断层影响区巷道围岩稳定性及其控制技术研究.pdf

国家自然科学基金项目（国家自然科学基金项目（51574155）） 分类号分类号TD327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 断断层层影影响响区区巷巷道道围围岩岩稳稳定定性性及及其其控控制制 技技术术研研究究 柳柳 研研 青青 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矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名蒋蒋 金金 泉泉职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名张士斌张士斌职职称称高高级级工工程程师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年六月二零一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 断断层层影影响响区区巷巷道道围围岩岩稳稳定定性性及及其其控控制制 技技术术研研究究 作者姓名作者姓名 柳柳 研研 青青入学时间入学时间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矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 蒋蒋 金金 泉泉职职称称教教授授 副指导教师副指导教师张士斌张士斌职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 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 Research On Stability Of Surrounding Rock RoadwayAnd Its Control Technology In The RegionAffected By Faults ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Liu Yanqing Supervisor Professor Jiang Jinquan 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 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所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。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在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划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，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、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，同意将本论文作为申请学位论文。规定，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 断层影响区围岩体内部节理发育，断层带软弱破碎，巷道围岩稳定性较差。 目前，国内外学者对断层影响区巷道围岩支护机理及技术已经进行了大量的研 究，但断层性质对巷道围岩的冲击危险影响不明，未形成规范化的围岩控制技 术。因此，针对断层性质对断层影响区巷道围岩稳定性进行分析，研究巷道围 岩控制技术，对于建设安全高效现代化矿井，保证能源结构稳定，促进国民经 济发展具有重要意义。 对煤岩体力学特性进行了理论分析，总结归纳了断层影响区巷道围岩失稳 类型，分析了巷道围岩失稳的力学机制，探索了断层各因素对巷道围岩稳定性 的影响，研究了断层影响区巷道围岩失稳机理。 通过 UDEC/3DEC 数值模拟软件建立二值模型，对比了不同断层倾角、煤 柱尺寸和侧向应力和断层落差条件下，断层影响区巷道开挖后的模拟结果，分 析了不同因素对围岩稳定性的影响程度，研究了不同因素对断层影响区巷道围 岩的稳定性的影响。 建立了断层影响区巷道围岩内外承载结构模型，分析了巷道变形破坏机制， 研究了巷道围岩控制原理和方法，对比分析了多种巷道围岩控制技术，为不同 地质条件下巷道围岩支护提供了思路。 通过 FLAC3D模拟软件建立三维数值模型，模拟兖矿集团济三煤矿 183 上02 工作面地质条件下，不同支护方式条件下巷道围岩的稳定性情况。根据模拟结 果，对巷道支护方式进行优选，并通过现场实验，监测断层影响区巷道围岩变 形情况，验证锚网索联合支护方式的有效性。 关键词关键词断层影响区；巷道围岩稳定性；控制技术；破坏规律；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II Abstract In the fault zone, the joint development of the surrounding rock mass, the fault zone is soft and broken, and the stability of surrounding rock is poor. At present, domestic and foreign scholars on the influence of fault zone in roadway support mechanism and technology has done a lot of research, but the impact of dangerous fault properties of the surrounding rock effect is unknown, not standardized to control surrounding rock. Therefore, according to the nature of the fault analysis of the fault zone of roadway surrounding rock stability influence, study on control technology of roadway surrounding rock, for the construction of modern mine safety and high efficiency, ensure the energy structure is stable, has important significance to promote the development of national economy. The coal and rock mechanical properties are analyzed, summarized the influence of fault zone of roadway surrounding rock instability type of roadway surrounding rock failure mechanics stability, to explore the influence of various factors on the stability of the surrounding rock fault, study the fault affected zone surrounding rock instability mechanism. Through the UDEC/3DEC numerical simulation software to establish two value model, different fault dip, coal pillar size and lateral stress and fault throw conditions were compared, the influence of fault zone after the tunnel excavation simulation results, analyzed the influence of different factors on the stability of surrounding rock, studied the influence factors on the influence of fault zone of roadway surrounding rock stability the. A fault affected zone of roadway surrounding rock and supporting structure model, mechanism of deation and failure of roadway are analyzed, studied the principle and of control of roadway surrounding rock, comparative analysis of the variety of roadway surrounding rock control technology for different geological conditions of surrounding rock support provides ideas. ThroughtheFLAC3Dsimulationsoftwaretoestablisha