动载锚杆在冲击地压防治中的应用研究.pdf

水利部公益性行业科研专项经费项目资助201301034 分类号 密 级 UDC 单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 动载锚杆在冲击地压防治中的应用研究 APPLICATION RESEARCH OF DYNAMIC CABLES IN THE PREVENTION AND CONTROL OF ROCK BURSTS 姓 名 李小超 指导教师 刘汉东 教授 专业名称 岩土工程 所在学院 资源与环境学院 2014 年 5 月 万方数据 万方数据 独立完成与诚信声明 本人郑重声明所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的 侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电大学或其它教育机构的学位或 证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名 保证人（导师）签名 签字日期 签字日期 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。（涉密的学位论文在解密后应遵守 此规定） 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 签字日期 万方数据 万方数据 摘要 I 动载锚杆在冲击地压防治中的应用研究 摘 要 本文首先介绍了冲击地压灾害的特点，分析了煤矿深井巷道在冲击地压作用下的 破坏特征，进一步介绍了国内外防治冲击地压灾害的综合治理措施，并在前人的研究 基础上，提出了本文的研究方法和内容。 1.根据相似理论进行大型地质力学模型试验，按平面应变考虑，将水泥、砂和水 按质量比为 1141.5 的配比配制模型材料，用 1.7mm 铝丝模拟锚杆，石膏模拟水泥砂 浆，在拱腰斜上方采用 20gTNT 炸药模拟冲击地压。再现了在短密锚杆支护工况下洞 室抗冲击过程。试验结果表明100mm 短密锚杆不能有效的防止冲击地压对洞室的破 坏，冲击压力直接将爆心至拱腰处的岩体材料冲出，破碎岩体以碎屑状为主，只有少 数几个较大块体；从埋设在洞室周围的应变片可以看出，在冲击压力作用下，洞室围 岩内动应变场主要表现拉应变，距离爆心越近，则产生拉应变越大。距离爆心最近的 应变测点均出现受拉破坏；从设置在拱腰处的加速度传感器监测结果可知，在爆心附 近洞壁主要表现为压的加速度，而在其它部位表现为拉的加速度，且压加速度峰值远 大于拉的值。距离爆心越远，其加速度的峰值下降越剧烈。 2.在模型试验的基础上，采用有限差分软件 FLAC3D 进行数值仿真计算。反演了 冲击荷载和三向加载共同作用下岩体的力学参数，设计了 5 种锚杆长度、2 种锚杆间 距和吸能装置等三种支护措施， 系统研究了三种支护措施组合下的 15 种工况的抗冲击 特征。数值计算结果表明支护锚杆长度存在一个最为合理的长度 L。当实际支护长 度小于 L 时，支护效果随长度增加而增强，当实际支护长度大于 L 时，支护效果随长 度增加而减弱；锚杆间距也存在一个最为合理的间距 D；洞壁表面吸能装置模拟结果 表明，吸能装置的添加虽不能完全防止洞室破坏，但洞室破坏程度进一步降低，吸能 装置有效地吸收了一部分能量，协助锚杆和围岩承担了部分冲击压力；从锚杆受力状 况可知，洞周锚杆并不是均匀受力，在拱腰处的几根锚杆受拉力作用非常明显，其值 可达到周围其它锚杆受力的 100 倍以上。 虽然三种支护措施均不能达到完全支护效果，但不同工况下的洞室破坏程度却有 所改变，为冲击地压的防治提供了更为清晰的认识，为进一步研究支护方案提供了理 论和试验依据。 关键词关键词冲击地压；模型试验；动载锚杆；吸能装置；FLAC3D 动力分析 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 万方数据 ABSTRACT III APPLICATION RESEARCH OF DYNAMIC CABLES IN THE PREVENTION AND CONTROL OF ROCK BURSTS ABSTRACT This paper introduces the features of rock burst hazard, and then analyzes the characteristics of deep coal mine roadway’s damage under the effect of rock burst. On the basis of the prevention and control measures, I put forward my research s and contents. 1. According to the similarity theory, we did the large geo-mechanics model test, considering it as plane strain. We put 20g TNT in the inclined top of left hance to simulate the rock burst. As for model material, we used the mixture of cement, sand and water by the proportion 1141.5, aluminium stick took the place of cables, and gypsum mortar took the place of cement mortar. So we could see the complete process of rock burst under short and close cables supported condition. The model test results show that the 100 mm short of anchor cannot effectively prevent the destruction of the roadway, the rock mass near the waist to explosion center is directly crushed out. The broken mass is mostly fragment, only a little is big brick. From advanced buried strain gauge around the cavity, it is obvious that the dynamic strain field in the surrounding rock