深井马头门耦合支护及围岩稳定性分析.pdf

分类号分类号TDTD353353 密密 级级 公公 开开 U U D C D C 单位代码单位代码 1 104240424 二零一七年五月二零一七年五月 学学 位位 论论 文文 深井马头门耦合支护及围岩稳定性分析深井马头门耦合支护及围岩稳定性分析 李鹏李鹏 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 岩土工程岩土工程 指导教师姓名指导教师姓名 乔卫国乔卫国 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 万方数据 万方数据 论文题目论文题目 深井马头门耦合支护及围岩稳定性分析深井马头门耦合支护及围岩稳定性分析 作者姓名作者姓名 李李 鹏鹏 入学时间入学时间20142014 年年 9 9 月月 专业名称专业名称岩土工程岩土工程 研究方向研究方向岩土力学理论与应用岩土力学理论与应用 指导教师指导教师 乔卫国乔卫国 职职 称称教教 授授 论文提交日期论文提交日期20172017 年年 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期20172017 年年 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 ANALYSIS OF COUPLING SUPPORT AND SURROUNDING ROCK STABILITY OF THE INGATE IN DEEP WELL A Dissertation ted in fulfillment of the redquirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Peng Supervisor Professor Qiao Weiguo College of Civil Engineering and Architecture 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。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。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。本人完全意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 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所大学有关保留、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，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。师生阅读、浏览。 （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）） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照在规定的学习年限内，按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，完成了，完成了 课程课程学学习，成绩合格习，成绩合格，，修满规定学分修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文；在我的指导下完成本学位论文，，论文中论文中 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，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， 同意将本论文作为申请学位论文。同意将本论文作为申请学位论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 煤炭是我国能源发展战略不可或缺的资源，近年来我国的煤炭开采逐渐向 深部进军。煤矿进入深部开采后，采矿环境逐步恶化，随之而来的还有“三高 一扰动”难题，这将给深井围岩稳定性控制带来巨大的挑战。 马头门作为重要的连接部位，结构上较为复杂，应力集中部位较多，施工 困难。本文基于国内外学者的研究成果，分析研究深井马头门巷道围岩变形破 坏规律及耦合支护技术。采用理论分析、室内试验、数值模拟和现场监测手段 以磁西一号井副井马头门为例，进行以下研究 （1）基于近年来国内外马头门巷道失稳破坏的案例，分析深井马头门围岩 变形破坏特征和破坏机理，总结深井马头门巷道耦合支护技术； （2） 基于深部围岩非线性能释放规律利用数值模拟和解析解方法分析深井 马头门巷道强度耦合、刚度耦合和结构耦合； （3） 利用大型有限元软件 MIDAS/GTS 模拟磁西一号井副井马头门开挖与支 护，并分别对不同初期支护方案和二次支护参数进行模拟分析，以期得到最优 初期支护方案和最佳支护参数。最终确定初期滞后距离为 2m，初期支护方案采 用全断面锚杆支护锚索注浆喷射混凝土并挂金属网，二次支护采用强度为 C40、厚度为 500mm 的钢筋混凝土衬砌。 本文通过理论分析和数值模拟探索出深井马头门耦合支护机制，并将本文 研究成果应用于现场工程,同时结合矿压监测结果验证耦合支护技术的合理性。 本文的研究为深井马头门耦合支护和提高围岩稳定性提供借鉴，并能指导现场 施工，对相同地质条件的深部矿井开采具有重要的指导意义。 关键词关键词深井马头门；耦合支护；MIDAS/GTS；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT Coal is an indispensable resource for Chinese energy development strategy. In recent years, Chinese coal mining has gradually entered the deep coal. Coal mining into the deep mining, the mining environment gradually deteriorated, followed by the problem of “three high and one perturbation“, which will give deep well rock stability control brought great challenges. Ingate as an important part of the connection, the structure is more complex, more stress concentration sites, construction difficulties.Based on the results of scholars at home and abroad, this paper analyzes and studies the deation and failure of the surrounding rock in ingate roadway and the coupling support technology. The following studies were carried out by means of theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and on-site monitoring. In this paper, the ingate of CiXi NO.1 mine as an example to the following study （1）Based on the case analysis of the damage mechanism of the ingate surrounding rock in recent years, this paper summarizes the coupling support technology of the ingate roadway in the deep well. （2） Based on the nonlinear energy release law of deep surrounding rock, numerical simulation, elastic plastic analysis and analytical solution are used to analyze the coupling strength and the coupling of the stiffness and the coupling of the structure. （3） The large-scale finite element software MIDAS/GTS was used to simulate the excavation and support of the ingate of the auxiliary shaft of the CiXi NO.1 mine. The initial support scheme and the secondary support parameters were simulated and analyzed respectively in order to obtain the optimal initial support program and optimal support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III parameters. The initial support delay is 2m. The initial support scheme adopts full section anchor supportanchor cablegroutingshotcrete and metal mesh. The secondary support adopts reinforced concrete lining with