层状岩体中拱形巷道拱肩破坏机理及合理支护技术研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名 年月日 论文题目层状岩体中拱形巷道拱肩破坏机理及合理支护技术研究 专业岩土工程 硕 士 生王恩波（签名） 指导教师谷拴成（签名） 摘要 煤系地层是沉积岩形成的层状岩体， 随着我国工业的快速发展对煤炭等基础能源的 需求不断增大，在层状岩体中开挖巷道遇到的顶板控制问题越来越突出。拱形断面形式 的巷道在力学上有着明显的优点， 但是在层状岩体中开挖拱形巷道， 由于岩层性质差异， 受力不均匀，变形不协调，容易造成巷道拱肩处破坏。因此，研究层状岩体中拱形巷道 拱肩处的变形和破坏的机理， 选择合理的巷道断面形式并进行支护技术研究具有很重要 的工程应用价值。 论文分别把水平层状岩体及倾斜层状岩体中拱形巷道拱肩处的岩体简 化成悬臂梁模型，通过理论分析、数值模拟、现场工业性试验相结合的方法对层状岩体 中拱形巷道拱肩破坏机理、合理断面的选择以及支护技术做了深入的研究，主要的研究 内容及其结论如下 （1）通过层状岩体中拱形巷道顶板受力状态的分析，结合国内外关于层状岩体顶板 的研究现状，对煤巷层状岩体顶板的变形破坏特征进行了系统的归纳和总结。 （2）将拱形巷道层状岩体简化成悬臂岩梁模型来分析，通过对三层相邻岩体之间受 力状态分析，考虑岩层挠曲变形时层与层之间摩擦力的作用，迭代出了每一岩层所受上 覆岩层对其压力的大小及其传递关系。推导出层状岩体中的水平应力计算公式，对每一 岩层进行判断并求出破坏的具体位置。 通过对禾草沟矿水平层状岩体及乌兰矿倾斜层状 岩体中拱形巷道的实例计算分析，计算结果与现场实际情况相符，认为层状岩体中拱形 巷道容易在拱肩处发生垮落破坏。 （3）通过对层状岩体中拱形断面巷道以及矩形断面巷道的破坏机理分析，发现影响 层状岩体中巷道稳定性的因素除了地应力、围岩的物理力学性质、围岩结构以外，巷道 的断面形式是一个很大的影响因素。并提出了在水平层状岩体中选用平顶圆角矩形断 面、在倾斜层状岩体中选用圆角梯形断面更有利于巷道的稳定性。 （4）根据层状岩体中巷道围岩的变形破坏机理，进行了层状岩体中巷道的合理支护 技术研究。以组合梁和加固拱支护机理确定巷道的支护参数。先确定巷道围岩变形（破 坏）的范围大小、作用在锚杆杆体上的载荷大小。用锚杆成排支护组合作用时的承载能 力来确定锚杆（索）的直径、长度以及安装密度等支护参数。在进行煤矿巷道支护参数 设计时宜采用动态信息设计的方法，通过初步支护设计、巷道围岩稳定性监测、支护效 果评价、支护参数优化、巷道掘进支护的流程，提出一整套适合于层状岩体中巷道支护 参数的设计方法。 （5）本文以延安禾草沟煤矿 5回风大巷（水平层状岩体）及乌兰煤矿 5249 运输顺 槽（倾斜层状岩体）为工程实例，采用数值模拟方法验证了本文提出的层状岩体中巷道 断面的选择及支护技术的合理性。 关 键 词层状岩体拱形巷道破坏机理支护技术 研究类型应用研究 SubjectStudy on supporting technology and Failure Mechanism of arch roadway spandrel in bedded rock mass pecialtyGeotechnical Engineering NameWang Enbo（Signature） InstructorGu Shuancheng（Signature） ABSTRACT Coal measure strata is bedded rock mass that ed by sedimentary rock, with the rapid development of our industry, the demand of basic energies such as coal is increasing, roof control problem during roadway excavation at bedded rock mass. Arched section has obvious advantages in mechanics, but excavation of arch roadway in bedded rock mass, because of rock property difference, uneven loading and deation incompatibility, failure usually occurs at arch roadway spandrel. Thus, to clearly analyze deation and failure mechanism of arch roadway spandrel in bedded rock mass, to choose reasonable section in bedded rock mass, and to study supporting technology have important engineering application values. The paper separately simplified rock mass at arch roadway spandrel in horizontal and banked bedded rock mass to cantilever model,further studied deation and failure mechanism of arch roadway spandrel in bedded rock mass by combinating of theoretical analysis, numerical simulation and field test, the main conclusions were as follows 1By analyzing stress state of arch roadway roof in bedded rock mass, and combinating with current researches of bedded rock mass roof, systematically generalized and summarized deation and failure characteristics of bedded rock mass roof in coal mine roadway. 2Simplified rock mass at arch roadway spandrel in bedded rock mass to cantilever model, by analyzing stress states of three layers of adjacent rock mass, considered friction between layer and layer when flexural deflection of terrane, iterated the pressure values and their transitive relations of each terrane bore from its covering layer. The paper iterated computational ula about horizontal stress o f bedded rock mass iterated, judged each terrane and determined the specific location where failure occurred. By instances calculate analysis of horizontal bedded rock mass at HeCaogou Coal Mine and banked bedded rock mass at WuLan Coal Mine, the results were agreed with actual field conditions, concluded that caving failure is easily occurred at arch roadway spandrel in bedded rock mass. 3By analysis on failure mechanism of arched section roadway and rectangular section roadway in bedded rock mass, the paper found that except ground stress, the physical and mechanical properties of surrounding rock, surrounding rock structures are the factors which affected the stability of roadway in bedded rock mass, the section of roadway is a great factor. The paper put forward that flat rectangle section used in horizontal bedded rock mass and rounded trapezoidal cross-section used in banked bedded rock mass are in favor of stability of roadway. 4Based on deation and failure mechanism of roadway surrounding rock in bedded rock mass, the paper studied the reasonable supporting technology of roadway in bedded rock mass. Supporting parameter of bolt is determined by combination arch supporting mechanism. The length and density of bolt and supporting parameters of anchor is determined by the deation failure range of coal surround roadway, value of the load which rts on bolt supporting and the bearing capacity of anchor combined bolt. Design of dynamic ination is adopted during roadway supporting design, by preliminary support design, stability monitoring, supporting effect uation, supporting parameters optimization and the process of the roadway drivage supporting, a system of design about supporting parameters which is fit for bedded rock mass is put forward. 5Based on 5 return airway horizontal bedded rock mass at HeCaogou Coal Mine and 5249 transport trough banked bedded rock mass at WuLan Coal Mine, the paper adopted numerical simulation to test and verify the choice of roadway section in bedded rock mass and the reasonable supporting technology that put forward. Key wordsbedded rock mass;arch roadway;supporting technology; failure mechanism ThesisApplicationresearch 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义...................................................................................................................1 1.1.1 选题背景..............................................................................................................................1 1.1.2 研究意义..............................................................................................................................2 1.2 国内外关于层状岩体顶板的研究现状...................................................................................2 1.2.1 层状岩体顶板变形破坏规律的研究............................................................................2 1.2.2 层状岩体顶板支护技术的研究.....................................................................................3 1.3 本文的主要研究内容与方法.....................................................................................................5 2 层状岩体中拱形巷道拱肩破坏机理分析..............................................................................7 2.1 层状岩体的概念及拱形巷道破坏特征...................................................................................7 2.1.1 层状岩体的概念.................................................................................................................7 2.1.2 拱形巷道力学特征............................................................................................................7 2.1.3 拱形巷道破坏特征............................................................................................................8 2.2 水平层状岩体中拱形巷道围岩受力状态分析.....................................................................8 2.2.1 力学模型的建立.................................................................................................................8 2.2.2 水平层状岩体层间受力分析.......................................................................................10 2.2.3 破坏机理分析...................................................................................................................12 2.3 倾斜层状岩体中拱形巷道围岩受力状态分析..................................................................14 2.3.1 力学模型的建立..............................................................................................................14 2.3.2 倾斜层状岩体层间受力分析.......................................................................................15 2.3.3 破坏机理分析...................................................................................................................20 2.4 工程实例分析..............................................................................................................................20 2.4.1 水平层状岩体中拱形巷道拱肩破坏工程实例分析..............................................20 2.4.2 倾斜层状岩体中拱形巷道拱肩破坏工程实例分析..............................................23 2.5 层状岩体中巷道围岩稳定性影响因素分析.......................................................................26 2.6 本章小结........................................................................................................................................27 3 层状岩体中巷道断面选择与支护设计理论方法分析........................................................28 3.1 层状岩体中巷道合理的断面形式选择................................................................................28 3.1.1 层状岩体中矩形断面巷道的力学机理及变形破坏模式....................................28 3.1.2 层状岩体中拱形巷道的变形破坏模式.....................................................................29 3.1.3 层状岩体中巷道合理断面的选择..............................................................................30 3.2 层状岩体中巷道支护设计理论分析.....................................................................................33 目录 II 3.2.1 煤矿巷道锚杆支护悬吊理论.......................................................................................34 3.2.2 煤矿巷道锚杆支护组合梁理论...................................................................................35 3.2.3 锚杆支护组合拱（压缩拱）理论.............................................................................36 3.2.4 锚杆支护提高围岩强度理论.......................................................................................36 3.2.5 锚杆支护作用机理分折................................................................................................37 3.3 层状岩体中巷道支护设计方法分析.....................................................................................38 3.3.1 传统的巷道支护设计方法............................................................................................38 