高应力软弱巷道围岩失稳机理及支护技术研究.pdf

分类号分类号TD353密密级级公公开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 高高应应力力软软弱弱巷巷道道围围岩岩失失稳稳机机理理及及支支护护 技技术术研研究究 焦鲁刚焦鲁刚 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称采矿工程采矿工程 指指导导教教师师姓姓名名秦秦 忠忠 诚诚职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○一七一七年年五五月月 万方数据 论文题目论文题目 高应力软弱巷道围岩失稳高应力软弱巷道围岩失稳机理及机理及支护支护 技术技术研究研究 作者姓名作者姓名 焦焦 鲁鲁 刚刚入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 秦秦 忠忠 诚诚职职称称 教教授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 MECHANISMAND TECHNOLOGY OF FAILURE OF ROCK RODAWAYSUPPORT IN HIGH STRESS WEAK SURROUNDING ROCK ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Jiao Lugang Supervisor ProfessorQin Zhongcheng School of Mining and Safety Engineering May 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明 引用的内容外引用的内容外，， 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。识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指 定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案 馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开手段保存和汇编学位论文；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。览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论 文中的观点文中的观点、、数据数据、、表述和结构为我所认同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论文撰写格式符合学校的相关规定，， 同意将本论文作为申请学位论文。同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 本文针对霄云煤矿高应力软弱围岩巷道存在的支护与加固问题，主要以高 应力软弱巷道围岩失稳机理以及其支护技术等问题为研究对象，通过多学科、 多方法综合研究，提出采用“可缩 U 型钢棚（架）锚喷锚索滞后注浆”联合 支护技术修复加固巷道围岩，该技术现场取得了良好的加固支护效果。 霄云煤矿东翼轨道大巷围岩支护存在围岩条件差，矿山压力及构造应力增 大、影响强度加大等问题，具有典型的大变形、流变特性，巷道一直处于变形 破坏过程中，其变形规律可分为急剧变形期、稳定变形期、流变变形期三个时 期。由于巷道围岩流变和碎胀变形非常明显，支护体系需要承受很大的变形压 力，如果支护体系不能够及时抗压，形变压力使围岩破坏并转变为松动压力， 很可能就会使支护体系变形而失去效应，这也就是巷道工程变形破坏的机理所 在。 基于巷道围岩特性及围岩失稳机理的研究成果，提出在霄云煤矿东翼轨道 大巷围岩控制的问题上，采用“可缩 U 型钢棚（架）锚喷锚索滞后注浆”支 护技术。为了验证其可行性，采用 FLAC3D数值分析软件对其进行了计算机模 拟与对比分析，模拟共确定了 4 个支护方案。模拟结果表明，方案 4“可缩 U 型 钢棚（架）锚喷锚索滞后注浆”能够形成稳固的承载圈，实现分层等强加固 和让压状态下的及时高阻力支护，可以保证巷道的长期稳定。 在工程实践中进行了“可缩 U 型钢棚（架）锚喷锚索滞后注浆”方案设 计， 并对支护效果进行了监测分析。 现场监测和数据表明， “可缩 U 型钢棚 （架） 锚喷锚索滞后注浆”支护可以满足生产对巷道断面的要求。经加固处理后， 巷道围岩的变形均大幅度减小， 并趋于稳定状态， 顶底板相对移近量为 115mm， 两帮相对移近量为 92mm，相比于加固支护前的巷道围岩，其稳定状况有了很 大改善。同时，巷道锚杆和锚索的受力更加趋于合理。 关键词关键词高应力；软弱围岩；破坏机理；支护技术；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstracts Abstract This paper aiming at the problem of Xiaoyun coal mine high stress soft roadway in support and reinforcement，mainly in high stress soft roadway surrounding rock instability mechanism and its supporting technology as the research object. Based on comprehensive study through multidisciplinary and multiple s，this paper puts forward a new of repairing the surrounding rock by using the combined support technology of “compressible U steel shed frame anchor anchor ropedelayed grouting“. The technology has achieved good reinforcement effect. Xiaoyun coal mine east wing track roadway surrounding rock supporting existing poor surrounding rock condition，mining stress and tectonic stress increase ， impact strength increasing etc ， it has the characteristics of large deation and rheology，the roadway has been in the process of deation and failure，the deation law can be divided into three periodsrapid deation period，stable deation period and rheological deation period. Because of the rheological and hulking deation of roadway surrounding rock is very obvious， the supporting system is subject to large deation pressure，if the support system can not be compressed in time，the deation pressure makes the surrounding rock damage and change into the loose pressure， it is likely to make the support system deation and lose effect，and this is where the deation failure mechanism of roadway engineering. Based on theresearch results of roadway surrounding rock characteristics and surrounding rock instability mechanism，in Xiaoyun coal mine east main roadway control problems，adopt “compressible U steel shed frame anchor anchor ropedelayed grouting“ retaining technology. In order to verify its feasibility， the computer simulation and comparative analysis are carried out by using FLAC3Dnumerical analysis software，and the simulation has confirmed four supporting scheme. Simulation results show that Plan 4 “compressible U steel shed frame anchor anchor ropedelayed grouting“ can stable bearing ring，to realize the same level of hierarchical reinforcement and make timely high resistance of supporting pressure condition，to ensure long-term stability of the roadway. In the engineering practice, the plan of “compressible U steel shed frame anchor anchor ropedelayed grouting“ is carried out， and the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstracts supporting effect is monitored and analyzed. Site monitoring and data show that the support of “compressible U steel shed frame anchor anchor ropedelayed grouting“ can meet the requirements of the production section. After reinforcement treatment，the