strength of C40 and thickness of 500mm. The coupling mechanism of ingate in deep shaft was explored by combining theoretical analysis and numerical simulation, and applies the results of this paper to field engineering. Rationality of Coupling Support Technology to verify the results of ground pressure monitoring. The research of this paper can provide reference for improving the coupling degree and the stability of the surrounding rock of ingate support, and can guide the construction of the site, which has important guiding significance for the deep mining of the same geological conditions. KeywordsIngate of deep well, Coupling support, MIDAS/GTS, Numerical Simulation. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................ IV 1 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 1.3 本文研究内容及研究方法 ..................................... 5 2 2 深井马头门变形破坏特征及机理研究深井马头门变形破坏特征及机理研究 ............................................... 8 8 2.1 近年来国内深井马头门变形破坏案例 ........................... 8 2.2 深井软岩巷道破坏特征及围岩稳定性影响因素分析 ................ 9 2.3 深井软岩巷道的支护技术 .................................... 13 2.4 本章小结 .................................................. 14 3 3 深井马头门耦合支护机制分析深井马头门耦合支护机制分析 .......................................................... 1515 3.1 耦合支护机制概述 .......................................... 15 3.2 深部软岩巷道内部非线性能释放规律 .......................... 17 3.3 强度耦合 .................................................. 17 3.4 刚度耦合 .................................................. 30 3.5 结构耦合 .................................................. 32 3.6 本章小结 .................................................. 37 4 4 基于基于MIDAS/GTS MIDAS/GTS 深井马头门耦合支护数值模拟分析深井马头门耦合支护数值模拟分析 ..................... 3939 4.1 数值模拟软件 .............................................. 39 4.2 深井马头门数值模型建立 .................................... 39 4.3 初支护优化模拟分析 ........................................ 41 4.4 二次支护时机及二次支护方案的确定 ........................... 50 4.5 本章小结 .................................................. 60 5 5 磁西一号井副井马头门支护工程实例磁西一号井副井马头门支护工程实例 ............................................. 6161 5.1 工程概况 .................................................. 61 5.2 支护方案及支护参数 ........................................ 62 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.3 矿压监测 .................................................... 66 5.4 本章小结 .................................................... 76 6 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................... 7878 6.1 结论 ........................................................ 78 6.2 展望 ........................................................ 78 参考文献参考文献 .................................................................................................. 8080 致谢致谢 .......................................................................................................... 8484 攻读硕士期间成果攻读硕士期间成果 .................................................................................. 8484 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents ABSTRACT .................................................................................................. Contents I ................................................................................................... VI 1 Introduction ............................................................................................... 1 1.1 Research background and significance............................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ................................................................................... 2 1.3 The content of this study and research s ................................................................ . 5 2 Deation and damage characteristics and mechanism of ingate in deep mine ......................................................................................................... 8 2.1 In recent years, the domestic deep shaft ingate deation and failure cases................... 8 2.2 Damage characteristics and influence law of soft rock roadway in deep mine................... 9 2.3 Support technology of soft rock roadway in deep mine.................................................... 13 2.4 chapter summary............................................................................................................... 14 3 Analysis of coupling support mechanism for deep well ingate ...................... 15 3.1 Summary of coupling support mechanism........................................................................ 