大断面软岩巷道支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 大断面软岩巷道支护技术研究大断面软岩巷道支护技术研究 学位类型学位类型 专业学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 矿业工程领域 作者姓名作者姓名 吴家文 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯 涛 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 褚秀生 高级工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 8 日 密级密级公开 中图分类号中图分类号TD353 万方数据 万方数据 大断面软岩巷道支护技术研究大断面软岩巷道支护技术研究 学学 位位 类类 型型 专业学位 学科（专业学位类别）学科（专业学位类别） 矿业工程领域 作作 者者 姓姓 名名 吴家文 作作 者者 学学 号号 12050105004 导导师姓名及职称师姓名及职称 冯涛 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 褚秀生 高级工程师 学学 院院 名名 称称 能源与安全工程学院 论论 文文 提提 交交 日日 期期 2015 年 6 月 8 日 学学 位位 授授 予予 单单 位位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 万方数据 Study on the Support Technique of Large Cross-section and Soft Rock Roadway Type of Degree Professional Degree Discipline Type of Professional Degree Mining Engineering Candidate Wu Jiawen Student Number 12050405004 Supervisor and Professional Title Professor. Feng Tao Practice Mentor and Professional Title Senior Engineer. Chu Xiusheng SchoolSchool of Energy and Safety Engineering Date April 14th, 2015 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 万方数据 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论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学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。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 万方数据 i 摘要摘要 毕节市煤炭资源丰富，以往煤炭开采小型煤矿居多，开采工艺为炮采和普采，回采 巷道断面小。近几年随着煤矿兼并重组的推进，煤矿生产规模不断扩大，综合机械化开 采要求更大的巷道断面。现有煤矿对大断面巷道认识不充分，技术经验欠缺，加之一些 特殊的围岩条件，导致巷道维护困难。因此，针对毕节市煤矿实际地质条件开展大断面 软岩巷道支护技术研究具有重要的理论价值和实际意义。 本文以毕节市红林煤矿 39110 工作面运巷为工程背景，综合采用现场调研勘察、理 论分析、数值模拟以及现场试验等方法，对大断面软岩巷道围岩变形破坏机理和特征以 及支护技术做了系统的研究。论文阐述了巷道围岩变形破坏机理，分析影响大断面软岩 巷道变形破坏的影响因素主要为巷道围岩岩性、巷道断面尺寸及形状和支护方式及参 数。在此基础上，采用数值模拟详细研究分析了巷道断面尺寸对围岩应力、位移和塑性 区分布的影响，揭示了大断面软岩巷道围岩变形具有来压快、变形速度快、变形量大和 具有时间效应的特征。研究提出了针对大断面软岩巷道的锚网索耦合支护技术，并研究 分析了不同的支护参数下，即锚杆间距、排距、长度、锚索数量变化的情况下围岩变形 规律，最终确定了合理的锚网索支护参数。论文最后在红林煤矿 39110 工作面运巷进行 了工业性试验，进行了一系列矿压观测分析，对巷道围岩变形量以及锚杆、锚索载荷的 分析结果表明， 巷道采用锚网索耦合支护方式及设计的支护参数下， 巷道围岩变形量小， 并逐渐稳定，巷道围岩控制效果显著。 关键词大断面；软岩；变形破坏；锚网索耦合支护；支护参数 万方数据 ii ABSTRACT Bijie city is rich in coal resources. In the past the majority of coal mining are small coal mines with the blasting mining technology and conventional mining technique,sothe roadway cross-section is small. In recent years with the merger and reorganization carrying on , coal mine production scale is expanding constantly, the comprehensive mechanized mining requires larger section of roadway. Inadequate understanding and lack of technical experience of large section roadway in coal mine, combined with the special conditions of surrounding rock, which causes the difficulty in roadway maintenance. Therefore, in view of Bijie city coal mine actual geological conditions to carry out the supporting technology research on the large cross-section and soft rock roadway has important