极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及支护研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及 支护研究支护研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 （（专业学位类别专业学位类别）） 矿业工程 作者姓名作者姓名 杜少华 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 余伟健 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 吴勇 工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2016 年 5 月 19 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353 万方数据 极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及 支护研究支护研究 学位类型学位类型 学术学位 学科学科 （（专业学位类别专业学位类别）） 矿业工程 作者姓名作者姓名 杜少华 作者学号作者学号 13010101009 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 余伟健 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 吴勇 工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2016 年 5 月 19 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖南科技大学 万方数据 Studying on Deation Mechanism and Support Technology of Extremely Fractured Coal-rock Roadway with Large Deation Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate Du Shaohua Student Number 13010101009 Supervisor and Professional Title YU Weijian（Prof.） Practice Mentor and Professional Title WU Yong（E.E.） School School of Energy and Safety Engineering Date University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版学位论文版权使用授权书权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南科技大学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。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 目前， 复杂条件下的软岩巷道稳定性控制已成为当今地下巷道工程中最为复 杂的难题，严重制约着矿井开采的高产、高效、低耗及安全生产水平，阻碍着矿 井开采的健康可持续发展。 在我国煤矿的地下开采过程中， 存在大量的软岩巷道， 其围岩赋存的地质条件较为复杂，特别是极破碎软弱煤岩体巷道，其围岩岩性结 构、水理特性及应力分布环境等复杂多变，导致该类巷道破坏机制存在多样性， 且以往针对于煤岩体巷道的围岩破坏机理与支护控制理论研究的条件和侧重点 都不尽相同。因此，针对特定地质条件下的极破碎大变形煤岩体巷道进行围岩变 形破坏力学机理及其支护技术进行研究， 对维护该类巷道的围岩稳定性控制具有 重要的理论意义和现场实用价值。 论文以贵州木孔煤矿 11301 综采工作面运输顺槽为工程背景， 以国家自然科 学基金项目（51574122）为依托，根据其围岩赋存特点，系统地分析得出了围岩 变形破坏特征及其力学失稳机理，采用现场调查、实验室试验、理论分析、数值 模拟以及现场工程试验相结合的研究方法开展研究， 提出了能有效维护该类巷道 稳定的控制性对策及最优支护方案。对此，本文主要在以下方面进行了研究 （1）通过现场调查和实测，调取了矿井地质资料、11301 综采工作面运输 顺槽围岩岩层柱状图及其断面支护形式及参数， 跟踪调查了原支护断面的巷道围 岩变形破坏特点、支护结构破坏情况及现场探测巷道围岩内部裂隙发育状况，总 结得出巷道围岩的破坏特征和围岩体破碎情况。 （2）针对 11301 综采工作面运输顺槽围岩体进行了 X 衍射试验、点载荷强 度试验和岩石崩解性试验等一系列基础性实验， 分别探明了围岩内部结构裂隙发 育情况、围岩矿物成份、围岩体力学强度和水理特性，为巷道支护方案的确定奠 定了理论基础。 （3）通过综合分析影响巷道围岩变形破坏的各个因素，建立了顶板、两帮 力学失稳模型，并结合底板严重的底臌现象，得出了原支护结构下巷道围岩力学 失稳机理、围岩失稳判定条件及底板底鼓量估算表达式。 （4）基于破碎极不稳定巷道围岩的控制对策和“叠加压缩拱”理论，提出 了以“长、短锚索”为主体的联合支护方案，运用正交试验法通过 FLAC 3D 数 值计算得出不同组合情况的支护效果， 并有针对性地分析对比在最差支护方案和 最优支护方案条件下巷道围岩变形收敛量、位移变化情况及围岩应力分布情况 等，并最终得出结论。 （5）根据试验巷道 11202 风巷的实际情况，利用数值优化确定的最佳支护 方案情况，得出了该巷道的断面支护方案及支护参数，并对支护断面进行了为期 万方数据 ii 6 个月的巷道围岩表面收敛及锚索的受力情况监测，根据监测数据结果，验证并 评价其支护效果。 关键词煤岩体；运输顺槽关键词煤岩体；运输顺槽；变形机理；联合支护方案；数值模拟；变形机理；联合支护方案；数值模拟 万方数据 iii Abstract At prenst, it has become the most complicated problems in underground roadway engineering to control the stability of soft rock roadway with complex conditions, as seroursely restricted the level of high yield, high efficiency, low consumption and safety production, and the healthy and sustainable development in mine mining. In the process of underground mining in China coal mines，there has a lot of soft rock roadway, and its geological conditions of surrounding rock is quite complicated, especially extremely fractured coal-rock roadway with the complicated and changeable environment of surrounding rock structure, hydraulic properties and stress distribution. As a result, it leads to the diversity of failure mechanism in the roadway and furthermore, to coal-rock roadway in specific geological conditions, the research conditions and emphasis on the surrounding rock failure mechanism and supporting control theory was not the same everywhere. Therefore, it is significant and has practical value to explor the failure mechanism of this type of roadway for the stability of surrounding rock failure. In this paper, haulage gate of 11301 fully mechanized coal face in Mukong coal mine was studied, the deation and failure mechanism of the surrounding rock was systematically analyzed on the basis of occurrence characteristics of surrounding rock, and the effective controlling countermeasures and optimal supporting scheme to maintain the stability of the roadway was put forward by using the combination of field investigation, laboratory test, theoretical analysis, numerical simulation and field test. To summarize, the main work are focus on the following aspects 1 Based on the measured results and field survey, mine geological data, rock column and the section supporting and parameters was retrieved in haulage gate of 11301 fully mechanized coal face. Under the condition of the original support, the failure characteristics of surrounding rock are summarized by investigating the deation and failure conditions of surrounding rock and the damage condition of supporting structure, and probing the status of fracture growth inside surrounding rock. 2 In the light of haulage gate of 11301 fully mechanized coal face, a series of basic laboratory tests, including X ray diffraction test, point load strength test, rock disintegration test and so on, was done separately to respectively proved the fractures situation of internal surrounding rock, the rock mineral composition, mechanics 万方数据 iv strength and water physical properties of surrounding rock, which laid the groundwork for determining the roadway support scheme. 