deation of roadway surrounding rock is greatly reduced and tends to be stable，the relative displacement of the top and bottom plate is 115mm, and the relative displacement of the two groups is 92mm，compared with the surrounding rock of the tunnel, the stability has been greatly improved. At the same time, the force of bolt and anchor rope is more reasonable. Keywords high stress；soft rock；failure mechanism；supporting technology；numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 绪绪 论论...................................................................................................... 1 1.1问题的提出..................................................................................................1 1.2本课题国内外研究现状..............................................................................2 1.3现有研究存在的问题..................................................................................7 1.4主要研究内容与研究路线..........................................................................8 2 工程地质条件分析工程地质条件分析..............................................................................10 2.1矿井地质条件分析....................................................................................10 2.2巷道地质条件分析....................................................................................15 2.3本章小结....................................................................................................19 3 高应力软弱巷道围岩高应力软弱巷道围岩失稳及破坏机理分析失稳及破坏机理分析.....................................20 3.1高应力软弱巷道围岩的变形破坏现象....................................................20 3.2高应力软弱巷道围岩的变形破坏特征....................................................21 3.3东翼轨道大巷现场实测分析....................................................................22 3.4高应力软弱巷道围岩破坏机理分析........................................................25 3.5高应力软弱巷道围岩变形破坏原因分析................................................31 3.6本章小结....................................................................................................32 4 高应力软弱巷道围岩支护对策研究高应力软弱巷道围岩支护对策研究................................................. 34 4.1高应力软弱巷道围岩支护原则................................................................34 4.2高应力软弱巷道围岩支护技术................................................................35 4.3高应力软弱巷道支护数值计算分析........................................................39 4.4本章小结....................................................................................................49 5 巷道支护现场应用与控制效果分析巷道支护现场应用与控制效果分析................................................. 51 5.1东翼轨道大巷围岩加固技术方案............................................................51 5.2巷道围岩稳定性控制效果分析................................................................54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5.3本章小结....................................................................................................61 6 主要结论及展望..................................................................................62 6.1主要结论....................................................................................................62 6.2进一步研究与发展....................................................................................64 参考文献参考文献..................................................................................................65 致致 谢谢........................................................................................................ 73 作者攻读硕士期间主要研究成果作者攻读硕士期间主要研究成果..........................................................74 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents Contents 1 Introductions............................................................................................................1 1.1Raising of problem...........................................................................................................1 1.2The domestic and foreign research status of this subject.................................................2 1.3Existing research problems.............................................................................................. 7 1.4Main rsearch contents and technique toute......................................................................8 2Analysis of the engineering geological conditions...............................................10 2.1Analysis of the geological conditions of mine...............................................................10 2.2Analysis of tunnel geological condition.........................................................................15 2.3Brief summary of this chapter........................................................................................19 3 High stress weak surrounding rock instability and the failure mechanism analysis.................................................................................................................20 3.1High stress weak surrounding rock