沿空留巷巷旁支护大砌体结构的力学特性研究.pdf

分类号 TU353 密 级 学 号 201409410 硕士学位论文硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 沿空留巷巷旁支护大砌体结构的力学特性研究 A Analysisnalysis of the Mof the Mechanical echanical C Characteristics haracteristics for the Cfor the Concreteoncrete B Blocklock in Gin Go ob b- -side side E Entry ntry R Retainingetaining 申请人姓名 惠泽 指 导 老 师 惠兴田 学 科 门 类 工学 学 科 名 称 岩土工程 研 究 方 向 岩土工程加固理论与技术 二 O 一七年六月 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 论文题目沿空留巷巷旁支护大砌体结构的力学特性研究 学科名称岩土工程 硕 士 生惠 泽 （签名） 指导教师惠兴田 （签名） 摘 要 沿空留巷巷旁支护采取大砌体混凝土构造，克服了现有巷旁支护体不能同时具有结 构早强、无粉尘、劳动强度小以及快速机械化施工的问题。为此研究大砌体结构作为巷 旁支护体的力学特征要求，并在此研究基础上进行了工业试验。首先从沿空留巷上覆岩 层的垮落活动规律入手，分析得出被动垮落比主动垮落难控制，应及时沿支护体的外侧 切断放顶来减小上覆岩层垮落时的压力。通过对上覆岩层的运动规律与巷旁支护体的互 相作用进行分析，明确了沿空留巷巷旁支护体的力学性能是承载力和变形配合作用下的 函数关系。通过对巷旁支护体在初期支护、切顶支护和后期支护三个时期的工作阻力分 别建立力学计算模型，推导了三个时期的工作阻力表达式，对比得出，切顶阻力结果是 最大的， 应作为设计巷旁支护大砌体结构的技术参数。 针对大砌体结构， 运用Hilsdorf破 坏理论计算得出抗压强度和承载力求解方法，并在巷道顶底板强度和巷旁支护强度相匹 配原则指导下，确定了巷旁支护大砌体结构的宽度存在一个合理的范围，得出设计巷旁 支护砌体结构的流程。采用数值模拟软件对整体墙和大砌块墙体进行研究发现，大砌体 结构比整体承载性能变化不大，但在砂浆层和砌块的附近会产生较大的横向拉应力，成 为结构中的薄弱部位，研究发现，砂浆和砌块的强度越相接近，会使整个砌体构筑物的 受力越发均匀合理。因此在设计巷旁支护大砌体构筑物时应把砌块和砂浆的强度尽量接 近。 在砌块和砂浆的强度等级不变下， 砌体结构的抗压强度会随构筑层数的增加而下降， 五层的砌体强度会比三层的砌体强度降低 4.6左右， 十二层的砌体强度会比三层的砌体 强度降低 6.8左右，进一步说明了大砌体结构的可行性。最后结合龙矿集团盘道煤矿 3203 工作面的实际地质情况和以上研究成果，对 3203 工作面采用大砌体装配结构隔离 墙成套技术进行了工程实践，较小的巷道变形量满足了留巷要求和可观的经济效益，同 时对留巷机械化作业提供了宝贵的经验。 关 键 词沿空留巷；巷旁支护；砌体结构；装配技术 研究类型应用研究 SubjectSubject A Analysisnalysis of the Mof the Mechanical echanical C Characteristics haracteristics for the Cfor the Concrete oncrete B Blocklock in Gin Go ob b- -side side E Entry ntry R Retainingetaining SpecialtySpecialty Geotechnical Geotechnical engineeringengineering NameName Hui ZeHui Ze （（SignaturSignature e）） InstructorInstructor H Hu ui Xingtiani Xingtian （（SignatureSignature）） ABSTRACTABSTRACT The concrete block structure used in tunnel side supporting for gob-side entry retaining can overcome a series of problems such as the early-strength,dust-free,low labor tension and the rapid mechanized construction.Therefore,this paper mainly studies the requirements of mechanical characteristics of the concrete block in tunnel side supporting,based on which industrial tests was carried out.Firstly,according to the analysis result of movement laws of overlying rock strata, the passive caving is more difficult to control than the initiative caving. Therefore,cutting the overlying rock strata along the outer edge of the roadside support promptly is needed to reduce the pressure during the overlying rock strata collapse process. The analysis of interaction between the movement laws of overlying strata and the tunnel side supporting shows that the mechanics perance of tunnel side support for gob-side entry retaining is a function of both bearing capacity and deation.The mechanical resistance ulas during primary supporting,roof cutting supporting,and the late supporting were calculated and deduced by establishing models of working resistance during the three supporting periods.The results show that the work resistance during top cutting supporting period is the largest one,which should be used as a design value for the calculation of concrete block structure.For the structure of concrete block,the of calculating the compressive strength and bearing capacity was calculated by using the Hilsdorf damage theory.Under the guidance of the matching between the roof and floor strength and the support strength