3.3.2 基于动态信息设计法的圆角矩形巷道支护设计方法........................................40 3.4 本章小结........................................................................................................................................40 4 层状岩体中巷道支护参数设计与数值模拟分析................................................................42 4.1 层状岩体中巷道支护参数的确定方法................................................................................42 4.1.1 喷层混凝土厚度的确定................................................................................................42 4.1.2 巷道围岩破坏区域的确定............................................................................................43 4.1.3 顶板锚杆的支护载荷确定...........................................................................................45 4.1.4 锚杆承载能力的确定....................................................................................................45 4.1.5 锚杆杆体的长度和安装间排距的确定....................................................................46 4.1.6 顶板锚索支护参数的确定............................................................................................47 4.1.7 层状岩体中巷道支护设计稳定性评价.....................................................................48 4.1.8 层状岩体中巷道信息反馈优化支护参数................................................................48 4.2 水平层状岩体中圆角矩形巷道支护参数设计..................................................................49 4.2.1 禾草沟 5 号回风大巷工程地质概况.........................................................................49 4.2.2 原有支护参数及巷道稳定性情况..............................................................................50 4.2.3 平顶圆角矩形巷道合理支护参数确定.....................................................................51 4.2.4 巷道稳定性数值模拟分析............................................................................................55 4.3 倾斜层状岩体中圆角梯形巷道支护参数设计..................................................................58 4.3.1 乌兰矿 5249 运输顺槽工程地质概况.......................................................................58 4.3.2 原有支护参数及巷道稳定性情况..............................................................................59 4.3.3 合理支护参数确定..........................................................................................................60 4.3.4 巷道稳定性数值模拟分析............................................................................................62 4.4 小结.................................................................................................................................................64 5 结论与展望............................................................................................................................65 5.1 所做主要工作及结论.................................................................................................................65 5.2 需要进一步解决的问题............................................................................................................66 致谢.......................................................................................................................................67 目录 III 参考文献...................................................................................................................................68 附录.......................................................................................................................................71 攻读硕士期间发表的论文..............................................................................................................71 攻读硕士期间参与的科研实践项目............................................................................................71 4 层状岩体中巷道支护参数设计与数值模拟分析 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国重要的基础能源和原料。长期以来，煤炭在我国一次性能源结构中占 70左右，而且在今后相当长的时期内将仍然是我国的主要消费能源[1]。煤炭的开采需 要掘进大量的巷道，每年新掘进的巷道总长度高达数千公里，80以上是煤巷或半煤岩 巷。随着开采规模和开采深度的不断加大，层状岩体顶板的数量和比例在不断的增加。 煤系地层是具有层状结构的沉积岩，自然界中的沉积岩约占陆地总面积的 67。 由 沉积岩的形成过程可知， 层状岩体最显著的特点就是具有的一组层理面或者片里面是岩 体的主要结构面。这组主要结构面一般属于物质分异面，也就是说主要结构面两边的岩 体成份不同。它具有横观的各向同性，平行于主要结构面方向的岩体成份基本相同； 具 有纵观各向异性，垂直于主要结构面方向的岩体组成成份则呈现不同岩性、不同厚度以 及不同软硬的交替现象。层状岩体的力学特征主要包括以下几个方面[2] （1）层状岩体的强度往往不是由单一岩层的强度决定的，由于岩体结构面的存在使 得岩体具有各向异性，岩体岩性垂直于结构面方向分布不均匀，整体性差。岩体中的层 理面、层间的软硬交替、裂缝和裂隙等结构面的强度、性质和数量直接决定了层状岩体 的强度。 （2）层状岩体层里面的闭合、离层、压缩、张裂以及剪切位移是层状岩体的变形及 破坏的主要表现形式，也是主要引起因素。 （3）岩体中不仅存在水平构造应力场，还存在垂直构造应力场。所以，层状岩体由 于是由主要结构面切割而成的， 不仅岩体的变形规律和强度大小具有十分明显的各向异 性， 与各向同性的均质岩体相比较， 其岩体的破坏方式以及破坏机理也有着很大的差别。 拱形巷道是煤矿巷道常见断面形式之一， 处于层状岩体中的拱形巷道由于岩层性质 差异，在掘进后受力不均匀，变形不协调，往往会发生拱肩处岩体垮落的破坏现象， 严 重制约着矿井生产的高产高效水平，也给矿井安全生产带来很大危胁。我国煤矿事故类 型当中，顶板事故非常突出。近年来的统计数据表明，巷道顶板事故次数占到全国煤矿 总事故次数的 50～55，顶板事故发生的频率高，死亡的人数多，而且顶板事故主要 发生在掘进工作面与巷道[3]。除地质因素以外，对层状岩体中拱形巷道拱肩变形破坏机 理认识不清，导致其断面选择不恰当，支护不到位、支护方式不合理是造成这类事故的 主要原因。因此我们非常有必要对层状岩体中的煤矿巷道，特别是拱形巷道拱肩变形破 西安科技大学硕士学位论文 2 坏机理进行分析，对层状岩体中合理的巷道断面形式选择以及支护技术进行研究。 1.1.2 研究意义 对于层状岩体中的拱形巷道而言，不同的岩层倾角及岩体性质，巷道围岩表现出的 力学特征也不一样， 层状岩体的这些特点以及拱形巷道的围岩力学特征也就决定了巷道 破坏模式的复杂性。虽然国内外学者对层状岩体顶板的变形破坏规律进行了研究，但这 些研究都是对矩形巷道顶板岩层中某一层为研究对象进行的分析， 针对拱形巷道拱肩处 各岩层相互之间的受力没有进行系统分析。因此，针对层状岩体