deation and failure phenomenon...................20 3.2High stress weak surrounding rock deation and failure characteristics.................21 3.3Field measurement analysis of the East Wing track roadway........................................22 3.4High stress analysis of failure mechanism of weak surrounding rock.......................... 25 3.5High stress analysis of weak surrounding rock of roadway deation causes..........31 3.6Brief summary of this chapter........................................................................................32 4 Study on the supporting for weak surrounding rock of roadway with high stress............................................................................................................ 34 4.1The principle of high stress and weak surrounding rock of roadway supporting..........34 4.2High stress weak surrounding rock of roadway supporting technology........................35 4.3Numerical analysis of high stress weak roadway support.............................................39 4.4Brief summary of this chapter........................................................................................49 5 Field application and effect analysis of roadway support..................................51 5.1The technical scheme of surrounding rock reinforcement in the East Wing track........51 5.2Analysis of control effect of roadway surrounding rock stability..................................54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents 5.3Brief summary of this chapter........................................................................................61 6 Main conclusions and prospects...........................................................................62 6.1Main conclusions............................................................................................................62 6.2Further research and development................................................................................. 64 Main References Documents....................................................................................65 Thanks........................................................................................................................73 Main WorkAchievements of theAuthor during Working on Master Paper......74 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪绪 论论 1.1问题的提出问题的提出 随着矿井开采能力和机械化程度的不断提高，目前我国多数井工煤矿陆续 进入了深部资源开采阶段。矿井开采深度逐年以 812m 的速度增加，深部矿井 数量逐渐增多，未来我国煤矿深部开采的问题将越来越引起人们的重视[1-5]。 浅部矿产资源逐渐减少，使得深部矿产开采成为矿业工程发展的必然趋势 [6]。随着矿井开采逐渐向深部扩展，地质环境趋于复杂，普遍面临矿山压力及构 造应力增大、巷道围岩特性由脆性向延性转化等问题的困扰和威胁，为深部资 源开采提出了严峻的挑战[7-9]。深部岩石的破坏往往伴随有较大的塑性变形，岩 石持续变形而且长时间处于蠕变或流变状态，主要表现在巷道支护、维护难度 加大，巷道往往需要多次维修与翻修，巷道工程支护成本提高[10-13]。对于深部 高应力条件下的软弱围岩巷道，普遍存在巷道屡修屡坏、支护费用高等问题， 其治理对策研究成为井巷施工的重要问题。由于高地应力和围岩蠕变的作用， 砌碹、金属支架等刚性支护结构所要承受的形变压力很大，施工后不久即被破 坏；锚杆、锚索等虽被认为是主动支护，但由于所锚固岩体的岩性软弱、松散、 破碎，且软化现象显著，不能形成稳定可靠的主动支护结构，很难满足深井高 应力软弱巷道的围岩控制要求[14-16]。所以，巷道围岩的控制及其灾害的防护一 直是目前煤炭工业生产和建设面临的重大问题，甚至决定了资源开发的可行性 及其可持续发展。 近几十年来，国内外专家学者对深部软岩巷道围岩的稳定性控制问题进行 了广泛深入的研究，取得了系列成果，发展并应用了多种软岩巷道工程控制理 论、方法和计算模型，为合理的支护对策与方法选择提供了依据，切实有效地 指导了工程实践， 但由于深部高应力软弱巷道围岩失稳机理和控制问题的复杂性， 现在的诸多认识仍不能满足深部巷道工程的需要，在理论分析和现场实践方面还存 在一系列问题。因此，有必要加强对深部高应力软弱巷道围岩失稳机理及支护技 术研究，探明巷道围岩失稳机理与变形破坏的规律，从而为支护工艺时机、支护方 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 案及合理参数的选择提供依据，对促进矿井深部开采的进一步发展、适应高应力 软弱巷道围岩控制理论及方法的形成和实现高产、高效矿井的建设等都具有重 大意义。 1.2本课题国内外研究现状本课题国内外研究现状 1.2.1深部巷道支护理论研究现状深部巷道支护理论研究现状 从 20 世纪 80 年代初期开始，国外相关专家对深部软岩巷道变形失稳机理 及其控制技术进行了详细研究，以南非、俄罗斯、波兰、德国和日本等为代表。 大量的工程实践和理论研究使软岩巷道支护理论有了比较系统、全面的发展， 并完善和普及了各种支护理论和技术，切实有效地指导了工程实际[17]。目前， 根据深部软岩巷道存在的的非线性大变形、流变等问题，用于指导深部巷道支 护的几种具有代表性的支护理论如下 （1）古典压力理论 20 世纪初发展起来的古典压力理论认为作用在支护结构上的压力是其上 覆岩层的重量γH。古典压力理论以海姆（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和 金尼克（A.H.Nhnk）理论为代表，各理论的不同之处在于对侧压系数有不同的 定义[18,19]。 （2）新奥法理论 20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 提出并应于软岩巷道支护工 程的新奥法支护理论，新奥法的核心是利用围岩的自承能力来支撑隧道围岩， 促使围岩转变为支护结构的重要组成部分，并与其共同作用，以形成一个坚固 的中空筒状支撑环结构[20-23]。 （3）应变控制理论 同山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论，认为隧道围岩的 应变随支护结构的增加而减小，而允许应变则正好相反。因此，通过增加支护 结构，能较容易地将围岩的应变限制在合理的应变范围内[24-26]。 （4）能量支护理论 20 世纪 70 年代，萨拉蒙（M.D.Salamon）等提出了能量支护理论，认为 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，支护结构吸收围岩释放 的部分能量，但能量在传递过程中没有损失。因而，主张利用支护结构的特点， 使其能够自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量[27,28]。 在我国， 20 世纪 50 年代开始进行软岩巷道支护的系统研究， 在巷道断面设 计、支护形式及支护工艺的研究等方面获得了初步经验[29]。20 世纪 80 年代以 后，我国先后组织了多次与软岩工程相关的全国性学术会议，促进了软岩问题 理论研究的进一步发展[30]。20 世纪 90 年代，中国岩石力学与工程学会软岩工 程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技术研究推广中心的成立，这对于逐步解 决深部软岩巷道支护难题，推动软岩工程理论与技术的发展具有重大意义[31]。 目前，我国深部软岩巷道支护方面形成的具有代表性的分析理论主要包括 以下几种 （1）岩性转化理论 20 世纪 60 年代， 陈宗基院士总结出了岩性转化理论， 认为 同样矿物成分、 结构形态的岩体，在不同工程环境、条件下会产生不同的应力、应变，以形成 不同的本构关系。强调岩体是非均质、非连续的介质，其在工程条件下形成的 本构关系绝非简单的弹塑、弹黏塑变形理论特征[32,33]。 （2）轴变理论和开挖系统控制理论 于学馥教授等提出的轴变理论