mass mainly is tensile strain. The strain measuring points closest to the explosion center are tensile damage; From the acceleration sensor advanced settled at the waist place of the arch , the acceleration near the explosion center of roadway mainly toward downside, while others mainly toward upside, and the peak of downward acceleration is greater than the value of upward . With the increase of distance to explosion, the smaller of the peak acceleration value. 2. On the basis of model test, I did the numerical simulation calculation through the finite difference software FLAC3D. Back analysis the parameters of rock mass under rock burst and three orientation mechanical loading. In the numerical simulation calculation, I designed three supporting measures which contained five kinds of cable length, two kinds of cable intervals and energy absorption device. Through above 15 kinds of working conditions, I detail analysis the impact resistant characteristics. The results show that the retaining bolt length has the most reasonable length L. When actual supporting length is less 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV than L, supporting effect enhance with the increase of the length; when actual supporting length is bigger than L, supporting effect weakened with the increase of the length. Similarly, bolt’s interval has the most reasonable spacing D. The simulation of roadway walls’ surface energy absorption device indicates that the suction device cannot completely prevent the destroy of roadway, but the degree of damage further reduce. Suction device can effectively absorb part of the energy and assist the anchor-rock to take some impact pressure. From the stress state of anchors, we can see that the force of anchors is not uni. The anchors near the waist quickly bear tension and its value can nearly reach other bolts’ 100 times. Although the three types of support measures didn’t reach its ideal effect, but the degree of damage under different working conditions changed obviously. It can provide a more clear understanding of supporting about the rock burst, and it also provides the theoretical and experimental basis for further studies in the future. KEY WORDS Rock burst; Model test; Dynamic load anchor; Suction device;FLAC3D dynamic analysis 万方数据 目 录 I 目 录 摘 要 ....................................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................................... III 目 录 ....................................................................................................................................................... I 1 绪论 ...................................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出及研究意义 .............................................................................................. 1 1.2 冲击地压作用下的巷道破坏特征调查 ...................................................................... 