3 According to various factors of the deation of surrounding rock, mechanical instability model on roof and two sides of the roadway was established. At the same time, Combined with the serious floor heave phenomenon happening in roadway floor, the mechanical instability mechanism and insibility criterion of surrounding rock, and the estimation ula to estimate the floor heave were obtained in the original supporting structure. 4 On the basis of control countermeasures for surrounding rock of the broken and extremerely unstable roadway and the superposition compression arch theory, combined support scheme with “Long and Short cables“ as the main body was put forward. At the same time, FLAC 3D numerical calculation was used to reseach the support effect of various combination schemes obtained by orthogonal test . In addition, the convergency, displacement condition and stress distribution of surrounding rock under the conditions of the worst supporting scheme and the optimal supporting scheme were compreded and anaslyzed respectively so as to come to conclusion. 5 In the light of the actual situation of 11202 return airflow roadway, the best supporting scheme and its parameters proposed by numerical optimization was applied to the roadway. And the convergence deation status of roadway surrounding rock and the stress condition of anchor were monitored for 6 months, and what was more, the support effect was verified and uated according to the monitoring data. Key words Coal-rock roadway; Haulage gate; Deation mechanism; Combined supporting scheme；；Numerical simulation 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘 要 .................................................................................................................. i Abstract ........................................................................................................... iii 第一章 绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究目的和意义 ........................................................... 1 1.1.1 课题来源 .................................................................................. 1 1.1.2 课题背景 .................................................................................. 1 1.1.3 研究目的和意义 ....................................................................... 2 1.2 国内外研究现状与进展 ...................................................................... 3 1.2.1 软岩巷道支护理论研究现状与进展 ......................................... 3 1.2.2 国内外软岩工程支护技术研究进展与现状 ............................. 5 1.3 现行软岩巷道支护存在的问题 ........................................................... 6 1.4 研究方法 ............................................................................................. 7 1.5 研究内容及技术路线 .......................................................................... 8 第二章 极破碎大变形煤岩体巷道围岩变形破坏特征分析 ........................... 11 2.1 矿井概况 ........................................................................................... 11 2.2 巷道概况 ........................................................................................... 13 2.2.1 11301 综采工作面运输顺槽工程地质条件 ............................. 13 2.2.2 巷道断面及原支护设计 .......................................................... 14 2.3 巷道变形破坏情况 ............................................................................ 16 2.3.1 巷道围岩变形破坏情况 .......................................................... 16 2.3.2 巷道围岩的支护结构失效情况 .............................................. 17 2.3.3 巷道围岩的内部裂隙发育情况 .............................................. 17 2.4 本章小结 ........................................................................................... 19 第三章 极破碎大变形煤岩体巷道围岩力学性质分析 ................................... 21 3.1 巷道围岩岩性物相分析 .................................................................... 21 3.2 点载荷强度指数测定 ........................................................................ 22 3.2.1 ZN-Ⅳ型点载荷仪 ................................................................... 23 3.2.2 试验步骤 ................................................................................ 23 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.2.3 数据计算 ................................................................................ 