15 3.2 Non - linear release law of deep soft rock roadway.......................................................... 17 3.3 Strength coupling.............................................................................................................. 17 3.4 Stiffness coupling.............................................................................................................. 30 3.5 Structural coupling............................................................................................................ 32 3.6 chapter summary............................................................................................................... 37 4 Numerical Simulation Analysis of ingate coupling support based on MIDAS/GTS ........................................................................................... 39 4.1 Numerical simulation software......................................................................................... 39 4.2 The establishment of numerical model of ingate.............................................................. 39 4.3 Simulation analysis of initial support scheme optimization.............................................. 41 4.4............... Determination of Secondary Support Timing and Secondary Support Scheme 50 4.5 chapter summary............................................................................................................... 59 5 An Example of ingate supporting project in the vice well of CiXi NO.1CiXi NO.1 minemine. . ................................................................................................................... 60 5.1 Project Overview .............................................................................................................. 60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5.2 Supporting scheme and supporting parameter...................................................................... 61 5.3 Mine pressure monitoring..................................................................................................... 65 5.4 chapter summary .................................................................................................................. 75 6 Conclusion and Expectation ...................................................................................... 77 6.1 Conclusion............................................................................................................................ 77 6.2 Expectation........................................................................................................................... 77 Reference ....................................................................................................... 79 Acknowledge .................................................................................................. 83 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Paper ........ .. 84 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究背景及意义研究背景及意义 煤炭是我国能源发展战略不可或缺的资源。在一次性能源生产和消耗行列 中，煤炭的消耗占了一多半。我国的煤炭资源相对比较丰富，但资源的分布极不 平衡，而且赋存的地质条件较差。从已探明的煤炭资源储量情况来看，华北地区 煤炭储量约占总量的 49，占据了煤炭资源的半壁江山。由文献 [1]可知新汶孙村 煤矿是国内开采最深的矿井，其开采深度达 1350m。我国千米深井中约 91.48 深井集中在 1000～1299m，平均埋深为 1086m，其中彩屯矿开采深度已经突破 1199m，赵各庄煤矿达到了 1157m的深度，张小楼煤矿开采到-1069m水平面，孙 村矿、门头沟矿、长厂矿和冠山矿开采深度均在 1000m1100m之间。煤矿进入深 部开采后，深井围岩稳定性控制成为越加重要的难题，采矿环境逐步恶化，围岩 的强流变性等都是不可忽略的影响因素。高效、安全又经济地进行深部煤炭资源 的开采，是目前我国深部煤炭资源开发亟待解决的重大技术问题。 本文研究主要以冀中能源集团峰峰矿区九龙矿磁西一号井副井马头门为对 象， 根据该井马头门工程地质资料和施工方案分析深井马头门围岩变形破坏规律 及耦合支护技术。 工程地质资料表明该井马头门埋深 1340m， 为直墙半圆拱形断 面，最大掘进高度为 6.6m，最大掘进宽度为 8.2m。由于埋藏深和断面大，使得 马头门处地应力较大，同时邻近硐室群的施工扰动导致围岩应力叠加，上述因素 导致马头门处支护难度大。因此，需要对深井马头门处支护方案和支护结构进行 优化， 摒弃传统的仅采用单一支护方式的观点， 采用一次支护与二次支护相结合、 刚柔并济的方式来保证深井马头门围岩的稳定性。 优化后的支护方案在强度上应 满足初期支护时机的耦合，一次支护与二次支护的耦合；在刚度上应满足支护结 构与围岩变形协调一致；在结构上应加固围岩应力集中区，保证围岩的稳定性。 为此， 以磁西一号井副井马头门为对象开展深井马头门耦合支护机制和围岩 稳定性控制技术研究， 对深井马头门围岩稳定性控制和煤矿安全生产具有重要的 理论意义和工程价值。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前国内外研究耦合支护的学者较多，但大多数学者仅从单一方面来分析， 且仅仅是局限于定性分析层面上。支护时机是决定耦合支护成败至关重要的因 素，现今在公路、铁路等隧道工程中主要集中研究二次支护时机。对于深部高应 力软岩巷道，由于高地应力和围岩变形量大且持续时间长等原因，初期支护时机 也是需要重点考虑的对象， 对于此类问题的研究在软岩巷道耦合支护研究中相对 较少。 1.2.11.2.1 国内研究现状国内研究现状 早期学者齐干 [2]等针对工程地质条件极其复杂的鹤煤九矿-420m水平变电所 硐室，采用现场调研、室内试验、理论分析并利用数值模拟软件进行分析，得出 该硐室的围岩类型和变形力学机制，由此确定了锚网喷锚索钢带底角锚杆耦 合支护形式控制深部大断面硐室软岩巷道的大变形。 柏建彪 [3]等采用指数蠕变模型得到围岩变形随时间的变化规律，并通过一次 支护后围岩的应力变化速度和围岩表面位移变形速率确定最佳二次支护时机， 从 而实现了一次支护与二次支护的耦合。 宗义江 [4]等分析极破碎软岩巷道围岩变形破坏机理和破坏特征，提出了预留 变形量、锚网索喷耦合支护、二次锚注加固组成的动态迭加耦合支护技术方案