弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护优化研究.pdf

分类号分类号T T T T D353D353D353 D353 密密级级公公开开 U U U U D D D D CCC C 单位代码单位代码 104241042410424 10424 学学位位论论文文 弱胶结软岩巷道弱胶结软岩巷道弱胶结软岩巷道 弱胶结软岩巷道 围岩稳定性分析及支护优化研究围岩稳定性分析及支护优化研究围岩稳定性分析及支护优化研究 围岩稳定性分析及支护优化研究 孔孔 令令 辉辉 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业名称专业名称岩土工岩土工程程 指导教师姓名指导教师姓名王王 渭渭 明明职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年五月二零一一年五月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 弱胶结软岩巷道围岩弱胶结软岩巷道围岩弱胶结软岩巷道围岩 弱胶结软岩巷道围岩 稳定性分析及支护优化研究稳定性分析及支护优化研究稳定性分析及支护优化研究 稳定性分析及支护优化研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 孔孔 令令 辉辉入学时间入学时间入学时间 入学时间 20082008年年 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 岩土工程岩土工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 城市与矿山地下工程城市与矿山地下工程 指导教师指导教师指导教师 指导教师 王王 渭渭 明明职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 20112011年年 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 20112011年年 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 StabilityStabilityStability Stability AnalysisAnalysisAnalysis Analysis AndAndAnd And SupportSupportSupport Support OptimizationOptimizationOptimization Optimization OnOnOn On WeakWeakWeak Weak CementationCementationCementation Cementation SoftSoftSoft Soft RockRockRock Rock RoadwayRoadwayRoadway Roadway A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by KongKongKong Kong LinghuiLinghuiLinghui Linghui SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor WangWangWang Wang WeimingWeimingWeiming Weiming CollegeCollegeCollege College ofofof of CivilCivilCivil Civil EngineeringEngineeringEngineering Engineering andandand and ArchitectureArchitectureArchitecture Architecture MayMayMay May 201120112011 2011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了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，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 弱胶结软岩巷道支护问题是我国西部煤矿开采过程中出现的新问题，研究该类软岩 的支护方法和施工技术对于加快西部煤矿开采，保证我国能源供应具有重要而现实的意 义。 本文以西部弱胶结软岩巷道的支护为主要内容，通过理论分析、数值模拟以及现场 实践经验相结合，重点解决了以下问题 1 总结了弱胶结软岩的特性，指出弱胶结软岩具有胶结性弱、强度低、易风化、 易水解、成岩不完全等特点； 2 采用应变软化模型推导出圆形巷道应力和变形分布规律，并引入屈服接近度和 应变软化度来评价围岩的稳定性； 3 将巷道破坏视为一个渐进破坏的过程，分析了巷道围岩应力应变演化规律，同 时采用数值模拟软件分析了不同原岩应力作用下围岩不同部位的稳定性，分析指出弱胶 结软岩巷道支护应遵循的原则； 4 讨论了多种支护形式的作用机理和变形受力特点，在此基础上分析了其在弱胶 结软岩巷道中的适用性，对支护参数的选取进行了讨论； 5 针对弱胶结软岩巷道常出现的问题，如富水弱胶结软岩段、软弱夹层以及巷道 底臌进行了理论和数值模拟分析，总结了其应力分布规律，并在此基础上提出了相应的 防治措施； 6 对某煤矿的弱胶结泥岩段巷道和富水砂岩段的支护情况进行了介绍，并结合数 值模拟分析，验证了本文观点。 关键词关键词 弱胶结；软岩巷道；支护；支护机理；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文Abstract ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT Weak cementation soft rock roadway is a new problem that appeared during the mining of western coal mines. Studying on the support technology and construction technology has great importance on accelerating the mining on western coal mines and ensuring the energy supply of our country. This article takes the roadway support of Weak cementation soft rock as the major contents. By means of theoretical analysis, numerical simulation and field practice, mainly solved the problems as follows 1 The characters of weak cementation soft rock is summarized, and the characters such as weak cementation, low strength, easy weathered, easy hydrolysis and incomplete rock- ing is pointed out. 2 The stress and displacement distribution law of circular roadway is derived by using the strain softening model, and the yield approach degree and strain softening approach degree is introduced to uation the stability of the surrounding rock. 3 The stress and strain evolution law of the roadway surrounding rock is analyzed by means of considering the broken of the roadway as a progressive failure. Besides, Using numerical simulation software, the stability under different primary rock stress distribution and different part of the surrounding rock is analyzed. Finally, the principle that the support of the weak cementation soft rock roadway should follow is pointed out. 4 The action mechanism and applicability in the weak cementation soft rock roadway of many kinds of supports is discussed. The selection of support parameters is also discussed. 5 Aiming at the common problems encountered in the weak cementation soft rock roadway, such as water-rich weak cementation soft rock roadway, weak intercalation and floor heave, the stress distribution law is analyzed by using theoretical analysis and numerical simulation. Based on it, the prevention measures is put forward. 6 Combining with numerical simulation, the excavation of the weak cementation mudstone roadway and water-rich sandstone roadway in some coal mine is introduced to demonstrate the viewpoint of this article. KeywordsKeywordsKeywords Keywords weakcementation; soft rockroadway;support; support mechanism; numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1 课题的研究背景和必要性.......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................... 3 1.3 研究思路及内容.......................................................................................................... 6 1.4 研究方法和创新点...................................................................................................... 7 2 2 2 2 弱胶结软岩特性研究弱胶结软岩特性研究弱胶结软岩特性研究 弱胶结软岩特性研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 9 9 2.1 弱胶结软岩的基本特征.............................................................................................. 9 2.2 弱胶结软岩本构关系模型.......................................................................................... 9 2.3 围岩屈服和破坏的评价指标.................................................................................... 20 2.4 小 结.......................................................................................................................... 23 3 3 3 3 弱胶结软岩巷道围岩支护技术研究弱胶结软岩巷道围岩支护技术研究弱胶结软岩巷道围岩支护技术研究 弱胶结软岩巷道围岩支护技术研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242424 24 3.1 弱胶结软岩巷道围岩应力和位移分布特征............................................................ 24 3.2 弱胶结软岩巷道支护形式探讨................................................................................ 33 3.3 小结............................................................................................................................ 49 4 4 4 4 弱胶结软岩巷道稳定性控制技术弱胶结软岩巷道稳定性控制技术弱胶结软岩巷道稳定性控制技术 弱胶结软岩巷道稳定性控制技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505050 50 4.1 富水弱胶结软岩巷道段支护技术............................................................................ 50 4.2 软弱夹层对巷道稳定性的影响与控制.................................................................... 53 4.3 弱胶结软岩巷道底臌防治技术................................................................................ 58 4.4 小结........................................................................................................................ 62 5 5 5 5 弱胶结软岩巷道支护实践弱胶结软岩巷道支护实践弱胶结软岩巷道支护实践 弱胶结软岩巷道支护实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636363 63 5.1 概 况.......................................................................................................................... 63 5.2 巷道支护实践............................................................................................................ 65 5.3 小 结.......................................................................................................................... 74 6 6 6 6 结论与展望结论与展望结论与展望 结论与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757575 75 6.1 结 论.......................................................................................................................... 75 6.2 展 望.......................................................................................................................... 76 致致致 致 谢谢谢 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777777 77 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果 攻读硕士期间的主要成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787878 78 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .