郭村矿穿层岩巷非对称变形规律及控制技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 贾志明 指导教师 康全玉 教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学河南理工大学能源科学与工程能源科学与工程学院学院 二○一七年二○一七年六六月月 郭村矿穿层岩巷非对称变形规律及控制技术郭村矿穿层岩巷非对称变形规律及控制技术 研究研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号 TD325 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码1046010460 郭村矿穿层岩巷非对称变形规律及控制技 术研究 Study on the Asymmetrical Deation and Control Technology of the Roadway through Different Lithology in the Guocun Mine 申请人姓名申请人姓名 贾志明 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 导师导师 康全玉 职称职称 教授 提 交 日 期提 交 日 期 2017年6 月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2017年6 月 二○一七年六月 万方数据 致致 谢谢 时光荏苒，岁月如梭，眨眼间三年的研究生生活即将画上句号，在这一重要 的人生阶段， 感觉收获颇丰， 更对理工学府充满眷恋， 怀念研究生的生活与学习， 在今后的岁月里始终会铭记自己是河南理工的学子。 首先，我要感谢我的恩师康全玉教授，他是我研究生学习阶段的领路人，在 学术道路上引导我不断进步， 治学方面的严谨与对待学生的和蔼可亲给我树立了 做学术和做人的榜样，让我在科研能力与为人处世上都深受影响。本论文从选题 到后期完善，每个环节都倾注了康老师的心血。在论文完成之际，我借此对康老 师表示由衷的感谢。 其次，我要感谢能源学院的各位老师，尤其是张盛老师与韦四江老师，在我 数值模拟学习方面给予了很大的帮助， 对我学习过程中出现的很多问题都给予指 正，在此感谢张老师与韦老师的热心指导。 再次，感谢同窗朱祥意、李鹏远、王遵义、丁哲、刘飞、李松涛在生活与学 习上给我的照顾与指点，每次我遇到问题，他们都对我提供无私的帮助，在我身 边陪伴我，让我更有勇气与信心去克服生活与学习上的困难。 感谢我的室友李梦远、鲁义强、董航宇，在这三年的研究生生活中，他们对 我的影响较大， 从李梦远身上学到了对疑难问题的钻研态度以及生活上的乐观积 极；从鲁义强身上学到了看待问题的新颖角度以及处理事情的果断机智；从董航 宇身上学到了对学术的执着态度。感谢与他们相识，奠定了一生的友谊。 在此，我还要感谢我的父母和姐姐们的支持，感谢他们对我的关心与照顾， 我以这个温暖的家庭为骄傲。 最后，向各位评审我论文的专家、教授表示衷心的感谢。感谢各位专家、教 授对我论文的评审， 由于作者水平有限， 希望得到各位专家、 教授的指正与赐教。 万方数据 I 摘摘 要要 地层形成过程中受各种地质构造作用，使得岩层的赋存条件极为复杂，岩层 在走向和倾向均发生不同程度倾斜，并且岩层层位发生错动，所以在倾斜岩层中 掘进巷道，常会揭露不同岩性，巷道的变形及破坏形式常表现为非对称变形。采 用通常对称支护方式，难以保证巷道的稳定，给煤矿生产构成严重威胁。 以郭村煤矿 12061 底板抽放巷为工程背景，通过现场调研，确定倾斜岩层穿 层巷道的变形概况与特征，利用数值模拟 FLAC3D软件对造成巷道非对称变形的 因素进行分析探讨，提出动态非对称关键部位支护原则，并选取三种代表性的穿 层段进行应力场、位移场及其塑性区破坏特征分析，提出“初喷锚网钢筋梯 锚索注浆”支护方式，并根据具体穿层段设计具体支护参数。对 12061 底板抽 放巷动态支护下的穿层段进行模拟分析后得出， 采用动态非对称加强支护充分发 挥了支护结构的支护性能。 动态非对称关键部位加强支护在现场应用后，在 60d 的监测期间，顶板下沉 量最大达 26mm（原支护条件下可达 150mm） ，底臌量最大达 281mm（原支护条 件下可达 980mm） ，两帮移近量最大达 211mm（原支护条件下可达 950mm） 。与 原支护条件下相比，巷道顶底板位移量减少约 73，巷道两帮位移量减小约 77.7，巷道变形得到有效控制。 动态非对称关键部位加强支护方案着重考虑巷道围岩关键薄弱处， 能有针对 性地提高巷道薄弱环节的支护力度，从而有效控制巷道整体的稳定性。 关键词关键词倾斜岩层；穿层巷道；非对称变形；动态加强支护；数值模拟 万方数据 II 万方数据 III Abstract Subjected to various geological tectonics in the ation process, rock strata are situated in an extremely complex geological environment. Rock strata produce various degrees of tilt in strike and dip directions and even dislocate from each other. Therefore, the excavation of roadways in inclined strata tends to pass through rock strata of different lithology, and deation and failure of the roadway often presents a non-symmetrical characteristic. It is difficult to ensure the stability of roadways by using the commonly symmetrical support , which poses a serious threat to the production of coal mines. Based on 12061 floor gas drainage roadway in Guocun Mine as the background, the deation profile and characteristics of the roadway through rock strata of different lithology is determined by the field research, using FLAC3D to analyze the factors causing the asymmetric deation of the roadway, putting forward the supporting principle of dynamic non-symmetrical key parts, and analyzing the characteristics of the stress field, displacement field and plastic zone of three specific roadway sections. And the supporting of “initial spray anchor net reinforcement ladder anchor cable grouting“ is put forward, and the concrete support parameters are designed according to the specific roadway sections. Based on the simulation analysis of the 12061 floor gas drainage roadway section under the dynamic support, it is concluded that the support perance of the supporting structure is fully pered by the use of dynamic