of the roadway,the reasonable range of width of the concrete block structure was determined;and the design process of the concrete block structure in tunnel side supporting was obtained.By using the numerical simulation software to study the whole wall and the large masonry wall,it was found that bearing perance of the concrete block structure has little change than the whole wall.However,there is a large lateral tensile stress in the vicinity of the mortar layer and the concrete block,which becomes the weak parts of the structure.This study indicates that if the strength of mortar is similar with that of the concrete block,the whole structure of the concrete block will be more uni and reasonable.Therefore,in the design of the tunnel side supporting,the strength of concrete block structure should be similar with that of mortar.The compressive strength of the concrete block structure decreases with the increase of the number of layers.The strength of the five-story concrete block is about 4.6,which is lower than that of the three-story concrete block; and the strength of the twelve-story concrete block is lower than that of the three-story concrete block about 6.8,which further illustrates the feasibility of concrete block structure.Finally,combined with the actual geological conditions and the above mentioned research results of the 3203 working face of the Longmeng Coal Mine,the engineering practice of the concrete block structure wall was carried out on the 3203 working face.The result of good stay and the economic benefit are achieved.This study provides a valuable experience for mechanized construction. Key wordsKey wordsGob-side entry retaining;Roadside support;Concrete block;Assembly technique Thesis Thesis Application research 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究的背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 研究的背景 ....................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 国内外沿空留巷巷旁支护体研究现状 ...................................................................... 2 1.2.1 国内沿空留巷巷旁支护体研究现状 ............................................................... 2 1.2.2 国外沿空留巷巷旁支护体研究现状 ............................................................... 4 1.2.3 沿空留巷巷旁支护大砌体结构技术应用现状 ............................................... 6 1.3 主要研究内容和技术路线 ........................................................................................ 10 1.3.1 研究内容 ......................................................................................................... 10 1.3.2 研究技术路线 ................................................................................................. 10 2 沿空留巷上覆岩层活动规律及巷旁支护体载荷特征分析 ............................................... 12 2.1 沿空留巷的上覆岩层活动规律分析 ........................................................................ 12 2.1.1 上覆岩层的垮落形式 ..................................................................................... 12 2.1.2 上覆岩层的垮落分期和空间结构 ................................................................. 14 2.2 巷旁支护体的承载特性要求分析 ............................................................................ 16 2.2.1 上覆岩层大结构、小结构稳定性分析 ......................................................... 16 2.2.2 巷旁支护全生命周期的受力和变形特点 ..................................................... 17 2.2.3 巷旁支护体承载特性要求 ............................................................................. 19 2.3 上覆岩层来压与巷旁支护体承载的力学协调机制 ................................................ 