林南仓矿深部高应力软岩巷硐群支护技术研究.pdf

中图分类号TD322论文编号2017301059 UDC密级公开 硕硕士士学学位位论论文文 林南仓矿深部高应力软岩巷硐群支护技术研究林南仓矿深部高应力软岩巷硐群支护技术研究 作者姓名作者姓名刘红旗刘红旗 学科名称学科名称矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 学习单位学习单位华北理工大学华北理工大学学学制制 2.5 年年提交日期提交日期2016 年年 12 月月 3 日日 申请学位类别申请学位类别工学硕士工学硕士 导师导师姓名姓名郭立稳郭立稳教授教授单位单位北华航天工业学院北华航天工业学院 论文评阅人论文评阅人张嘉勇张嘉勇副教授副教授单位单位华北理工大学华北理工大学 矿业工程学院矿业工程学院 郭郭达达正高工正高工单位单位开滦（集团）有限责任公司开滦（集团）有限责任公司 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 1 月月 12 日日答辩委员会主席答辩委员会主席王福生王福生教授教授 关关键键词深井；软岩；巷硐群；词深井；软岩；巷硐群；数值模拟；数值模拟；支护支护 唐山唐山华北理工大学华北理工大学 2017 年年 3 月月 Research on High Stress Soft rock of Deep Mine Roadway Tunnel Group Support Technology for Linnancang Mine Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Science in Engineering by Liu Hongqi Mineral Engineering Supervisor Professor Guo Liwen March, 2017 摘要 - I - 摘要 近年来随着开采深度的不断增加，煤矿开采转入深部，由于高地温、高地压、 高岩溶水压影响，深部岩体的组织结构、基本特征发生根本性变化。从而出现了大 批很难控制的巷道围岩，其中包含埋藏于深部的高应力软岩巷道，围岩松软破碎的 巷道，受强烈采动压力影响的巷硐群以及特大断面巷硐等。巷道往往需要多次维修 与翻修，其安全得不到保证，灾变事故多发，给煤矿安全高效生产造成极大威胁。 鉴于此，对处于深部的高应力软岩巷硐群围岩的支护控制技术的研究具有十分 重要的意义。大断面巷硐群作为永久工程，其支护质量历来是开拓工程的难点，因 此探索科学合理的软岩大断面巷硐群围岩控制机理与稳定支护技术是一项亟待解决 的难题。以林南仓矿-850 水平回风斜井和皮带斜井间的高应力软岩巷硐群为主要 研究对象，对其所处的高应力环境、特殊的岩性条件、围岩体层状构造以及硐室群 空间位置结构等多个角度进行测试分析和研究。通过采用微观分析、物理力学实 验、理论计算相结合的方法，掌握了-850 水平高应力软岩巷硐群典型围岩的物理 力学性能；基于剪涨效应的 SALENCON 公式确定了饱水和无水条件下 5 类巷道的 塑性区厚度，提出了超大断面巷道错开布置、小断面交叉过渡等降低临近扰动的优 化方法；采用 ANSYS 和 FLAC3D两种数值模拟软件，进行了复杂巷硐群的稳定性 评估，构建了-850 斜井区域的 4 类复杂交叉巷硐群模型，创新了马蹄形浅拱底梁 支架、锚杆固棚方式、双层棚子壁后充填、双层布筋全断面浇筑等软岩治理技术， 形成了“优化改善反馈”的变形控制技术。 通过开展支护技术分段设计和支护参数的全面优化，确保了在施工安全前提 下，实现支护投入经济合理、施工循环安全有序、巷硐断面稳定保持的技术要求； 为深部区域的软岩巷道及硐室群施工提供全面的理论支撑和技术指导，为后续巷硐 群间距、层位及支护参数设计提供指导，为具有同类地质条件的软岩巷硐群围岩稳 定性控制提供了借鉴。 图 68 幅；表 11 个；参 53 篇。 关键词关键词深井；软岩；巷硐群；数值模拟；支护 分类号分类号TD322 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract In recent years, with the increase of mining depth, coal mining begin to turn into the deep, due to the high temperature, high karst water pressure, the structure and the basic characteristics begin to change fundamentally of the deep rock mass. Thus a large number of roadway surrounding rock which is difficult to control is emerging, which contains the high stress soft rock roadway buried in the deep part, soft broken rock roadway, roadway tunnel affected by strong mining pressure. The Linnancang mine -850 level return air shaft and the the high stress soft rock roadway and chamber group between the leather belt slope as the main research object, analyzing and researching the high stress environment, special lithology, layered structure of surrounding rock, and space position and structure of the chamber group and so on. By using the of microscopic analysis, physical mechanics experiment and theoretical calculation, mastering the physical and mechanical properties of typical surrounding rock of the soft rock roadway with high stress at -850 level. Determining the plastic zone thickness of 5 kinds of roadway under the condition of saturated water and without water by the SALENCON ula based on the shear and expansion