non-symmetrical strengthening support. After the dynamic non-symmetric key parts reinforced support technology has been applied in 12061 floor gas drainage roadway, during the monitoring period 60d, roof subsidence reaches 26mm 150mm under the original supporting condition, the maximum amount of floor heave is up to 281mm 980mm under the original supporting condition, the maximum amount of side wall convergence is 211mm 950mm under the original supporting condition. Compared with the original support condition, the displacement of the roof and floor is reduced by about 73, and the 万方数据 IV displacement of the roadway is reduced by about 77.7, and the deation of the roadway is effectively controlled. The dynamic non-symmetric key parts reinforced support scheme mainly considers the key weak parts of surrounding rock of roadway, targeted to improve the weak link of the supporting strength, and thus effectively control the overall stability of the roadway. Keywords inclined rock stratum; the roadway through different lithology; asymmetrical deation; dynamic strengthening support; numerical simulation 万方数据 V 目录目录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................... III 1 绪论绪论 ......................................................................................................................... 1 1.1 研究的目的及意义 .............................................................................................. 1 1.2 国内外研究进展 .................................................................................................. 2 1.2.1 巷道非对称变形机理及其控制技术研究 .......................................................................... 2 1.2.2 巷道围岩控制理论研究 ...................................................................................................... 4 1.3 本文研究内容及技术路线 .................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 .............................................................................................................................. 6 1.3.2 研究方法与技术路线 .......................................................................................................... 6 2 12061 底板抽放巷工程背景及失稳变形特征底板抽放巷工程背景及失稳变形特征 ....................................................... 9 2.1 工程概况 .............................................................................................................. 9 2.2 巷道地质条件 ...................................................................................................... 9 2.3 原支护条件下巷道的变形破坏 ........................................................................ 12 2.3.1 原支护形式及支护参数 .................................................................................................... 12 2.3.2 原支护条件下的巷道变形破坏概述 ................................................................................ 13 2.3.3 原支护条件下巷道变形破坏特征 .................................................................................... 16 2.4 本章小结 ............................................................................................................ 17 3 巷道非对称变形影响因素分析巷道非对称变形影响因素分析 ........................................................................... 19 3.1 倾斜岩层各向异性力学性质 ............................................................................ 19 3.1.1 建立力学模型 .................................................................................................................... 19 3.1.2 巷道周边切向应力分布及其影响因素 ............................................................................ 20 3.2 倾斜岩层岩性层位 ............................................................................................ 