24 3.3 岩石崩解性试验 ............................................................................... 28 3.3.1 试验方法 ................................................................................ 28 3.3.2 试验结果分析 ......................................................................... 30 3.4 本章小结 ........................................................................................... 30 第四章 极破碎大变形煤岩体巷道围岩失稳与破坏机理分析 ........................ 31 4.1 围岩变形破坏的影响因素分析 ......................................................... 31 4.1.1 地质因素的影响 ..................................................................... 31 4.1.2 非地质因素的影响 ................................................................. 33 4.2 巷道失稳破坏机理 ............................................................................ 34 4.2.1 巷道顶板失稳力学机理 .......................................................... 34 4.2.2 两帮失稳力学机理 ................................................................. 37 4.3 巷道底臌机理 ................................................................................... 39 4.4 本章小结 ........................................................................................... 42 第五章 极破碎大变形煤岩体巷道围岩稳定性控制及支护参数优化 ............ 43 5.1 破碎极不稳定巷道围岩稳定性控制 ................................................. 43 5.1.1 稳定性控制对策 ..................................................................... 43 5.1.2 稳定性控制支护技术及支护原理 .......................................... 44 5.2 基于正交试验的支护参数优化 ......................................................... 46 5.2.1 正交试验设计 ......................................................................... 46 5.2.2 数值计算分析 ......................................................................... 47 5.3 本章小结 ........................................................................................... 54 第六章 工程试验及支护效果分析 ................................................................. 57 6.1 试验巷道工程概况及支护参数 ......................................................... 57 6.2 现场施工与支护效果 ........................................................................ 59 6.2.1 施工工艺 ................................................................................ 59 6.2.2 变形结果分析 ......................................................................... 59 6.3 本章小结 ........................................................................................... 61 第七章 主要结论与展望 ................................................................................ 63 7.1 主要结论 ........................................................................................... 63 7.2 展望 .................................................................................................. 64 参考文献参考文献 ......................................................................................................... 67 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 致谢 ................................................................................................................. 71 附录 ................................................................................................................. 73 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第第一章一章 绪论绪论 本章主要阐述了极破碎大变形煤岩体巷道的变形机理及支护研究的必要性 及应用前景，总结了目前国内外复杂条件下软岩巷道的应用现状、支护理论及支 护机理，确定本文研究的主要内容、技术路线及创新点，提出本文研究所要达到 的目标。 1.1 课题的提出及研究目的和意义课题的提出及研究目的和意义 1.1.1 课题来源课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目 深井高瓦斯破碎煤岩体巷道非稳态演 化力学机制及二次稳定理论 （51574122） 、企业合作项目木孔煤矿运输大巷及 工作面顺槽软岩支护关键技术研究 （D11406）等部分内容，通过与贵州渝能矿 业有限责任公司木孔煤矿合作， 针对该矿 11301 综采工作面运输顺槽出现的严重 变形破坏状况进行了支护机理和围岩控制等方面的研究。 1.1.2 课题背景课题背景 随着国民经济的快速发展，我国经济进入重工业化阶段，处于工业化中期和 新一轮经济周期的上升期。主要耗煤行业的一些基础建设项目也将陆续投产，将 增加对煤炭的需求。虽然近年来，国家能源结构正处于调整时期，但受资源条件 的限制，我国以煤炭为主的能源格局较长时期内不会有大的变化。近年来，由于 地壳浅部煤层赋存条件较好的矿产资源的逐渐减少， 必然使得人类着眼于赋存条 件较为复杂的煤层矿产开采，这类煤层开采往往面临高地应力、大构造带、高瓦 斯压力等极为棘手的综合性难题，并且此类问题将会在未来 10 年越来越突出[1]。 复杂条件下软岩巷道的掘进与维护普遍存在难度大、 安全性差等问题。 锚杆、 锚索是一种主动支护形式，但其锚固的岩体为一些极为破碎或松散的岩体，围岩 的可锚性较差；而砌碹、金属支架等属于被动支护，仅依靠支护本身的强度，很 难承受高地应力和蠕变的作用，很难满足支护要求。在软岩巷道现场，采用常规 支护方式的巷道常处于前掘后卧、前支后修的状态，返修率达到 7080，多 数巷道还需要多次返修、多次支护，这导致有巷道的维修费用比正常掘进的成本 还高，整体支护成本大大增加，造成巷道施工速度缓慢[2,3]。 复杂地质条件下的软岩巷道支护效果如何，不仅取决于支护方式的选择，还 与巷道所处的地质条件、围岩应力状态等有关，而且二次支护原理多停留在定性 讨论和分析阶段，现场施工缺少有效的理论做指导。因此，对复杂地质条件下的 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 软岩巷道的围岩控制，要么是不能取得预期的支护效果，要么是支护投入成本太 高，远远不能满足矿井高产、高效的要求，严重制约着矿井的健康可持续发展。 复杂地质条件下软岩巷道的稳定性控制不仅是目前一些矿井面临的问题， 从 长远来看，它也是今后进一步开发利用深部矿产资源具有重要的战略指导意义， 因为在浅部呈现中硬岩变形特征的工程岩体，进入深部后会转化为软岩，表现出 与浅部复杂地质条件下软岩巷道出现的大变形、高应力和难支护的软岩特征。因 此，必须加强对复杂地质条件下软岩巷道原岩应力状态、围岩岩性特征和变形破 坏规律的研究，认清围岩应力作用与围岩变形破坏的关系，探明复杂地质条件下 软岩巷道围岩变形破坏特征和破坏失稳机理，从而为选择合理的加固支护方式、 优化加固支护参数、确定合理的加固支护工艺提供依据，以形成适应复杂地质条 件下软岩巷道的围岩稳定性控制理论和方法，从而达到减低巷道支护和维修费 用、显著提高复杂软岩巷道稳定性的目的[4-7]。 1.1.3 研究目的和意义研究目的和意义 本文的研究对象是木孔煤矿 11301 综采工作面运输顺槽， 其围岩由 3煤构成 的煤岩及顶底板组成