effect, we put forward the optimization of the super large section roadway staggered arrangement, small cross section cross transition and other approaches to reduce the approach disturbance. Carrying out the stability uation by using numerical simulation software of ANSYS and FLAC3D. Constructing 4 types model of complex cross regional group -850 inclined roadway and chamber. Innovating the soft rock treatment technology of horseshoe shaped shallow arch bottom girder bracket, the anchor solid shed, double shed wall after filling, double cloth reinforcement section casting. ing the deation control technology of “optimization improvement feedback“. By carrying out the design of supporting technology and the overall optimization of supporting parameters, ensuring the technical requirements of the economic and reasonable, construction cycle safety and orderly, lane tunnel stability. Providing comprehensive theoretical support and technical guidance for the construction of soft rock roadway and chamber group in deep area and guidance for the design of the space, layer and support parameters of the roadway. It provides reference for the stability control of surrounding rock of soft rock roadway with the similar geological conditions. Figure 68; Table 11; Reference 53 Keywords deep mine; soft rock; roadway group; numerical simulation; supporting Chinese books catalog TD322 目次 - III - 目次 引言........................................................................................................................1 第 1 章 绪论..................................................................................................................2 1.1 研究意义..........................................................................................................2 1.2 国内外研究现状..............................................................................................3 1.2.1 深部软岩巷道围岩变形特征................................................................3 1.2.2 深部软岩巷道围岩变形破坏机理研究................................................4 1.2.3 深部软岩巷道支护理论研究................................................................6 1.2.4 深部软岩巷道支护技术研究................................................................7 1.2.5 研究存在的问题....................................................................................9 1.3 主要研究目标和内容......................................................................................9 1.3.1 研究目标................................................................................................9 1.3.2 研究内容................................................................................................9 第 2 章 林南仓深部巷硐群地质环境及巷道变形特征............................................11 2.1 林南仓深部巷硐群地质环境........................................................................11 2.1.1 矿井概况..............................................................................................11 2.1.2 深部区域巷硐群施工状况..................................................................12 2.2 