22 3.3 岩层倾角及软弱夹层位置 ................................................................................ 34 3.3.1 模型建立 ............................................................................................................................ 34 3.3.2 巷道围岩位移矢量特征 .................................................................................................... 35 3.3.3 巷道围岩塑性区分布特征 ................................................................................................ 41 3.3.4 巷道围岩非对称变形分析 ................................................................................................ 43 3.4 本章小结 ............................................................................................................ 48 万方数据 VI 4 倾斜岩层穿层巷道数值模拟研究倾斜岩层穿层巷道数值模拟研究 ....................................................................... 51 4.1 工程模型 ............................................................................................................ 51 4.1.1 数值模拟目的 .................................................................................................................... 51 4.1.2 数值模拟内容 .................................................................................................................... 51 4.1.3 数值模拟模型建立 ............................................................................................................ 51 4.1.4 本构的选取及参数的设定 ................................................................................................ 52 4.1.5 边界条件 ............................................................................................................................ 53 4.2 开挖巷道数值模拟结果分析 ............................................................................ 54 4.3 支护方案设计 .................................................................................................... 57 4.3.1 支护原则 ............................................................................................................................ 57 4.3.2 支护思路、对策及技术 .................................................................................................... 58 4.3.3 具体支护参数 .................................................................................................................... 59 4.3.4 对巷道底臌严重的治理方案 ............................................................................................ 60 4.3.5 三种穿层段的具体支护布置方案 .................................................................................... 60 4.4 动态支护穿层巷道数值模拟 ............................................................................ 63 4.4.1 三种情况下的喷层及锚杆锚索布置 ................................................................................ 63 4.4.2 三种穿层段支护数值模拟结果分析 ................................................................................ 64 4.4.3 穿层段锚杆锚索及喷层受力特征 .................................................................................... 67 4.5 本章小结 ............................................................................................................ 70 5 现场工业性试验现场工业性试验 ................................................................................................... 71 5.1 矿压显现的监测结果及分析 ............................................................................ 71 5.1.1 巷道表面位移监测 ............................................................................................................ 71 5.1.2 巷道锚杆锚索的受力监测 ................................................................................................ 72 5.2 试验巷道效果 .................................................................................................... 73 5.3 本章小结 ............................................................................................................ 