直墙半圆拱形巷道变形破坏因素和控制对策研究(1).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 直墙半圆拱形巷道变形破坏因素和控直墙半圆拱形巷道变形破坏因素和控 制对策研究制对策研究 张望宝张望宝 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○○一七年六月一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 直墙半圆拱形巷道变形破坏因素和控制对策直墙半圆拱形巷道变形破坏因素和控制对策 研究研究 作者姓名作者姓名 张张 望望 宝宝入学时间入学时间 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 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 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 STUDY ON DEATION FRACTURE FACTORSAND CONTROLCOUNTERMEASURES OF SEMICIRCULAR ARCH ROADWAYIN STRAIGHT WALL ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zhang Wangbao Supervisor ProfessorQin Zhongcheng College of Mining and Safety Engineering JUNE 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 I 摘摘要要 直墙半圆拱形巷道是目前煤矿中应用最多的巷道之一，对直墙半圆拱形巷道 变形破坏的机理、影响巷道变形破坏的因素、巷道的支护技术等方面的研究具有 重要的理论意义和实用价值。 本文以直墙半圆拱形巷道为研究对象，首先采用理论分析方法，对直墙半圆 拱形巷道的变形破坏机理进行分析，得出影响巷道变形破坏的 5 个主控因素侧 压系数λ、围岩垂直压力 p、岩体的黏聚力 C、岩体的内摩擦角φ、岩体的抗拉强度 σt；然后通过 FLAC3D数值模拟分析不同影响因素对直墙半圆拱形巷道变形破坏的 影响规律，又通过数值模拟和正交试验法对 5 个主控因素进行分析，得出它们对 直墙半圆拱形巷道变形破坏的显著性次序，影响巷道塑性区体积的显著性次序为 内摩擦角侧压系数垂直应力内聚力抗拉强度；5 个主控因素对巷道综合变形 量的影响显著性次序为内摩擦角侧压系数黏聚力抗拉强度垂直应力，其中 内摩擦角是影响巷道变形破坏的最主要因素。 以霄云煤矿东翼胶带大巷为工程背景，对巷道全断面破坏段提出新的巷道修 复方案，以理论和数值模拟结论为指导，对巷道支护参数和注浆范围进行优化， 最终提出采用高强锚杆、 锚索粗钢筋网注浆喷混凝土底角锚杆槽钢梁形成反 底拱的联合加固方式。而后对修复方案进行现场监测，通过监测数据和现场变形 情况可知，新的巷道修复方案可以有效地控制巷道围岩的变形，满足矿井的正常 生产需求。 关键词关键词直墙半圆拱形巷道；巷道变形破坏因素；数值模拟；正交试验；巷 道修复方案 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II Abstract The roadway of straight wall and semicircular arch is one of the most widely used roadways in coal mine, It is of great theoretical and practical value to study the mechanism of deation and failure of semicircular archway roadway, the factors that affect the deation and failure of roadway and the support technology of roadway. In this paper, the semicircular archway with straight wall is taken as the research object, Firstly, the mechanism of deation and failure of semicircular archway in straight wall is analyzed by theoretical analysis ,so the five main factors influencing the deation and failure of roadway are obtained lateral pressure coefficient, surrounding rock vertical pressure, cohesion, internal friction angle, tensile strength. Then, the influence of different influencing factors on the deation and failure of semicircular archway in straight wall is analyzed by FLAC3D numerical simulation. The five main control factors were analyzed by numerical simulation and orthogonal test, and we will get their order of deation and failure of semicircular arch roadway, the order of significance of the plastic zone of the roadway is internal friction angle lateral pressure coefficient vertical stress cohesion tensile strength; the influence of the five main control factors on the comprehensive deation of the roadway is internal friction angle lateral pressure coefficient cohesion tensile strength vertical stress, the internal friction angle is the most important factor affecting the deation and failure of roadway. According to the coal mine of Xiaoyun east belt roadway for the project background, a new roadway restoration scheme is proposed for the full failure section of the roadway, based on the theoretical and numerical simulation results, the parameters of roadway support andgrouting are optimized. Finally, the combination of high-strength anchor rod, anchor cable thick steel mesh groutingsprayed concretebottom angle anchorchannel steel beam to the reverse reinforcement . And then on the site of the repair program monitoring, monitoring data and on-site deation can be seen, the new roadway repair program can effectively 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III control the roadway rock deation, to meet the normal production needs of the mine. Key words roadway of straight wall and semicircular arch; deation factor of roadway ; numerical simulation; orthogonal experiment; repair program of roadway 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 1 绪论绪论............................................................................................................. 1 1.1 选题背景和研究意义..............................................................................................1 1.2 国内外研究现状......................................................................................................2 1.3 主要研究内容和方法..............................................................................................8 1.4 研究技术路线..........................................................................................................9 2 工程概况工程概况...................................................................................................10 2.1 霄云煤矿概况........................................................................................................10 2.2 东翼胶带大巷概况...............................................................................................13 3 巷道围岩变形破坏机理分析巷道围岩变形破坏机理分析..................................................................15 3.1 巷道围岩变形破坏类型........................................................................................15 3.2 直墙半圆拱形巷道顶板变形破坏机理分析........................................................16 3.3 直墙半圆拱形巷道两帮变形破坏机理分析........................................................17 3.4 巷道围岩底鼓变形破坏机理分析.......................................................................19 3.5 本章小结................................................................................................................24 4.直墙半圆拱形巷道变形破坏因素分析直墙半圆拱形巷道变形破坏因素分析..................................................25 4.1 直墙半圆拱形巷道的变形破坏因素....................................................................25 4.2 直墙半圆拱形巷道变形破坏的单因素分析........................................................26 4.3 直墙半圆拱形巷道的变形影响因素分析............................................................30 4.4 本章小结................................................................................................................39 5 东翼胶带大巷修复方案研究东翼胶带大巷修复方案研究...................................................................41 5.1 东翼胶带大巷原支护方案及存在的问题............................................................41 5.2 巷道修复加固方案................................................................................................42 5.3 巷道修复方案的优化............................................................................................44 5.4 本章小结................................................................................................................51 6 巷道修复方案控制效果分析巷道修复方案控制效果分析...................................................................53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 6.1 巷道修复方案监测的目的和内容........................................................................53 6.2 测点布置与监测方法............................................................................................54 6.3 