巷道表面收敛变形状况................................................................................15 2.3 拱形支架失稳的主要特征............................................................................16 2.4 研究小结........................................................................................................18 第 3 章 林南仓矿深部高应力软岩特性实验研究....................................................19 3.1 流变性泥质软岩层的微观分析....................................................................19 3.1.1 实验综述..............................................................................................19 3.1.2 深部区域围岩微观结构分析..............................................................19 3.2 典型岩样的力学测试....................................................................................24 3.2.1 三轴与单轴压缩实验..........................................................................24 3.2.2 巴西劈裂实验......................................................................................28 3.2.3 压剪实验..............................................................................................29 3.2.4 水化膨胀实验......................................................................................30 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 3.3 研究小结........................................................................................................32 第 4 章 巷硐群开挖理论计算....................................................................................34 4.1 原岩应力场分析............................................................................................34 4.2 临近巷硐开挖的理论计算............................................................................35 4.3 研究小结........................................................................................................39 第 5 章 大断面巷硐群数值模拟分析........................................................................40 5.1 FLAC3D数值模拟方法简介...........................................................................40 5.2 交叉点类型与建模........................................................................................41 5.3 交叉点类型分析............................................................................................42 5.3.1 Ⅰ型交叉点模拟分析...........................................................................42 5.3.2 Ⅱ型交叉点模拟分析...........................................................................45 5.3.3 Ⅲ型交叉点模拟分析...........................................................................46 5.3.4 Ⅳ型交叉点模拟分析...........................................................................47 5.4 研究小结........................................................................................................51 第 6 章 深井巷硐群支护技术优化与应用................................................................52 6.1 支护技术选用及设计原则............................................................................52 6.1.1 设计优化与浸水条件改善..................................................................53 6.1.2 支架承载能力强化..............................................................................56 6.1.3 