2 1.3 国内外防治研究现状 .................................................................................................. 4 1.3.1 整体防治研究现状 .......................................................................................................... 4 1.3.2 动载锚杆防治研究现状 .................................................................................................. 8 1.4 本文主要研究内容 .................................................................................................... 11 1.5 技术路线 .................................................................................................................... 12 2 地质力学模型试验 ............................................................................................................................ 15 2.1 地质力学模型设计 .................................................................................................... 15 2.1.1 试验假设与相似考虑 .................................................................................................... 15 2.1.2 模型尺寸设计 ................................................................................................................ 16 2.1.3 量测系统设计 ................................................................................................................ 16 2.1.4 短密锚杆支护设计与安装 ............................................................................................ 19 2.2 试验简介 .................................................................................................................... 21 3 短密锚杆支护下洞室的破坏特征 .................................................................................................... 25 3.1 洞室宏观破坏特征 .................................................................................................... 25 3.2 应力分析 .................................................................................................................... 27 3.3 应变分析 .................................................................................................................... 27 3.4 加速度分析 ................................................................................................................ 34 3.5 锚杆破坏形态分析 .................................................................................................... 35 4 基于 Flac3D 的数值模拟研究 .......................................................................................................... 37 4.1 数值计算模型的建立 ................................................................................................ 37 4.1.1 边界条件及本构方程的选择 ........................................................................................ 37 4.1.2 有限差分网格的建立 .................................................................................................... 37 4.1.3 计算参数的选取 ............................................................................................................ 38 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 4.1.4 初始地应力的生成 ........................................................................................................ 