74 6 结论与展望结论与展望 ........................................................................................................... 77 6.1 结论 .................................................................................................................... 77 6.2 不足 .................................................................................................................... 78 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 79 作者简历作者简历 ................................................................................................................... 83 万方数据 VII 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................... 85 万方数据 1.绪论 1 1 绪论 1.1 研究的目的及意义 随着我国能源结构的战略调整，煤炭资源消费所占比重虽有所下降，但煤炭 在我国能源消费结构中的主体地位在短时间内不会发生改变， 煤炭的需求量仍然 会很大。我国的煤炭赋存情况适合以井工开采为主，所以，服务于井工开采的巷 道掘进及其支护问题仍是研究的重点。只有巷道按时掘进并且有效支护，才能保 证煤炭生产安全有序地进行，从而提高煤炭企业的经济效益。 煤层、顶底板岩层及其采动影响范围内的岩层作为矿山工程的研究对象，各 岩层在力学性质上的差异要远超过其在层厚上的差异， 并且往往呈软硬相间的互 层或者组合层，其力学属性为正交各向异性。对于同一岩层而言，可在成层方向 上看作横向同性的似连续介质。由于地层形成过程中受到各种地质构造（断层、 褶皱、单斜）的影响，使得岩层的赋存条件极为复杂，岩层在走向和倾向均发生 不同程度的倾斜，并且岩层层位发生错动，所以在倾斜岩层中掘进巷道，常会揭 露不同的岩性，巷道的变形及破坏形式常表现为沿倾斜方向的一侧拱肩塌滑，另 一侧的发生边墙滑移，形成非对称冒落拱和出现偏载。尤其在急倾斜岩层中，当 巷道掘进方向与岩层走向平行时，常出现顶板沿层面发生纵向的张裂、帮部鼓起 等。而针对倾斜岩层穿层巷道的非对称变形破坏，大都采用对称的支护方式，这 造成支护体与围岩两者的力学特性不耦合，使得围岩的关键薄弱处发生破坏，从 而导致整个巷道的失稳破坏。 如果提高全断面的支护强度来满足破坏严重部位的 支护要求，这会浪费材料，增加支护成本。对于现今的国内煤炭企业无疑是雪上 加霜。因此，充分地掌握倾斜岩层穿层巷道的非对称变形机理，确定巷道首先破 坏的关键薄弱部位，提出切实可行的巷道支护对策是十分必要的。 郭村煤矿位于河南省偃师市缑氏乡境内，由于受到褶皱构造影响，地层呈一 平均倾角为 23的单斜构造。 12061 底板抽放巷受到井田范围内的小构造 （断层） 影响，巷道在同一水平标高掘进过程中会揭露不同岩性，在以灰岩为主的岩层中 会出现薄煤层、泥岩、砂质泥岩及砂岩岩性，在构造应力作用下，围岩节理发育， 分层分块现象严重，整体性较差，泥岩浸水极易膨胀，遇风易风化崩解。通过采 用锚索梁和锚网索与 U 钢联合支护的现场实践证明， 巷道采用统一的对称支护方 式很难适应巷道围岩变形，巷道掘巷期间发生较大变形，顶板下沉，两帮变形不 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 协调，高帮底脚损坏严重，底臌量很大且不对称，这造成巷道多次返修。在有的 巷道段出现锚索被剪断、锚杆被拉断的现象，U 钢变形严重。巷道注浆量大却效 果不明显。 巷道返修不仅制约了巷道掘进效率， 也使得巷道的支护成本大大增加。 因此，迫切需要研究该巷道的变形破坏机理，从而对该巷道的支护方式进行合理 设计，不仅能保证巷道长期稳定，也能降低巷道支护成本。 针对上述出现的问题，本文以郭村矿 12061 底板抽放巷为研究对象，结合具 体的工程地质条件，分析倾斜岩层穿层巷道在原对称支护条件下的变形破坏规 律，应用数值模拟软件 FLAC3D模拟底抽巷围岩力学特性，得出巷道变形机理， 进而对倾斜岩层穿层巷道的支护形式进行优化，并指导现场实践，为倾斜岩层穿 层巷道的控制提供一种支护方式。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 巷道非对称变形机理及其控制技术研究 巷道所处的地质环境、 围岩的力学性质和结构特征以及巷道的支护方式决定 巷道的稳定性。由于巷道所处的地质环境较为复杂，沉积岩层自身的成层特征及 其层间岩性差异，使得巷道围岩结构类型多样，其变形破坏形式也就各具特点。 当围岩中夹杂有强度低、节理化严重的岩层时，由于该软弱夹层与围岩其它部位 的岩性差异，在应力作用下，表现出非协调变形，围岩的变形和破坏呈现不同特 征。巷道围岩的破坏也往往是从这些较为薄弱的部位开始的，随着关键部位的破 坏，破裂区不断发展，最终影响到整个巷道的变形破坏，形成恶性循环，犹如木 桶的短板， 直接影响到木桶的容量， 软弱夹层存在极大地降低了巷道的整体强度， 最终导致巷道整体失稳破坏。 吴海[1]通过总结归纳倾斜岩层巷道的顶底及两帮的分区破坏特征，分析不同 区域的应力分布特征，阐明了倾斜巷道不同部位非对称变形机理，揭示了巷道围 岩不同区域非均称变形时空演化规律，并提出倾斜岩层巷道非对称变形控制技 术。 黄万朋[2]对深井巷道的非对称机理进行分析，得出深井倾斜岩层中巷道围岩 发生非均称变形的主要原因是围岩的分层结构和层间的岩性差异， 巷道围岩非对 称结构导致巷道变形的非对称性，提出对关键部位进行加强支护。 张农等[3-4]归纳了包括巷道肩角破坏、一帮内挤等多种非对称破坏形式，提 万方数据 1.绪论 3 出通过锚杆、锚索和注浆等主动支护构建整体封闭支护，并辅以结构补强措施， 提出了巷道全断面加固方法。 樊克恭等[5]依据煤层围岩弱结构的存在导致巷道变形破坏不均衡，提出弱结 构变形破坏控制部位和巷道围岩非均称控制概念， 探讨了具有围岩弱结构的巷道 的非对称控制作用。 任庆峰[6]结合工程地质条件、围岩结构和围岩受力状况，对深部高应力软岩 巷道围岩的非对称变形破坏机理进行了分析，并提出了非对称耦合支护的对策。 通过对关键部位的非对称耦合支护来发挥围岩及支护体的支护能力， 达到围岩和 支护体的相互耦合，最终实现巷道长期稳定。 陈红[7]针对多次采动渐进诱发软岩巷道非均称变形，根据现场实测，总结归 纳了巷道非均称变形特征及其时空演化规律， 对巷道非均称变形的影响因素和变 形机理进行了全面论述，针对巷道前期和后期的变形特征，提出了成套封闭承载 结构再造技术。 赵志强[8]认为大变形回采巷道围岩变形破坏的实质是由于围岩塑性区的形 成及发展引起的，并且塑性区几何形态及范围决定了巷道围岩的破坏模式和程 度。通过理论分析，获得了应力场的大小及方向、巷道断面形状和岩性排序组合 等因素对巷道围岩塑性区的影响。建立了大变形回采巷道“支护-塑性区-围岩变 形”的关系，并提出了防止塑性区恶性扩展的巷道围岩控制理论。 赵飞[9]针对深部缓倾斜软岩巷道的非均称变形破坏，在分析原有对称支护失 效机理的基础上，研究了水平应力方向及大小、围岩产状等因素对巷道变形的影 响，并提出“关键部位加强支护”的非对称耦合支护对策。 孙小康等[10]针对采空区下的回采巷道非对称变形破坏难以支护现象， 运用理 论分析、数值模拟等方法，结合现场工程实践，建立了区段煤柱的物理力学模型 来研究煤柱在支承压力的作用下，底板岩层的应力分布规律，分析巷道的非均称 受力及其变形破坏特征，为采空区下的非对称变形的巷道支护提供了理论参考。 何满潮等[11-14]针对水平轨道大巷的非对称变形特征提出深部巷道非均称变 形控制对策及理论依据。孙晓明等[15]研究了深部倾斜岩层巷道的非对称变形机 理，并提出了非对称耦合支护对策。 针对由于强烈地质构