巷道围岩控制效果监测分析...............................................................................57 6.4 本章小结................................................................................................................60 7 结论与展望结论与展望...............................................................................................61 7.1 主要结论................................................................................................................61 7.2 主要创新点............................................................................................................62 7.3 展望........................................................................................................................62 参考文献参考文献......................................................................................................63 致致谢谢..........................................................................................................68 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..............................................................................69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VI Contents 1 Introduction.................................................................................................................. 1 1.1Topic background and research significance.................................................................................1 1.2 Research Status at Home and Abroad...........................................................................................2 1.3 Main research contents and s............................................................................................8 1.4 Research technical route...............................................................................................................9 2 Project overview......................................................................................................... 10 2.1 The overview of xiaoyun coal mine...........................................................................................10 2.2 The overview of east wing belt roadway....................................................................................13 3Analysis of deation and failure mechanism of roadway surrounding rock..15 3.1 Deation and failure types of roadway surrounding rock....................................................15 3.2Analysis on deation and failure mechanism of roof in Straight wall semi -circular arch roadway.............................................................................................................................................16 3.3Analysis of deation and failure mechanism of the two side wall of Straight wall semi circular arch roadway........................................................................................................................17 3.4Analysis of deation and failure mechanism of roadway floor heave................................. 19 3.5 Chapter summary........................................................................................................................24 4.Analysis of deation and failure factors of Straight wall semi - circular arch roadway......................................................................................................................25 4.1Deation failure factor of Straight wall semi - circular arch roadway..................................25 4.2 Single factor analysis of deation and failure of Straight wall semi - circular arch roadway ...................................................................................................................................................26 4.3Analysis of deation factors of Straight wall semi - circular arch roadway........................ 30 4.4 Chapter summary........................................................................................................................39 5 Study on the repair scheme of East Wing belt roadway.........................................41 5.1 The original supporting scheme and existing problems of East wing belt roadway................. 41 5.2 Roadway repair and reinforcement scheme............................................................................... 42 5.3 Optimization of roadway rehabilitation scheme........................................................................ 44 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VII 5.4 Chapter summary........................................................................................................................51 6Analysis on control effect of roadway rehabilitation scheme.................................53 6.1 The purpose and content of the monitoring of the tunnel repair plan........................................53 6.2 Measuring point arrangement and monitoring ..............................................................54 6.3 Monitoring analysis of surrounding rock control effect.............................................................57 6.4 Chapter summary........................................................................................................................60 7 Conclusions and prospects.........................................................................................61 7.1 Main conclusions and prospects.................................................................................................61 7.2 Major innovation.........................................................................................................................62 7.3 Prospects.....................................................................................................................................62 Main references documents..........................................................................................63 Thanks............................................................................................................................68 Main work achievements of the author during working on master paper.............. 69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景和研究意义选题背景和研究意义 根据国家统计局发布的2016 年国民经济和社会发展统计公报，2016 年， 全国原煤产量完成 34.5 亿 t，同比减少 7.9。煤炭产能过剩、无序开采、库存积 压等制约着我国煤炭行业的发展。虽然近期煤炭行业遭遇了寒冬，但在未来很长 一段时间内，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。随着国家能源战略的调整， 国家鼓励采用新能源，然而煤炭作为主体能源，其需求量虽会不断减少，但近期 煤炭产量仍会维持在 35 亿 t 左右。 根据全国第3次煤炭资源统计结果， 我国埋深2000 m以内煤炭资源总量约5.57 万亿 t，其中埋深超过 1000 m 的煤炭资源量约为 2.86 万亿 t，占总量探明总量的 51.34，我国煤炭资源丰厚，分布范围也较广，同时地质条件也多种多样[1]。目前 1000m 以内的浅煤炭资源量中可靠级储量仅有 9169 亿 t，且主要分布于新疆、内 蒙古、山西、贵州和陕西 5 省[2]。随着我国煤炭开采技术和开采装备的不断提高， 目前大多数深井矿区的开采深度均已超过 800 m， 现已有江苏、 山东、 河南、 河北、 黑龙江等省多个大型煤矿的采深超过 1000 m[3]。据相关统计数据显示[4-7]，目前山 东省正在开采的矿区， 如新汶、 济宁和巨野等， 其开采深度已达到甚至超过 1000 m， 按照目前的开采情况和我国的煤炭资源情况，未来我国煤炭资源的开采深度会不 断加深，将有可能达到 10001500m[8]。 随着煤炭资源开采深度逐年递增，深部开采的高地压、高地温、高岩溶水压、 强烈的开采扰动等一系列问题将逐渐显现出来，导致深部巷道围岩支护难度越来 越大。在浅部开采中的一些不复杂的工程灾害问题在深部开采中变得复杂难以治 理，如巷道围岩的大变形、采场矿压剧烈、岩爆与冲击地