three-dimensional numerical model, simulation of Yankuang Group Three 183up02 economic coal mine working face under the geological conditions, the stability of surrounding rock different supporting 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III condition. According to the simulation results, the roadway support mode is optimized, and the deation of roadway surrounding rock in the fault affected area is monitored by field experiments, and the validity of the bolt and cable combined support is verified. Key words fault zone; roadway surrounding rock stability; control technology; Failure law; 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 摘要摘要..............................................................................................................I 目录目录...........................................................................................................IV 1 绪论绪论..........................................................................................................1 1.1 课题提出的背景及意义 1 1.2 巷道围岩控制的发展与研究现状 1 1.3 主要研究内容和方法 6 1.4 技术路线7 2 断层影响区巷道围岩稳定性研究断层影响区巷道围岩稳定性研究.........................................................8 2.1 断层影响区巷道围岩失稳类型及力学分析8 2.2 断层影响区巷道失稳机理分析10 2.3 断层影响区巷道围岩稳定性影响因素15 2.4 本章小结17 3逆断层侧向巷道稳定性分析逆断层侧向巷道稳定性分析.............................................................18 3.1 UDEC 模型的建立18 3.2 倾角对逆断层一侧巷道围岩稳定性的影响 19 3.3 断层煤柱对逆断层一侧巷道围岩稳定性的影响 26 3.4 侧向压力对逆断层一侧巷道围岩稳定性的影响 35 3.5 断层对侧向巷道围岩应力影响分析43 3.6 本章小结44 4过逆断层巷道稳定性过逆断层巷道稳定性分析分析.................................................................46 4.1 3DEC 模型的建立 46 4.2 倾角对过逆断层巷道围岩稳定性的影响47 4.3 落差对过逆断层巷道围岩稳定性的影响50 4.4 侧向压力对过逆断层巷道围岩稳定性的影响 53 4.5 断层对过断层巷道围岩稳定性分析55 4.6 本章小结57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5 断层影响区围岩控制技术研究断层影响区围岩控制技术研究...........................................................58 5.1 断层影响区巷道围岩控制原理及方法58 5.2 巷道工程概况62 5.3 数值模拟63 5.4 现场应用65 6 结论与展望结论与展望...........................................................................................67 6.1 结论67 6.2 创新点68 6.3 展望68 参考文献参考文献................................................................................................... 69 致谢致谢............................................................................................................74 攻读硕士期间成果攻读硕士期间成果...................................................................................75 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1Introduction..........................................................................................1 1.1 Background and significance of the topic .......................................................................... 1 1.2 Development and research status of roadway surrounding rock control.............................1 1.3 Research Contents andApproach.........................................................................................6 1.4 Technology roadmap.............................................................................................................7 2Study on the stability of surrounding rock in fault zone.................8 2.1 Instability types and mechanics analysis of surrounding rock of roadway..........................8 2.2 Mechanism analysis of roadway instability........................................................................10 2.3 Influence factors of surrounding rock stability...................................................................15 2.4 Chapter summary................................................................................................................17 3Analysis of roadway stability on side of overfault......................... 18 3.1 Establishment of UDEC model...........................................................................................18 3.2 Effect of angle on roadway stability on side of overfault.................................................. 19 3.3 Effect of coal pillar on roadway stability on side of overfault...........................................26 3.4 Effect of horizontal stress on roadway stability on side of overfault.................................35 3.5Analysis of the stress influence by fault on surrounding rock on side roadway................43 3.6 Chapter summary................................................................................................................44 4Analysis of roadway stability of crossing fault...............................46 4.1 Establishment of 3DEC model........................................................................................... 