39 4.2 不同支护工况下的抗冲击研究 ................................................................................ 40 4.2.1 各工况下的单元应力状态分析 .................................................................................... 40 4.2.2 各工况下的 szz 和锚杆受力分析 ................................................................................. 43 4.2.3 各工况下关键点位移时程分析 .................................................................................... 46 5 结论与建议 ........................................................................................................................................ 51 5.1 结论 ............................................................................................................................ 51 5.2 建议 ............................................................................................................................ 51 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文 ........................................................................... 53 致谢 ....................................................................................................................................................... 55 参考文献 ............................................................................................................................................... 57 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 冲击地压属于矿山动力现象，矿山井巷或采场周围矿体和围岩由于变形能的释放 而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单地说，冲击地压就是煤 （岩）的突然破坏现象[1]。 冲击地压有以下显现特点1.突发性，冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然 发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度；2.瞬时震动性，冲击地压发生过 程急剧而短暂，像爆炸一样剧烈震动，并伴有十分巨大的响声，震动波及范围可达几 公里甚至几十公里，地面有地震感觉，但震动持续时间一般在几十秒之内，时间短暂； 3.巨大的破坏性，发生冲击地压时，顶板有时候会产生突然明显下沉，但一般并不冒 落。情况严重时底板突然开裂并鼓起，甚至接顶，大量煤块或者上百立方米的煤体通 常会突然破裂并从煤壁抛出，堵塞巷道、破坏支架[2]。 世界范围内，我国、南非、加拿大、美国、德国、波兰等多个国家和地区在煤矿 开采中都出现了冲击地压现象， 造成了巨大的财产损失和人员伤亡。 我国自 1933 年在 抚顺胜利煤矿首次发生冲击地压之后， 随着开采范围的扩大和开采深度的增加， 北京、 北票、枣庄、抚顺、淮南、大同、南桐等矿区的许多矿井，都先后发生了冲击地压灾 害[3]。 此外，我国冲击地压除具有以上显现特征之外，还有以下特点[4]1.类型多种多 样，灾害严重程度不同。我国冲击地压一般表现为煤层冲击，以破碎煤块从煤壁抛出 最为常见，也有极个别情况为上百立方米的煤体整体滑移。顶板冲击和底板冲击现象 在我国煤矿也有发生；2.发生条件极为复杂。我国煤矿发生冲击地压的典型条件为 初始深度 200-600m，煤的单向抗压强度 10-30 MPa（软岩到较软岩） ，顶板一般为厚 10-40m 的坚硬砂岩，强度 100-600MPa。然而，具体分析起来，我国冲击地压发生条 件却极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采 深从 200-800m， 地质构造从极简单至极复杂， 煤层从薄到特厚， 倾角从水平到急倾斜， 顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、 综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒 台阶、房柱式等各种方法都出现过冲击现象；3.发展趋势是矿井数量逐渐增多，灾害 的危险程度日趋严重。 然而在我国能源结构中，煤炭仍占主要部分，比重约为 70[5]。因此，结合我国 实际情况，研究冲击地压作用下巷道抗冲击支护技术具有十分重要的理论与实际意义 [6]。 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 2 1.2 冲击地压作用下的巷道破坏特征调查 在高地应力、地质构造、地下水、岩性和人为因素的作用下，深井巷道的破坏模 式多以顶板下沉、底鼓、顶底板移近、上帮或下帮变形、两帮挤进（伴随顶底板移近） 为主[7]，但在冲击动压作用下，巷道变形破坏又具有有别于传统的破坏模式。冲击地 压发生后煤岩变形破坏过程，一般持续时间仅为几秒到几十秒，现场调查同时表明， 冲击地压发生后，工作面或巷道并不是在所有地方都发生破坏，往往破坏只局限于一 定范围内[8]。例如，在 1980 年 3 月 14 日，北京门头沟煤矿的九龙七槽-137 米采煤工 作面发生了冲击地压，检测结果显示震级为二级。