theoretical value and practical significance. Taking haulage roadway of Honglin coal mine 39110 face as the engineering background, combining the research survey, theoretical analysis, numerical simulation and field test , the failure mechanism of surrounding rock deation and characteristics as well as supporting technology have been systematically researched. Paper expounds the roadway surrounding rock deation and failure mechanism and analyze the main influence factors for large cross-section and soft rock roadways deation and destruction of surrounding rock found that the section size and shape of roadway, the supporting and parameters are the main influence factors. On the basis of this, the influence of cross-section size on the distribution of the stress, displacement and plastic zone of roadway surrounding rock have been researched in detail, and reveals that deation characteristic of the large cross-section and soft rock roadway surrounding rock are pressure and deation coming fast, large deation and long time deation. Bolt-net-anchor coupling support technology has been put forward for large cross-section and soft rock roadway and the surrounding rock deation law was analyzed and studied under different support parameters that bolt interval, row space, bolt length and number of anchor cables are different. Finally the reasonable supporting parameters were determined. At last, the industrial testing and a series of observation were pered in haulage roadway of Honglin coal mine 39110 face. the deation of roadway surrounding rock and the load of bolts and cables analysis results show that the surrounding rock deation is small, and gradually stability, roadway surrounding rock control effect is remarkable By using Bolt-net-anchor coupling support and designed supporting parameters Key Wordslarge cross-section；soft rock；deation failure；bolt-net-anchor coupling support; support parameter 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘要摘要 ...................................................................... i A Abstractbstract ................................................................. ii 第一章第一章 绪论绪论 ........................................................ - 1 - 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................... - 1 - 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... - 2 - 1.2.1 概述 ............................................................................................................ - 2 - 1.2.2 大断面软岩巷道围岩控制理论研究现状 ................................................ - 2 - 1.2.3 大断面软岩巷道围岩控制技术研究现状 ................................................ - 3 - 1.3 主要研究内容 ....................................................................................................... - 4 - 1.4 研究方法与技术路线 ........................................................................................... - 5 - 第二章第二章 大断面软岩巷道围岩变形破坏特征及失稳机理大断面软岩巷道围岩变形破坏特征及失稳机理 ............. - 7 - 2.1 大断面软岩巷道破坏理论分析 ........................................................................... - 7 - 2.1.1 巷道围岩变形破坏机理 ............................................................................ - 7 - 2.1.2 大断面软岩巷道围岩破坏影响因素分析 ................................................ - 8 - 2.2 数值模拟巷道断面尺寸对围岩稳定性的影响 .................................................. - 11 - 2.2.1 数值模型的建立 ....................................................................................... - 11 - 2.2.2 不同巷道尺寸围岩应力分布 .................................................................. - 13 - 2.2.3 不同巷道尺寸围岩变形规律 .................................................................. - 23 - 2.2.4 不同巷道尺寸围岩塑性区分布 .............................................................. - 27 - 2.3 大断面软岩巷道变形破坏特征 ......................................................................... - 30 - 2.4 本章小结 ............................................................................................................. - 30 - 第三章第三章 大断面软岩巷道支护技术大断面软岩巷道支护技术 .................................. - 33 - 3.1 支护方式的选择 ................................................................................................. - 33 - 3.2 锚网索耦合支护控制原理 ................................................................................. - 34 - 3.2.1 锚杆作用原理 .......................................................................................... - 34 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.2.2 金属网作用原理 ...................................................................................... - 35 - 3.2.3 锚索作用原理 .......................................................................................... - 35 - 3.3 支护参数设计 ..................................................................................................... - 36 - 3.3.1 支护参数设计方法 .................................................................................. - 36 - 3.3.2 确定合理的锚杆间距 .............................................................................. - 37 - 3.3.3 确定合理的锚杆排距 .............................................................................. - 38 - 3.3.4 确定合理的锚杆长度 .............................................................................. - 39 - 3.3.5 确定合理的锚索数量 .............................................................................. - 39 - 3.4 本章小结 ............................................................................................................. - 40 - 第四章第四章 工业性试验工业性试验 ................................................ - 43 - 4.1 试验巷道工程地质条件 ..................................................................................... - 43 - 4.2 支护方式及参数 ................................................................................................. - 43 - 4.3 支护效果评价 ..................................................................................................... - 45 - 4.3.1 矿压观测内容及方法 .............................................................................. - 45 - 4.3.2 矿压观测结果分析 .................................................................................. - 46 - 第五章第五章 结论结论 ....................................................... - 51 - 参考文献参考文献 ........................................................... - 55 - 致致 谢谢 .............................................................. - 57 - 万方数据 湖南科技大学专业硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 我国煤炭资源丰富，是我国主要能源资源，在国民经济中占据重要地位[1]。 2014 年全年我国原煤产量为 38.7 亿吨，煤炭消费量约为 35.1 亿吨。在未来数十 年中，煤炭在我国能源生产和消费结构中的高比例格局将不会改变。我国煤炭资 源总量的 90是地下开采，需要掘进大量的巷道。据不完全统计，我国煤矿每年 新掘巷道总长度达数万公里，巷道围岩稳定是煤炭资源开采中至关重要的环节， 直接关系到煤矿安全、高效生产及社会经济效益[2]。随着煤矿资源开采强度增加， 矿井开采深度日益加深，深部高应力、松软破碎围岩以及大断面巷道等复杂生产 地质条件随之出现，巷道维护日益困难，成为制约矿井生产的瓶颈[3]。 煤炭是毕节市主要能源资源，且资源丰富，目前预测煤炭资源量 759.7 亿吨， 截至到 2012 年底，毕节市上表煤炭储量 193.83 亿吨，占全省煤炭资源 40.13。 煤炭以优质无烟煤为主，是贵州省主要优质无烟煤基地，也是国家规划的 13 个大 型煤炭基地之一的云贵煤炭基地的重要组成部分，更是西电东送的主战场，2014 年全市煤炭产量为 6738.04 万吨，未来煤炭开采量每年将达到 1.7 亿吨。以往， 毕节市煤矿数目居多，但小煤矿占多数，小型煤矿采掘技术装备水平较低，工艺 比较落后，多采用炮采和炮掘工艺，工作面巷道断面一般小于 8m2。但随着兼并 重组工作的实施，毕节市矿井生产规模逐渐扩大，机械化水平逐步提高，根据毕 节市“十二五”能源发展规划 ，煤矿最大生产规模将达到 450 万 t/a，最小矿井 生产规模不小于 30 万 t/a。矿井生产规模的扩大、综合机械化开采技术全面推进 要求巷道断面扩大，加之一些复杂地质条件，如复杂高应力、地质构造、工程软 岩等，巷道围岩稳定控制将面临巨大的困难。 毕节市由于历史原因，以往矿井生产规模小、技术理论以及装备水平较低， 巷道断面不大，采用的支护方式主要有金属支架、锚杆支护，基本上依靠经验对 巷道支护，未针对特定的地质条件进行分析及支护设计。煤矿及企业集团对巷道 断面扩大所带来的问题认识不足，相关理论研究及现场实际经验空缺。而国内关 于大断面巷道的研究理论及成果也是以一定地区的矿井生产地质条件为基础，在 毕节市煤矿的适用性有限，不能很好的指导矿井的支护工作。因此，迫切需要针 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 对毕节市煤矿的实际特征，开展大断面巷道支护研究工作。为此，本论文以毕节 市红林煤矿 39110 工作面回采巷道实际生产地质条件为工程背景，深入分析大断 面软岩巷道围岩变形失稳机理及特征，有针对性的提出有效的支护措施，保证巷 道在生产期间的围岩稳定，对确保矿井正常、高效开采以及指导毕节市同类地质 条件下巷道支护具有重要意义。因此，开展“大断面软岩巷道支护技术研究”具 有重要的理论价值和实际意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 概述概述 对于大断面巷道，国内外还没有明确的定义。国内学者针对不同煤矿的地质 条件采用数值模拟研究指出以巷道顶板拉破坏深度为指标界定大断面巷道 [4, 5]。 但仅限于数值模拟，未对大断面巷道顶板拉破坏进行力学解析。一般认为大采高 综合机械化开采工作面回采巷道为大断面巷道。中国矿业大学李磊博士认为可以 将托顶煤巷道顶板中部岩层的拉破坏深度超过锚固区范围作为大断面巷道的判定 依据[6]。 大断面巷道分 5 种基本类型，即大跨度大断面巷道、高帮大断面巷道、交叉 口大断面巷道、开切眼大断面巷道和硐室大断面巷道[7]，而根据巷道赋存条件、 围岩力学性质以及保护煤柱宽度等，大断面巷道又可分为深部大断面巷道、大倾 角大断面巷道、复合顶板大断面巷道、大断面软岩巷道、大断面破碎围岩巷道、 大断面沿空巷道、大断面无煤柱巷道等多种形式，以及包含其中多种特征的大断 面巷道。本文以大断面软岩回采巷道为研究对象，开展大断面软岩巷道变形破坏 特征及围岩控制技术研究。 1.2.2 大断面软岩巷道围岩控制理论研究现状大断面软岩巷道围岩控制理论研究现状 巷道围岩控制主要有四种手段，即巷道布置、巷道保护、巷道卸压以及巷道 支护，合理的巷道布置使巷道处于应力降低区，减轻或避免巷道围岩受回采应力 扰动，是巷道围岩控制的首要手段。但在实际的生产过程中，受限于开采条件， 合理的巷道布置往往难以实现，巷道支护成为了重要的巷道围岩控制手段 [8]。 传统的巷道理论认为巷道围岩只是传递和施加载荷的介质，巷道围岩稳定只 取决于支护结构的围岩承载能力，因此这一时期巷道支护理论为古典压力计算理 论，以 HaimM1878 年RankineWJM 和普洛托基亚柯洛夫1907 年、金尼克1925 万方数据 湖南科技大学专业硕士学位论文 - 3 - 年、TerzaghiK1942 年、秦巴列维奇1948 年等学者为代表[9-11]。20 世纪 60 年 代由 L.V.Rabcevicz[12]提出了新奥法， 该理论的核心思想是充分利用围岩的自身承 载能力，及时支护并提出适时进行二次支护，同时提出了基于现场围岩检测的反 馈设计方法[13]。新奥法理论的提出让国内外学者认识到了围岩自身承载能力的重 要性，推动了锚杆支护理论的发展。