西部矿区弱胶结软岩巷道底臌控制研究.pdf

硕士学位论文 西部矿区弱胶结软岩巷道底臌控制研究 Study on Floor Heave Control of Western Diggings Weakly Cemented Soft Rock Roadway 作 者于锋 导 师靖洪文 教授 中国矿业大学 二零一四年六月 万方数据 中图分类号 TU457 学校代码 10290 UDC 624.1 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 西部矿区弱胶结软岩巷道底臌控制研究 Study on Floor Heave Control of Western Diggings Weakly Cemented Soft Rock Roadway 作 者 于锋 导 师 靖洪文 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 岩土工程 研究方向 地下工程稳定控制 答辩委员会主席 蒋斌松 评 阅 人 二零一四年六月 万方数据 105 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文隧道分部开挖工法下围岩稳定性精细化控制研 究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成 果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的 部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案 馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、 图书馆等场所或在校园网上供校 内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完 成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经审 阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学 校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本文是在导师靖洪文教授的悉心指导下完成的。没有靖老师的指导、鼓励及资金上 的大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。在论文的选题、开题、提纲编写、论文撰 写等各个环节，导师都给予严格的指导和热心的帮助。三年来，在导师的严格要求和悉 心培养下，我收获了很多做人做事方面的启迪和道理。靖老师对我一直强调三个要求 第一是诚信；第二是严谨；第三是触类旁通。诚信第一，这是靖老师经常强调的，人无 信不立，从导师的言传身教中，我更加明白了诚信的重要性；科研需要严谨，我读研以 后在导师的反复强调和严格要求中深深的感受到严谨的重要性， 严谨也是我在以后的工 作中最需要的态度；导师教育我，严谨是把以后的工作做好的前提，而只有会触类旁通 才能把工作做的更好。 虽然很快就要离开导师， 踏入社会， 以后不能再随时聆听导师的教诲， 但这三年来， 导师传授给我的知识和教给我的道理会使我受益终生，即使离开校园，我也会铭记和遵 循导师对我提出的三个要求，并会一直按照这三个要求去做好以后的每一项工作，走好 人生的每一段路，在此，学生向导师致以衷心的感谢感谢三年来导师对我的辛苦付出 和悉心培养 在论文完成过程中，陈坤福老师、许国安老师、王迎超老师和齐燕军老师给予了重 要的指导，在此表示衷心的感谢 感谢孟波博士、丁书学博士、苏海健博士、戴大鹏硕士和吴俊浩硕士在论文写作过 程中给予的无私帮助。尤其感谢刘玉田硕士、孙猛硕士和杨旭旭博士三年来在学习和生 活中给予的关心和帮助。 同窗李强硕士、贾勐硕士、张顺金硕士以及师弟董晓、赵洪辉、徐锡、陈敏亮、潘 兵、张江雄协助完成了模型实验的测试与浇筑，在试验过程中，实验室张彦锋老师也给 予了我很多帮助，在此一并表示衷心的感谢 感谢我的舍友杜石文、 王英杰、 官强、 张帆舸、 荆玉明以及三年来朝夕相处的同学， 谢谢他们三年的陪伴和生活中给予的帮助，祝他们前程似锦 感谢同窗好友刘备硕士、柳家凯硕士、王琳硕士、范金成硕士、于侃硕士在生活中 的关心和帮助。 感谢我生活学习了三年的母校及学院中国矿业大学力学与建筑工程学院， 给了 我一个宽阔的学习平台。 感谢勤劳朴实的父母二十多年来含辛茹苦的养育，祝愿父母幸福、健康、长寿感 谢姐姐和姐夫在生活中给予的细心照顾，感谢哥哥在学习和生活中给予的指导和关心。 感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的审阅与指教 万方数据 I 摘摘 要要 在西部煤矿开采中经常遇到强度低、胶结差、遇水泥化的软岩，即弱胶结软岩，导 致采用传统的支护手段不能有效维持巷道的长期稳定， 其中底臌是西部矿区巷道中最明 显破坏形式之一。 内蒙古新上海庙一号煤矿 112052 皮带顺槽围岩具有典型的西部弱胶结软岩特征， 底板围岩遇水崩解、泥化严重且底臌强烈，本文通过对顺槽围岩的物理力学性质和水理 性质分析，并采用物理相似模拟、FLAC3D数值模拟以及现场实测相结合的研究方法， 针对底臌的发生机理、影响因素以及格栅连续墙底板注浆锚索的支护作用机理进行了 深入系统的研究。主要研究内容和结论如下 （1）对现场采集的岩样进行物理力学性质测试，得知 112052 皮带顺槽的顶底帮的 围岩强度都低于 20MPa，用 X 衍射仪分析底板砂质泥岩的矿物成分，发现底板围岩富 含高岭石、 伊利石、 伊蒙混层等遇水膨胀的矿物成分， 与我国中东部矿区同种岩石对比， 112052 皮带顺槽岩石的单轴抗压强度和粘聚力都普遍低于中东部矿区的同种岩石。 （2）物理模拟试验研究了无支护、顶帮锚固支护（底板无支护）和格栅连续墙支 护三种不同条件下的底板失稳特征，判定底板破坏属于剪切滑移破坏，由此建立了滑移 型底臌的力学模型，进而设计了格栅连续墙的支护参数，最后综合分析了巷道在这 3 种 不同支护结构下软岩巷道围岩的变形破坏规律， 揭示了格栅连续墙支护有效控制底臌的 机理。 （3）采用 FLAC3D数值模拟，研究了巷道处于不同支护条件下巷道的底板变形和 塑性区范围的变化规律，得出了格栅连续墙底板注浆锚索支护是控制弱胶结软岩巷道 底臌的理想支护方式的结论；当巷道处于不同侧压系数下，随着侧压系数的增大，围岩 变形量和塑性区范围都明显增大；当巷道底板处于硬岩条件下时，巷道围岩变形与原岩 条件下相比减小幅度达到 5080，塑性区范围也明显减小，说明巷道围岩变形和塑 性区范围受侧压系数和底板岩性影响较大。 （4）对新上海一号煤矿 112052 皮带顺槽进行了格栅连续墙底板锚索注浆的工业 性试验，取得了很好的技术经济效果，证明了本文研究得出格栅连续墙底板锚索注浆 支护方案能有效维护弱胶结软岩顺槽在整个服务期内的稳定。 该论文有图 84 幅，表 19 个，参考文献 92 篇。 关键词关键词西部矿区；弱胶结软岩；格栅连续墙；底板注浆锚索；底臌控制 万方数据 II Abstract In western mining area often encountered low intensity,poor cementation, argillation when encounter water, called weakly cemented soft rock. Traditional support ways are unable to keep its stability .Floor heave is one of the most obvious damage types. In Inner Mongolia New Shanghai No.1 Temple Coal Mine 112052 crossheading surround rock has typical characteristics of weakly cemented soft rock, floor rock is disintegration when encount water, serious clay and floor heave seriously. paper through the analysis of surround rock’s mechanical properties and water-physical properties, based on the physical simulation, FLAC3D numerical simulation and combining field measurement, aim at floor failure mechanism, impact factors, mechanism of grid continuous wall with grouting cable anchor supporting scheme , had been discussed deeply and systemically. The main research contents and conclusions were as follows （1）Through determination of rock sample’s physical and mechanical properties from the field, learn that strength of rock is below 20MPa, through X-ray Diffraction analys the mineral composition of floor mudstone , learn that floor rock contains kaolinite, illite, illite smectite mixed layer, etc. Contrastive analysis with rock strength and rock cohesion of central-eastern mining districts, learn that 112052 crossheading surround rock’s uniaxial compressive strength and cohesion of rock is much less than rock strength of central-eastern mining districts. （2）Through physical simulation, the surrounding rock deation and fracture evolution law under 3 kinds of supporting structure non supporting, anchorage