滞后注浆强化......................................................................................56 6.1.4 现代矿压观测......................................................................................57 6.1.5 小结......................................................................................................58 6.2 深井巷硐群支护技术应用............................................................................58 6.2.1 马蹄形浅拱底梁支架..........................................................................58 6.2.2 壁后充填与固棚锚杆..........................................................................62 6.2.3 双层布筋全断面浇筑..........................................................................65 结论..........................................................................................................................68 参考文献......................................................................................................................69 致谢..........................................................................................................................72 目次 - V - 导师简介......................................................................................................................73 作者简介......................................................................................................................74 学位论文数据集..........................................................................................................75 引言 - 1 - 引言 随着煤炭资源需求量的不断增长，煤炭开采技术的不断发展以及机械化装备水 平的日益提高，煤矿开采的深度也在逐年的加深，其增长速度已经达到每年 815m，我国东部的矿井更是以每年1025m的速度急剧增长。有数据显示，全国 开采矿井中采深超过800m的矿井近200座，采深达到1000m以上的达到47座，因 此，我国已进入深部开采阶段。 进入深部开采以后，地下巷硐围岩受到的应力不断升高，一些处于浅层的硬岩 在高应力的作用下就可能显现出软岩的特性；尤其是围岩本身就是软岩的地下巷 道，在到达深部后，其围岩变形显著、破碎严重，这些就使得矿井深部地下工程的 隐患日趋增多，工程灾害经常发生。因此加强对深部区域高应力软岩巷硐群围岩的 控制已经成为煤炭安全高效回采过程的重要环节。深入研究深井高地应力、巷道围 岩大变形、岩体间裂隙发育严重、巷道围岩破碎松散等一系列复杂问题，探索稳定 的巷硐群支护控制技术，寻找能够解决高应力软岩巷硐稳定性合理有效的方法与途 径已经成为众多科研单位及生产部门的重中之重。 基于以上原因，该研究以开滦（集团）林南仓矿-850水平回风斜井和皮带斜井 间的高应力软岩巷硐群为主要对象，以现场调研与实测为基础，并深入结合前人研 究的成果，计算并分析林南仓-850水平巷硐围岩的基本物理力学性质、巷道变形破 坏特征及深部地压显现的规律，寻找一种有效的适用于深部高应力区软岩破碎巷道 （硐）围岩控制的支护形式。研究成果不仅为林南仓矿井下的安全生产提供理论指 导，同时也为国内外同类矿井的安全高效开采提供参考依据。 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 研究意义 煤炭是我国的主要能源，在长期大量回采后，储存条件比较好的资源几近枯 竭，所以为了保证产量就需要对埋深大、条件差的资源进行回采，这将意味着今后 的采掘工程所处的环境更加复杂，地应力愈发升高，巷硐围岩更加软弱破碎，围岩 控制难度加剧。因此有效地解决深井围岩稳定性控制问题，成为国内生产矿井向纵 深发展及安全高效的关键所在[1-3]。 近年来，我国东部矿区成为国家建设的重点矿区，其中新增与正在建设的矿井 超过 10 处，新增加年产量超过 15Mt，国家投资总量 40 亿元以上，达到我国煤矿 投资总数的 53。巷道围岩稳定性对煤矿井下的安全生产起着重要的作用，我国 有 3050的顶板事故出现在巷道施工中。井下巷道围岩的稳定性控制成为我国 煤矿生产建设的重中之重。随着采深不断的增加，矿井灾害的发生频率也在不断升 高，人们对于深井复杂环境下巷硐围岩控制技术的研究也更加重视。造成深部岩体 控制困难的原因较多，其中岩体的非连续性与非均质性及构造应力就是造成围岩管 理困难的重要原因[1-3]含煤岩系非连续与非均质特性的形成是原始的沉积和后期 的构造作用的结果；随开采深度的加深巷道所受的构造应力及上覆岩层的自重不断 增大，由此引发巷道及采场围岩变形加剧导致失稳破坏，同时伴有破坏性巨大的冲 击地压的发生，由此为巷道及采场围岩治理带来巨大难题[4-6]。据我国煤矿调查数 据显示，最近十年间我国巷道治理支出费用在增加了 1.4 倍的同时仍有部分煤矿巷 道的翻修超过 40，因此深井巷硐围岩稳定控制将是影响深井开采的主要因素。 造成深井围岩控制困难的另外一个重要因素是原岩应力与采动应力存在的客观 事实，它是不会因为人们的主观意志进行转移的。若将浅部矿山压力显现规律及围 岩控制理论技术简单的套用在深井复杂环境下的巷硐支护上显然是行不通的。针对 深部巷硐围岩变形失稳控制问题，行之有效的办法是摸清巷硐围岩的变形规律，探 究其力学行为特点，创建适用于深部围岩的控制理论，对受采动影响的围岩体进行 科学的监测，加强围岩变形失稳预报预测方面的系统研究等[4-8]。