21 2.3.1 上覆岩层的来压规律 ..................................................................................... 21 2.3.2 沿空留巷矿压与巷旁支护体的受力变形协调 ............................................. 22 2.4 巷旁支护大砌体结构适应矿压分析 ........................................................................ 23 2.4.1 巷旁支护大砌体结构的产生 ......................................................................... 23 2.4.2 大砌体结构切顶机理分析 ............................................................................. 24 2.4.3 大砌体结构让压适应分析 ............................................................................. 25 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 26 3 巷旁支护大砌体结构力学理论分析 ................................................................................... 27 3.1 巷旁支护大砌体结构受力分析 ................................................................................ 27 3.1.1 初期支护阻力计算 ......................................................................................... 27 西安科技大学硕士学位论文 II 3.1.2 切顶支护阻力计算 ......................................................................................... 28 3.1.3 后期支护阻力计算 ......................................................................................... 32 3.1.4 对比和分析 ..................................................................................................... 34 3.2 巷旁支护大砌体结构抗压强度分析 ........................................................................ 35 3.2.1 混凝土砌块砌体受压破坏机理 ..................................................................... 35 3.2.2 大砌块砌体抗压强度分析 ............................................................................. 35 3.2.3 巷旁支护大砌体结构的承载力计算 ............................................................. 38 3.3 基于老顶断裂的巷旁支护体宽度计算 .................................................................... 39 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 41 4 沿空留巷巷旁支护大砌体结构非线性有限元分析 ........................................................... 43 4.1ANSYS 软件和 SOLID65 单元介绍 ......................................................................... 43 4.1.1 破坏准则 ......................................................................................................... 44 4.1.2 收敛策略 ......................................................................................................... 47 4.2 受压砌体材料的本构关系 ........................................................................................ 48 4.2.1 砌块 ................................................................................................................. 48 4.2.2 砂浆 ................................................................................................................. 49 4.3 模拟方案的建立 ........................................................................................................ 50 4.4 有限元模拟结果分析 ................................................................................................ 52 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 56 5 工业性试验 ........................................................................................................................... 57 5.1 工程概况 .................................................................................................................... 57 5.2 支护方案确定 ............................................................................................................ 59 5.2.1 巷内支护方案 ................................................................................................ 