拥有丰富的煤炭资源，同时井田附近铁路、公路畅通，交通条件十分便利，极大的方便了 煤炭的运输。 2.1.2 井田地形与地貌 2.1.2 井田地形与地貌 高家梁井田位于鄂尔多斯高原东北部， 海拔高程在1380m1480m 范围。 该井田东北 高而西南低。最低点海拔为1337m，最高点海拔为1520m。地貌上井田为高原侵蚀性丘 陵地貌，低矮的山丘分布在大部分地区，地表分布有大范围的第四季沉积物同时以志丹群 为主，侏罗系中