调查后发现，大概在工作面中部附 近有一长 5 米，深 6 米的大孔洞，在这个大洞内的原煤体最终全部被抛出；在 1960 年的 6 月 21 日，天池煤矿发生了冲击地压灾难，2 吨多煤炭在采煤时突然冲出，并在 煤层中形成了一个高 2 米，宽 1 米的椭圆形空腔；天生桥一级水电站某隧洞在一次大 岩爆过后在隧洞拱顶部位也形成了一个宽 5-7 米，深约 3-4 米的一个大岩爆槽[6, 9]。 我国三河尖矿区多次发生了典型的冲击地压事故[10-12]。例如，1992 年 02 月 24 日 发生在 7108 工作面附近的冲击地压事故。 冲击点位于 7108 工作面后方 68m 处的 7110 材料道中，破坏范围达 70m，煤体达 400m3。在 7108 面来压过程中，冲击地点位于多 条巷道应力集中处，且处于不能回采的煤柱位置，在动应力叠加的作用下，发生了冲 击地压，见图 1-1。 图 1-1 1992.02.24.三河尖矿区冲击地压发生区示意图 Figure1-1 1992.02.24. The schematic diagram of sanhejian rock bursts 1993 年 05 月 25 日，该矿区 7125 材料道再次发生冲击地压事故。在冲击地压发 生区域（7125 材料道） ，巷道底鼓严重，使巷道明显变形。此次破坏范围达 80m，破 坏最为严重区域距工作面只有 14m。见图 1-2。原因可能如下①7123 面开采结束时 间较短，其顶板仍处于活动过程中，特别是临近 7123 面的 7125 材料道正处于顶板活 万方数据 1 绪论 3 动影响范围之内；②7125 面煤层及顶板坚硬且性脆，具有积蓄大量弹性能的能力；③ 冲击发生点正处于 7125 面前方支承压力显著影响范围之内，使得煤岩体的应力更加 集中。在煤岩体的高度应力集中及 7123 面顶板活动的共同作用下发生了本次冲击地 压。 图 1-2 1993.05.25.三河尖矿区冲击地压发生区示意图 Figure1-2 1993.05.25. The schematic diagram of sanhejian rock bursts 1995 年 08 月 18 日，该矿区再次发生冲击事故。在超前工作面 2-58m 的范围内， 煤壁大范围片帮，煤被从煤体中抛出。在超前工作面 20-40m 的范围内的支柱被推倒， 设备被移动或震翻。冲击发生在工作面前方支承压力影响范围内，同时冲击位置处于 斜穿的联络巷附近。见图 1-3。可以认为，这次冲击主要是由于应力过度集中和采动 影响造成的。 图 1-3 1995.08.18.三河尖矿区冲击地压发生区示意图 Figure1-3 1995.08.18. The schematic diagram of sanhejian rock bursts 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 4 同年 12 月 25 日，在 7202 面再次发生冲击地压。冲击区域煤壁片帮严重，煤层与 顶板岩层间出现明显的离层，且顶板完好无损。冲击区域处于断层附近，且由工作面 和材料道及联络巷构成了三角形煤柱，使该区域的应力集中程度要高于正常区域。同 时，由于工作面采空区顶板岩层的断裂，诱发了本次冲击地压。见图 1-4。 图 1-4 1995.12.25.三河尖矿区冲击地压发生区示意图 Figure1-4 1995.12.25. The schematic diagram of sanhejian rock bursts 从以上调查分析可知，冲击地压作用下的深井巷道具有不同于传统洞室的破坏形 态和特征。因此为了减少财产损失，避免人员伤亡，必须研究冲击地压作用下的洞室 破坏机制并研制不同于传统支护方式的新型支护方法。 1.3 国内外防治研究现状 1.3.1 整体防治研究现状 依据冲击地压的产生原因和破坏特征，防治措施的根本思路可以从以下两方面考 虑一方面可以降低应力梯度，即将应力的集中程度降低到临界值之下或者将应力峰 值向煤岩体深处推移，进而避免产生弹性能大量积聚并释放的外部条件；另一方面是 改善煤岩体自身的结构和物理力学特性，以降低其积蓄并释放弹性势能的能力，并降 低其破坏时释放能量的速度[13, 14]。 治理措施可以分为三大类防护措施、解危措施和防范措施[15]，见表 1-1。第一 类是区域性或战略性措施。这种措施旨在消除产生冲击地压的条件，其特点是在完 备程度上具有彻底性，在时间上具有长期性，在空间上具有区域性。属于这类措施的 主要有合理选择开拓部署和开采方式，事先对顶板或煤体进行无冲击处理等；第二类 措施为战术性或局部性措施。这类措施旨在对已形成冲击地压危险或可能具有冲击危 险地段进行解危处理，属于暂时性的、局部性的措施。卸载钻孔、诱发爆破、煤层卸 载、注水等均为此类；第三类属于被动性措施，目的是在发生小规模冲击地压时，尽 量避免人员伤害或设备损坏。例如，加强支护、宽巷掘进等即属此类[16]。 万方数据 1 绪论 5 表表 1-1 常常见见治理措施汇总表治理措施汇总表 Table1-1 Summary of common governance measures 类别 防范措施 解危措施 防护措施 作用 原理 避免高度应力集中的形成， 防止能量积聚条件的产生， 事先改善煤岩冲击倾向性。 减小应力梯度极值， 提供释 放能量的条件， 破坏煤岩体 的结构性。 防止产生灾害事故。 措施 名称 1.开采解放层； 2.顶板提前爆破； 3.顶板预先注水； 4.煤层提前松动爆破； 5.煤层预先注水； 6.布置合理的开采方案。 1.煤层注水卸载； 2.顶板爆破处理； 3.煤层松动爆破； 4.煤层卸载钻孔； 5.煤层爆破卸载； 6.底板爆破处理。 1.加强支护 （锚网、 锚 杆、锚索、U 型钢及 其组合支护、单体液 压支柱、综采液压支 架和吸能支护等） ； 2.宽巷掘进。 在开采煤层群的条件下，首先开采没有冲击倾向，或冲击危险性小的煤层。由于 其采动影响，使有冲击地压危险的煤层在采掘过程中不再发生冲击地压。这样先采的 煤层称为解放层。如果解放层位于危险层上方，称为上解放层，位于下方称为下解放 层。而处于有效卸载范围内的后采的煤层称为被解放层[17]。 煤层预先注水和顶板预先注水[18]，可以将各种溶液压注到煤岩体内，是治理冲击 地压的一种重要措施。水能够使包括煤体在内的岩体性质发生重大变化，这是防治顶 板冲击和煤层冲击的重要理论基础。 卸压注水是在采掘过程中向已存在冲击危险的煤体进行注水，主要通过破坏煤体 结构等力学作用实现解除危险的一种措施。高压注水过程中往往可观察到动力现象， 例如强烈的地音等，实质上是煤体卸载现象。 煤层卸载爆破是在已较为准确认为有冲击地压危险的区域，对煤岩体施以爆破， 进而达到排除冲击倾向的一种治理措施。卸载爆破进一步可以分为震动爆破和松动爆 破两种[19]。松动爆破，即是通过炸药爆炸产