创新及研发巷硐 围岩支护新工艺、新方式等深部矿压控制技术。 深部高应力软岩巷硐的围岩稳定性控制是开滦矿区可持续发展面临的普遍性课 题，在林南仓矿、东欢坨矿、赵各庄矿、唐山矿、林西矿的深部区域尤为典型。林 第 1 章 绪论 - 3 - 南仓矿在-650m 及-850m 两个水平的延深中，遇到了国内罕见的富含蒙脱石与高岭 石的泥质岩体，水文及构造情况多变，围岩强度低，原岩应力高，巷道断面大且布 置密集，属于极典型的深井高应力软岩巷硐群。因此，以林南仓矿-850 水平回风 斜井和皮带斜井间的流变性软岩巷硐群为主要研究对象，探索科学的可普遍推广的 软岩大断面巷硐群围岩控制机理与稳定的围岩控制技术具有非常重要的意义。研究 成果不仅可为林南仓矿井下的安全高效回采提供理论依据，同时为国内外具有同类 条件的矿井提供参考。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 深部软岩巷道围岩变形特征 处于深部软岩中的各类巷道，其地压显现剧烈，并且具有围岩变形量大，底板 臌起显著，不易维护的特点，其主要表现为 1）巷道围岩变形总量大、变形速度快、持续变形时间长 深部高应力软岩巷道最为显著的特点是巷道失稳变形总量非常大、变形速度迅 速、变形持续的时间持久。对于大多数软岩巷道在初掘后很短时间内变形速度在 10mm/d 左右，其变形维持时间通常大于 30 天60 天，甚至一部分巷道在达到 6 个 月仍未达到稳定状态。一般情况下，支护状态比较理想的软岩巷道其平均变形大于 60100mm，部分巷道可能达到 300500mm。相反，如果巷道的支护状态不好，那 么巷道变形就有可能超过 1m。 2）巷道围岩压力以周围来压为主，变形以底臌最为突出 硬岩巷道中，支护体所承受的压力主要来自巷硐顶板，对于中等硬度岩层中的 巷道则主要为巷道顶板及其两帮的压力，然而对于软岩巷道则表现为四周来压的特 点。松软岩层的特点是结构松散，其抗压强度较弱，对来自上覆岩层的重力具有极 弱的承载能力，巷道在上覆岩体的自重应力作用下发生垂直方向的变形破坏，该种 破坏中底板臌起表现最为突出。因此底臌成为软岩巷道变形破坏的显著特点，在巷 道支护中底板若不进行支护或者力度不足，都会使支护结构出现薄弱点，从而底板 就成为巷道变形破坏的初始部位，底板臌起又会导致巷道两帮以及底脚部位的内 移，直到片帮冒顶，甚至巷道全部破坏。 3）围岩遇水膨胀，工程力学性质恶化，变形加剧 绝大多数软岩都含有蒙脱石、高岭石等一些吸水性强的粘土矿物成分，当围岩 遇水后其体积会发生剧烈膨胀，围岩的变形亦更加剧烈，从而产生巨大的膨胀压 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 力，对支护结构体造成强大的挤压，给巷道（硐）支护带来困难。 1.2.2 深部软岩巷道围岩变形破坏机理研究 为满足经济社会发展对煤炭资源的需要，浅部资源临近枯竭，人们对煤炭资源 的开发不得不转向深部。由于世界各国的开采条件以及技术管理水平等因素各不相 同，因此对于深部概念的定义也存在着差异。大多数国家将 600m 定为临界深度； 对于采矿行业比较发达的一些国家，比如加拿大、南非等，他们则定义临界采深在 8001000m 之间；德国还引入了极限深度的概念并将之定为 1200m[9-11]。由于深部 条件下巷硐围岩变形规律特点较之浅部存在巨大差异，因此众多学者对此进行了大 量的研究工作，主要体现在以下几个方面 1）理论研究 在围岩变形破裂机理研究方面弹塑性理论占据着主导地位，该方法为围岩破裂 机理研究的理论基础。我国众多学者根据粘弹性理论、弹塑性理论和其它一些有关 理论对巷道围岩变形失稳破坏机理等进行了大量研究工作，主要如下 孙均、王仁、陈宗基、朱维申等学者，从粘弹塑性的角度对围岩变形破裂失稳 进行了研究[12-15]，根据连续介质的理论将围岩当作是连续的、均匀的、各向同性的 材料。在传统的学者专著和经典的有关力学的教科书中，人们常把岩石的塑性应 力、弹性以及变形当作最为基础的内容，或者是在不超越弹塑性范畴的情况下对巷 道围岩的力学问题进行分析研究。1960 年于学馥开创性的提出了“轴变论”的理 念，并且从弹性理论的方向，利用连续性介质理论对巷道围岩变形破裂的产生及形 成经过进行了大量的分析研究，分析得出巷道围岩所受到的应力超出了其自身所能 承受的弹性极限从而导致破坏，进而使得巷道围岩应力的重新分布[1,16]。袁文伯、 于学馥等人通过分析围岩变形破裂发生、发展整个过程中残余变形以及弱化阶段的 特征，将围岩看作线性弱化的理想残余塑性模型[1,17]；付国彬则对围岩破裂体积的 膨胀以及塑性应变软化进行了相关分析研究[18]。蒋斌松等在研究圆形巷道的时候 把围岩区域归纳成了破裂区、塑性区以及弹性区，其目的在于更加精确的描绘巷道 围岩破裂的真实状况[19]。 除以上论述之外，弹塑性应力-应变模型以及莫尔库仑准则两者都包含了岩石 在达到屈服以后出现的剪切膨胀体积增大的特征。L-Stile 对衬砌的支护方式以及 锚杆加固后的巷道围岩体其应力、位移关系以及锚杆受力特点进行了系统的研究， 然而围岩的蠕变特性却未被纳入其中；李忠华等利用损伤的理论方法对圆形巷道在 地应力场发生改变的情况下其应力分布进行了详细的研究[20]；焦春茂、吕爱钟则 第 1 章 绪论 - 5 - 从巷道支护体受力和围岩应力的角度进行分析研究，并给出其粘弹性解析解[21]。 2）试验研究 围岩变形试验表明，围岩在不同围压环境下展现出不同的变形特征。 范鹏贤等人以围岩拉伸破坏三个因素（地应力、卸载速度以及缺陷尺度）为基 础，分析了这三因素对围岩内部破裂处拉应力的发生和发展的影响[22]。许东俊等 人通过真三轴试验，以多组应力路径对岩样进行了变形破坏试验，实验结果显示岩 样的变形及破坏都能通过三个主应力的变化产生，并且得出岩石试件的强度、延展 性、脆性、体积的变化以及发生破坏的前兆都同施加应力的方式有联系[23]。 Hudson 通过试验研究了完整岩石的全应力应变曲线和井下巷硐室开挖过程中巷道 围岩卸荷破坏之间的联系[24]。 3）数值分析研究 随着数值模拟仿真技术的不断发展与提高，其应用范围也越来越广，如今该技 术已经成为分析研究地下工程的极为重要的工具。针对巷道围岩介质的数值模拟研 究方法主要有以下两种一种是连续性介质力学的分析方法；第二种是非连续性介 质的力学分析法。对于第二种方法其最为突出的优势在于能够对非线性、非均质以 及复杂边界难题进行分析和研究，因此对于地下工程结构应力变形等复杂问题具有 良好的适应性，并且在岩土力学方面也具有非常广阔的应用前景，并已成为地下巷 道（硐）围岩体稳定支护及其结构强度计算的有力手段[5]。现如今，ANSYS、 FLAC、UDEC 等是我们较为经常使用的数值模拟软件。 何满潮、段庆伟等[25]采用数值模拟的方法对地质结构复杂的矿山区域进行了 围岩变形破裂的分析研究，该项研究不仅对发育有复杂结构面的上层岩体的不连续 变形特点进行了研究，并且对围岩体结构面在空间上的分布情况及其力学特点以及 硐室开挖方式的改变对围岩体变形破坏