46 4.2 Effect of angle on roadway stability of crossing fault........................................................47 4.3 Effect of drop on roadway stability of crossing fault.........................................................50 4.4 Effect of horizontal stress on roadway stability of crossing fault......................................52 4.5Analysis of the stability of crossing fault on surrounding rock roadway...........................55 4.6 Chapter summary................................................................................................................57 5 Study on surrounding rock control technology of fault zone..........58 5.1 Control principle and of surrounding rock in fault zone.......................................58 5.2 Situation of roadway...........................................................................................................62 5.3 Numerical simulation..........................................................................................................63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5.4 Field application..................................................................................................................65 6 Conclusion and Prospect......................................................................67 6.1 Conclusion.......................................................................................................................... 67 6.2 The innovation points..........................................................................................................68 6.3 Prospect...............................................................................................................................68 Reference.................................................................................................. 69 Thanks.......................................................................................................74 Results of postgraduate study................................................................ 75 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 课题提出的背景及意义课题提出的背景及意义 我国煤炭资源丰富，煤炭在能源组成中占着举足轻重的地位，是中国经济 实现快速和可持续发展的重要保障。在今后很长的时间内，煤炭资源在国内能 源结构中的地位不会改变，会一直发挥其重要的作用。随着我国经济的发展， 工业和发电厂对煤炭的需求量也不断增加，采深不断增大，开采地质条件日益 复杂，采区内断层、褶曲发育，给采掘工作增加了难度。 断层带附近围岩软弱破碎，抗水性差，导水性强，围岩强度低，易变形。 由于井下地质条件的复杂性，巷道难免会靠近断层或过断层掘进，加大了巷道 支护的难度，巷道使用过程中发生围岩大变形或支护失稳破坏的可能性增大， 断层影响区巷道安全支护在矿井安全生产中的地位也越来越重要[14]。 目前，国内外专家学者对断层影响区巷道围岩支护技术已经进行了大量的 研究[510]。但是，各因素对断层区域冲击危险的影响不明，未形成规范化围岩控 制技术。因此，对断层影响区巷道围岩稳定性影响因素进行分析，研究巷道围 岩控制技术，对于建设安全高效现代化矿井，保证能源结构稳定，促进国民经 济发展具有重要意义。 针对巷道掘进过程中，断层影响区巷道支护面临的一系列问题，本文通过 理论分析，数值模拟和现场实验等手段，对断层影响区围岩失稳机理和影响因 素进行了分析，探索了断层性质对巷道围岩稳定性的影响，研究了断层影响区 围岩控制技术，为相似条件下巷道支护及修复技术提供了依据，对煤矿安全高 效生产具有重要意义。 1.2 巷道巷道围岩控制的发展围岩控制的发展与研究现状与研究现状 1.2.1 断层影响区巷道支护理论研究现状断层影响区巷道支护理论研究现状 近年来，巷道支护控制理论不断发展，诸多理论已经在矿井中得到了广泛 的推广应用。目前，大多数矿井普遍采用“综合治理，联合支护，长期监控， 因地制宜”的巷道支护原则。断层影响区巷道支护理论在发展中不断完善，其 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 中比较成熟的巷道支护理论主要有 1）新奥法 新奥法主要是通过提升围岩自身稳定性， 利用围岩的自承作用来支撑巷道， 促使围岩与支护结构相互结合，成为巷道支护结构的重要一环，达到巷道支护 的目的[1113]。断层影响区围岩破碎，稳定性差，自承能力较低，很多理论便在 新奥法的基础上继承和发展。 2）联合支护理论 诸多学者在新奥法的基础上，提出了联合支护理论。试图在提高围岩刚度 的基础上，通过柔性支护的机制来达到让压效果，降低围岩内储存的能量，如 锚喷网支护，刚性支架支护等技术[1415]。 3）松动圈支护理论 松动圈支护理论的主要观点是 通过对巷道围岩的松动情况进行一个判别， 根据松动圈的范围来确定巷道支护的强度。对于断层影响区巷道，松动圈范围 较大时，围岩较破碎，支护难度大，因此在支护方式和支护强度的选择上也需 要提高标准[16]。 4）内外承载区支护理论 巷道开挖后，围岩发生了一定程度的变形破坏，但是仍然具有承载能力。 根据变形破坏的程度，将围岩划分为内承载区和外承载区。外承载区主要受压 应力影响，在围岩深部，稳定性较高，属于主承载区域；内承载区域主要受拉 应力影响，在围岩浅部，稳定性较差，属于次承载区域，需要通过相应的支护 手段来提高承载能力，以提高围岩的整体稳定性。在巷道布置时，应考虑断层 对巷道围岩的影响，合理选择巷道位置[17]。 5）应力控制能量释放理论 针对断层带较薄，破碎情况不严重，但是构造应力较大，围岩变性能较大， 且变形压力不可改变的情况，采取卸压措施释放围岩体中的能量，将围岩浅部 的应力集中区域转移到深部，使得浅部围岩应力水平降低，拉压破坏减少，从 而降低巷道围岩破坏的风险[1820]。 6）最大水平应力理论 最大水平应力理论[21]的主体思想是岩体中水平应力大于垂直应力，且具 有方向性、复杂性，在断层影响区，该现象尤为明显。因此，通过锚固结构使 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 得围岩形成一个整体，增强巷道围岩的稳定性，可以有效提高其承载能力，缓 解围岩压力。 7）围岩强度强化理论 围岩强度强化理论[22]认为通过提高锚固结构的参数，可以有效的改善围岩 的力学参数，强化围岩的强度，减少巷道围岩塑