其中，候朝炯教授提出了锚杆支护的围岩强 度强化理论，该理论认为锚杆与围岩是相互作用的统一体，锚杆通过向围岩施加 围压，改善围岩受力状态，同时增大围岩内聚力和内摩擦角从而提高围岩峰值强 度、峰后强度和残余强度，保持围岩稳定[14]；董方庭教授等提出了围岩松动圈支 护理论，该理论提出应根据围岩松动圈的大小对围岩进行分类，破坏支护的载荷 主要是围岩松动圈形成过程中岩石的碎胀力，支护的作用是限制围岩松动圈形成 过程中碎胀力所造成的有害变形[15-17]；M.D.G Salamon 提出了能量支护理论，该 理论认为，锚杆与围岩是相互作用、相互补偿的统一体，围岩变形产生的变形能 一部分由锚杆吸收，另一部分由围岩自身承担，保持能量平衡[18]。 不同于一般巷道，大断面巷道在围岩应力分布及变形上有自己特征，表现最 为明显的是大断面巷道顶部易出现拉应力，造成顶板易破坏，不利于巷道稳定。 国内许多学者在上述围岩控制理论的基础上，专门对大断面巷道围岩控制理论做 了相关研究。万世文博士提出了卸压减跨控顶与等强协调支护理论，该理论提出 了双微拱断面巷道的概念， 采用二次成巷先掘小跨度断面后掘大跨度断面的方式， 可控制大断面巷道顶板稳定，且减小两帮应力集中，保持大断面巷道围岩长期稳 定[19]。康红普等提出了全断面高预应力强力锚索支护理论，即在高预应力、强力 支护理论的基础上，利用锚索能施加较大预应力的特点，使钢筋网片也能对围岩 施加预应力，进而减小甚至消除大断面巷道表面的张拉应力[20]。吴志忠等提出了 叠加支护理论，即短锚杆与长锚杆及长锚索叠加，短锚杆的主要发挥高抗拉和高 抗剪特性，在下位岩体中形成次生承载圈，长锚杆及锚索主要发挥抑制顶板的离 层和沿弱面的剪切滑移破坏的作用[21]。高明仕等基于叠加支护理论提出了梯次支 护理论，主张在次生承载圈的基础上，通过采用短锚索和长锚索进一步提高支护 系统的抗剪和抗拉能力[22]。 1.2.3 大断面软岩巷道围岩控制技术研究现状大断面软岩巷道围岩控制技术研究现状 巷道支护方式经历从以木棚支护、砌碹支护、型刚支护为代表的被动支护到 以锚杆为主的主动支护的转变过程[23]。随着大断面软岩巷道围岩控制理论研究的 不断发展，学者们基于具体的生产地质条件，有针对的提出了许多有效的大断面 万方数据 第一章 绪论 - 4 - 软岩巷道围岩控制技术。我国煤矿自 1956 年开始使用锚杆支护，经过多年的研究 试验，因其具有主动支护的优点，能够充分发挥围岩自身承载能力，目前已被国 内外学者广泛认可和应用，因此大断面软岩巷道多以锚杆为主联合锚网索支护 [24-27]。张占涛在分析了大断面巷道变形破坏特征后，研究了锚杆、锚索以及锚杆 锚索协调支护作用，提出了高预应力高强度锚杆联合锚索支护的支护方式，认为 预紧力是锚杆锚索联合支护的关键，锚杆锚索预紧力给围岩施加围压，主动支护 围岩保持其稳定，同时高预应力锚索具有减跨作用，有利于控制顶板稳定 [28]。朱 昌星通过研究大断面巷道变形破坏特征，得出了大断面巷道主要支护部位，并提 出利用锚杆、锚索对关键部位加以控制以保持围岩稳定[29]。 随着“新奥法”理论的提出及发展，围岩自身承载能力得到了一定的重视， 一些学者认为采用喷浆加固、注浆加固手段改善围岩自身承载能力，能有效的控 制大断面软岩巷道围岩稳定[30-34]。宗义江等研究了大断面极不稳定软岩巷道，认 为该类巷道围岩变形分为三个阶段变形调整阶段、变形稳定阶段、变形加速阶 段，并提出了阶段性支护技术，第一阶段采用高强树脂锚杆加固，第二阶段采用 注浆加固，第三阶段对关键部位控制，取得了较好的工程实践效果[35]。贾安立通 过古汉山大断面软岩硐室的研究，提出采用“一次支护强力锚喷网适时二次锚 注支护”的支护技术[36]。陈艾针对大断面软岩巷道特性及巷道破坏机理，认为锚 注支护可提高软岩巷道围岩强度及稳定性，因此提出锚注联合支护技术 [37]。李宪 伟等针对高应力、大断面软岩巷道表现出流变特性、强烈底鼓的特点，提出锚网 注的围岩控制技术，通过对地板安装注浆锚杆加强支护以形成对两帮围岩的有力 支撑，从而实现全断面围岩的稳定[38]。 何满潮[39]基于对柳海煤矿运输大巷破坏原因分析，提出了大断面软岩巷道的 刚柔层桁架支护的耦合支护技术，该技术的特点是在支护结构中设置刚性层何柔 性层，刚性层和柔性层之间留有一定的空隙，柔性层可吸收高应力软岩较大的变 形能，刚性层可发挥其优势，通过力学杠杆原理将劣势转化为优势，从而保持围 岩稳定。该技术成功应用于柳海煤矿，并取得了很好的支护效果，具有借鉴意义。 1.3 主要研究内容主要研究内容 论文以大断面软岩巷道为研究对象，结合毕节市红林煤矿回采巷道具体生产 地质条件，在国内外现有研究的基础上，综合采用现场勘查调研、理论分析、数 值模拟和现场试验等方法，对大断面软岩巷道支护技术进行系统性的研究，主要 万方数据 湖南科技大学专业硕士学位论文 - 5 - 研究内容如下 （1）大断面软岩巷道变形破坏特征及失稳机理研究。理论分析大断面软岩巷 道围岩破坏机理，分析其变形破坏特征；采用数值模拟不同巷道尺寸围岩应力、 位移和塑性区分布规律，进一步揭示大断面巷道围岩变形破坏特征及围岩失稳机 理。 （2）大断面软岩巷道支护技术研究。理论分析支护结构与围岩的相互作用关 系，选取合理的支护形式，重点分析锚杆、锚索联合支护对围岩稳定的控制原理； 提出不同的支护方案，采用数值模拟的方法，分析巷道围岩在不同的支护参数下 巷道围岩稳定性，确定合理的支护方法及参数。 （3） 工业性试验研究。 将研究成果应用于现场实践， 现场观测巷道变形规律， 综合分析相关数据得出巷道矿压显现规律，验证提出的大断面软岩巷道支护措施 的合理性。 1.4 研究方法与技术路线研究方法与技术路线 （1）现场勘查、收集资料。 现场勘查了解煤矿在巷道支护中存在的问题及难点，了解并分析具体的生产 地质条件；收集、查阅国内外相关文献，了解大断面软岩巷道围岩控制理论及技 术的发展现状。 （2）理论研究分析。 理论分析大断面软岩巷道变形破坏因素， 总结大断面软岩巷道变形破坏特征， 揭示变形破坏机理。 （3）运用数值模拟的方法。 通过分析不同巷道尺寸下巷道围岩应力、位移、塑性区分布规律，说明大断 面软岩巷道与普通巷道的不同点，揭示大断面软岩巷道变形破坏特征及机理；通 过数值模拟不同的支护参数下，分析巷道围岩变形破坏规律，设计合理的巷道支 护方案及参数。 （4）现场工业性试验验证。 基于提出的大断面软岩巷道支护技术，结合具体的工程实例，现场观测分析 大断面软岩巷道围岩变形规律，以验证支护效果。 万方数据 第一章 绪论 - 6 - 万方数据 湖南科技大学专业硕士学位论文 - 7 - 第二章第二章 大断面软岩巷道围岩变形破坏特征及失稳机理大断面软岩巷道围岩变形破坏特征及失稳机理 2.1 大断面软岩巷道破坏理论分析大断面软岩巷道破坏理论分析 2.1.1 巷道围岩变形破坏机理巷道围岩变形破坏机理 巷道掘进前，岩体处于应力平衡状态。巷道开挖扰动，应力平衡状态遭到破 坏，应力重新分布，巷道围岩出现应力集中。巷道