59 5.2.2 巷旁支护方案 ................................................................................................. 60 5.2.3 大砌体结构运输系统 ..................................................................................... 62 5.3 矿山压力观测与控制 ................................................................................................ 64 5.3.1 观测目的及内容 ............................................................................................. 64 5.3.2 观测方案 ......................................................................................................... 64 5.3.3 监测数据分析 ................................................................................................. 66 5.3.4 遇到的问题及改进方法 ................................................................................. 69 5.4 经济效益分析 ............................................................................................................ 70 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 71 目录 III 6 主要结论与展望 ................................................................................................................... 72 6.1 主要结论 .................................................................................................................... 72 6.2 展望 ............................................................................................................................ 72 致谢 .......................................................................................................................................... 74 参考文献 .................................................................................................................................. 75 1绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 1.1.1 研究的背景 煤矿中传统的护巷方法是留设保护煤柱，但煤柱造成了应力集中，有可能引发冲击 地压的危险，还会损失高达 10-30的煤炭资源，有的还更高。据外国一些主要产煤国 家报道，由于开采深度的增加，矿压增大进而使护巷留设的煤柱尺寸不停加大。因此， 研究不留设煤柱， 实现无煤柱开采从而减少护巷煤柱的浪费， 对提高煤矿资源的回采率、 提高开采安全程度、降低巷道的掘进量、提高经济效益和社会效益都有着非常重要的意 义[1]。 作为无煤柱开采技术当中的沿空留巷技术自上世纪 50 年代开始在我国煤矿应用以 来，以其能够较好地实现无煤柱护巷的优势成为了我国无煤柱开采的重要技术应用和研 究方向。沿空留巷的实质是完全取消区段的煤柱，在把巷道掘进量降下来的同时提高煤 炭的采出量，同时也取消了孤岛工作区，延长矿井服务年限，从根本上改善采掘接替关 系， 实现采区内往复式开采， 是减少工作面搬迁劳动量和缩短搬家时间的有效技术措施， 其技术的经济效益和社会效益十分显著。沿空留巷的成功是受巷内结构、巷旁结构以及 巷旁切顶这三个要素影响的。但是，作为沿空留巷技术的难点巷旁支护，其能否适 应上覆岩层的来压规律及控制其变形在我国诸多的沿空留巷实践中长期没能获得很好地 处理。 巷旁支护体的结构类型众多，按其可缩量特性表现可分为无可缩量的、一定可缩量 的和大可缩量的。国内外曾经应用的巷旁支护体有木垛、密集支柱、料石砌筑、人造砌 块、整体浇注式巷旁隔离墙、硬石膏和高水充填墙体等[2]。 在现有的巷旁支护材料当中，优缺点明显，木垛、密集支柱方法的可缩量大，但承 载时间晚，材料消耗大，费用高昂；料石砌垛、人造砌块方法的材料来源广、价格便宜、 刚度大、承载快，但人力劳动量大，不能实现机械化施工；整体浇注巷旁充填方法能紧 跟工作面，但由于现浇手段，强度增长速度慢，属于脆性材料结构；硬石膏材料和高水 材料费用较高，在施工时管道损耗严重，粉尘大。 沿空留巷巷旁支护体的强度和可缩能力是两个重要参数，理想的巷旁支护体应该同 时满足强度和可缩的要求，能较好的隔离采空区，来源广，便于运输和施工，同时要满 足健康环保[3]。巷旁支护大砌体结构能够在地面预制高强度，井下无粉尘的施工环境， 保证其价格低廉。尤其是西安科技大学惠兴田教授发明了大砌体装配结构隔离墙成套技 西安科技大学硕士学位论文 2 术后使得巷旁支护进入到全机械化施工层次。但是，大砌体结构的受力特征如何满足回 采矿压还需要进一步研究。 1.1.2 研究意义 沿空留巷的巷道布置和留设煤柱的巷道不一样，巷道的一边帮是媒帮，一边是巷旁 支护体构筑物，围岩是大变形，还要承受掘进和两次采动叠加产生的强烈应力作用，因 而矿压显现异常强烈，顶底板和两帮的移近量也很大，它是一项非常复杂的工程技术。 沿空留巷巷旁支护技术的难点主要是要紧跟工作面支护，较高的初期支护强度才能 够有效防治回采时的动压，高强度是具有足够的强度去进行切顶卸载；封闭性主要是防 治有害气体向巷道涌入。因此，鉴于这些对于沿空留巷巷旁支护体的要求，大砌体混凝 土结构在沿空留巷巷旁支护中的应用前景很好，有一定的推广应用意义。其技术优点有 以下几个方面 （1）预制砌块 充分发挥混凝土的强度，并且同比强度提高 20；井下环境污染大大改善，使其粉 尘减少 90以上；方便和简化运输形式，使其运输车辆减少 30；支护体的施工作业实 现全机械化，安全且高效；井下用人少了 70，施工速度快可适应每日 30m 以上开采速 度，做到了生产效率与生产完全同步。 （2）装配式结构 可以紧跟工作面作业。实现全部机械化施工，无粉尘影响。 沿空留巷巷旁支护大砌体结构在技术上解决了以往巷旁支护体存在一定的弊端，如 木垛和密集支柱支护阻力较小、 材料消耗大和隔离密闭性能差;矸石带和料石砌垛支护可 缩量大、采空区漏风大，留巷速度慢，难以适应综采工作面快速推进的要求；以及整体 浇注式巷旁隔离墙技术成本高，而且存在巷旁支护体早期强度不足和脱模需要时间长的 缺点。大砌体结构在沿空留巷巷旁支护不仅满足了