supporting of roof and two sides（non supporting of floor）, grid continue wall, learn that the floor is shear slide destroy, build mechanical model of shear slide floor heave, then design the grid continue wall supporting parameters . In the end, through comprehensive analysis of surround rock’s failure law under 3 kinds of supporting structure （3）Through FLAC3D numerical simulation, learn that under different supporting conditions,the deation of floor and plastic zone scope didnt appear to be much different, under support pattern of grid continue wall, the deation of floor and plastic zone scope decreased significantly, under grid continue wall combine grouting cable anchor, the deation of floor and plastic zone scope decreased significantly more, indicate that the deation of floor is effective controled, when roadway is under different lateral pressure coefficients, along with the increase of lateral pressure coefficients, the deation of floor 万方数据 III and plastic zone scope iecreased significantly, when road is under hard rock, compared with the original rock conditions , the deation of floor decreased 5080, and the plastic zone scope decreased significantly, illustrate that the deation of floor and plastic zone scope is impacted easily by lateral pressure coefficients and floor lithology. （4）This research carried out the industrial test of grid continue wall combine grouting cable anchor of New Shanghai No.1 Temple Coal Mine 112052 crossheading. And it proved the supporting technology can effectively maintain weakly cemented soft rock crossheading in the stability of the service period. The paper has shown in 84 figures, 19 tables and 92 references. Keywords western diggings; weakly cemented soft rock; grid continue wall; floor grouting cable anchor; floor heave control 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................................. I 目目 录录 .......................................................................................................................................... ⅣⅣ 图清单图清单 .......................................................................................................................................... ⅧⅧ 表清单表清单 ...................................................................................................................................... XIV 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................................. XVI 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究意义 .................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状............................................ .........................................................1 1.3 研究内容 .................................................................................................................6 1.4 研究方法与技术路线 .............................................................................................6 2 弱胶结软岩性质的实验研究分析弱胶结软岩性质的实验研究分析 ............................................................................8 2.1 试验设备及试验方法 .............................................................................................8 2.2 软岩的基本物理力学性质分析 ...........................................................................10 2.3 岩石的吸水性及软化系数测定 ...........................................................................13 2.4 砂质泥岩的矿物成分测试及遇水崩解试验 .......................................................16 2.5 与中东部矿区围岩强度的对比分析 ...................................................................18 2.6 本章小结 ...............................................................................................................21 3 软岩巷道合理支护结构物理模拟研究软岩巷道合理支护结构物理模拟研究 ..................................................................22 3.1 试验目的 ...............................................................................................................22 3.2 模型设计 ...............................................................................................................22 3.3 模型试验 ...............................................................................................................28 3.4 不同支护结构围岩变形及破裂演化分析 ...........................................................31 3.5 试验结果对比分析 ...............................................................................................40 3.6 底臌影响因素分析 ...............................................................................................43 3.7 底板破坏机理 .......................................................................................................44 3.8 本章小结 ...............................................................................................................50 4 软岩巷道合理支护技术数值模拟研究软岩巷道合理支护技术数值模拟研究 ..................................................................51 4.1 数值模拟模型建立 ...............................................................................................51 万方数据 V 4.2 不同支护形式下巷道围岩稳定性分析 ...............................................................53 4.3 不同侧压系数下巷道围岩稳定性分析 ...............................................................62 4.4 底板处于不同岩性下巷道围岩稳定性分析 .......................................................80 4.5 格栅连续墙注浆锚索支护方案的优越性 .........................................................86 4.6 本章小结 ...............................................................................................................88 5 工程实践工程实践 ..................................................................................................................90 5.1 工程概况 ...............................................................................................................90 5.2 控制底臌方案设计 ...............................................................................................91 5.3 支护效果 ...............................................................................................................93 5.4 本章小结 ...............................................................................................................96 6 结论与展望结论与展望 ..............................................................................................................97 6.1 主要结论 ...............................................................................................................97 6.2 展望 .......................................................................................................................98 参考文献参考文献 ......................................................................................................................99 作者简历作者简历 ....................................................................................................................104 学术论文原创性声明学术论文原创性声明 ................................................................................................105 学术论文数据集学术论文数据集 ........................................................................................................106 万方数据 VI Contents Abstract ......................................................................................................................... I Contents ...................................................................................................................... ⅣⅣ List of Figures ............................................................................................................ ⅧⅧ List of Tables ........................................................................................................... XIV List of Variables ...................................................................................................... XVI 1 Introduction ...............................................................................................................1 1.1 Research Significance ............................................................................................1 1.2 Review on Research Status ....................................................................................1 1.3 Research Contents ..................................................................................................6 1.4 Research s and Approaches ........................................................................6 2 Experimental Study Analysis of Weakly Cemented Soft Rock Sample’s Properties 8 2.1 Determination of Rock Sample’s Mechanical Properties ......................................8 2.2 Testing Equipment and ...........................................................................10 2.3 Determination of Rock Sample’s Water Absorbability and Softening Factor ......13 2.4 Mineral Component Test of Sandy Mudstone and Disintegration Test When Ecounted water .............................................................................................................................16 2.5 Contrastive Analysis with Rock Strength of Central-eastern Mining Districts....18 2.6 Chapter Summary .................................................................................................21 3 Physical Simulation Research on the Reasonable Supporting Structure of Soft Rock Roadway ......................................................................................................................22 3.1 Test Purpose .........................................................................................................22 3.2 Model Design .......................................................................................................22 3.3 Model Test .........................................................................................................