裂隙软岩巷道渗水弱化机理及稳定性控制研究.pdf

分类号分类号TDTD353 353 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 裂隙软岩巷道渗水弱化机理及裂隙软岩巷道渗水弱化机理及稳定性稳定性 控制研究控制研究 李李 骏骏 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称岩土岩土工程工程 指导教师姓名指导教师姓名乔乔 卫卫 国国 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年五月二零一七年五月 万方数据 论文题目论文题目 裂隙软岩巷道渗水弱化机理及稳定性裂隙软岩巷道渗水弱化机理及稳定性 控制研究控制研究 作者姓名作者姓名 李李 骏骏 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 岩土岩土工程工程 研究方向研究方向 岩土力学理论与应用岩土力学理论与应用 指导教师指导教师 乔乔 卫卫 国国 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 万方数据 SEEPAGE WEAKENING MECHANISM OF SOFT ROCK ROADWAY IN FISSURED DEVELOPMENT COAL MINE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li jun Supervisor Professor Qiao Wei-guo College of Civil Engineering and Architecture May 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，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。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。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识到本声明的法律结果由本人承担。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规定，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。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 摘要摘要 在各类煤矿软岩巷道中，层理、节理、裂隙发育的岩体常伴随着大量的地下 水存在，而地下水的作用会促使岩层发生严重弱化，这种弱化作用在巷道及各个 车场的建设过程中，常会引起冒顶等严重事故。因此，研究这种裂隙发育且伴随 地下水存在的软岩巷道的破坏机理、支护方法、支护形式及支护参数，从而找到 适用于这类不稳定巷道的开挖、支护、加固、修复等方面的新技术，是十分有意 义的。 本文围绕着细微观形态下渗水砂岩的矿物组成成分、微观结构形态、水物理 化学作用的破坏机理及其定量表达、巷道的渗水情况评价、顶板分类、围岩稳定 性影响因素以及渗水巷道的弹塑性理论分析进行展开，其研究内容和主要结论可 归结为以下几点 （1）组成砂岩、粉细质砂岩和泥岩的成分中，含有多种粘土性矿物，这些矿 物有着复杂的微观结构，这是导致巷道被破坏的内因；岩体与地下水接触，会发 生一系列的物理化学作用，这是导致巷道被破坏的外因。 （2）工程中，应根据巷道顶板的岩层情况和顶板之上含水层的情况将渗水巷 道分为两类，并应根据此分类对巷道的稳定性和涌水情况进行评价，而不应再使 用传统的以富水系数或矿井涌水量为核心评价方法；而影响巷道稳定的因素包括 软弱层的情况、老顶含水砂岩的情况和先期的支护方案等。 （3）对圆形截面深部渗水砂岩巷道在支护体施加前后的弹塑性区应力以及位 移情况进行了推导；将水对岩体造成的损伤量，用一个以岩石孔隙度为函数的张 量式 Dij进行表达。 （4）结合彭庄煤矿几处巷道的工程实例，并使用数值模拟的方法，对两类典 型的渗水砂岩巷道的支护方法进行了探讨，找到了与其对应的有效支护方案。 关键词关键词渗水砂岩；微细观形态；围岩破坏；锚注；数值模拟 万方数据 Master Thesis of Shandong University of Science and Technology Abstract II Abstract Rock with bedding, joint and fractured is often accompanied by abundant groundwater, and the effect of groundwater will cause serious deterioration of rock ation. The rock weakening generated in the construction of the the roadway that often cause a serious accident such as roofing. Therefore, this paper studies on these roadway with groundwater, so as to find a suitable new technology support, reinforcement, repair and other aspects of the unstable roadway,which is very necessary. This paper is focus on the seepage sandstone, the powdery sandstone and the mudstone,studing their mineral composition, microstructure , water chemical failure mechanism and the description of its destruction mechanism. And the analysis of the seepage of the mudstone roadway, the classification of the roof, the stability of the surrounding rock and the elasto-plastic theory analysis of the seepage tunnel are also studied on. The main points can be summarized as follows 1 The mudstone mineral composition and its natural intricate joint pore microstructure is the main cause of rock damage in Sandstone, powdery sandstone and mudstone roadway. The water environment and the physical and chemical reactions of water are extremely harmful to the rock of the powdery sandstone and mudstone. 2 In practice, It can be uate and classify the seepage condition according to the roof of the roadway, which is different from the traditional water enrichment coefficient and mine water quality uation .The weak layer, the old top water-bearing sandstone and the early support are all the risk factors that can restrict the stability of the roadway. 3 The stress and displacement of the elasto - plastic zone before and after the application of the support body are calculated and answered. It can be use a porosity function to express the damage value of the physical and chemical reactions of water. 4 Based on the examples of several roadway in Pengzhuang coal mine and the numerical simulation , the support s of two typical seepage sandstone roadway are discussed, and the corresponding effective support scheme is found. 万方数据 Master Thesis of Shandong University of Science and Technology Abstract III Key Words Seepage sandstone; microcosmic morphology; surrounding rock failure; anchor injection; numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要 在各类煤矿软岩巷道中，层理、节理、裂隙发育的岩体常伴随着大量的地下 水存在，而地下水的作用会促使岩层发生严重弱化，这种弱化作用在巷道及各个 车场的建设过程中，常会引起冒顶等严重事故。因此，研究这种裂隙发育且伴随 地下水存在的软岩巷道的破坏机理、支护方法、支护形式及支护参数，从而找到 适用于这类不稳定巷道的开挖、支护、加固、修复等方面的新技术，是十分有意 义的。 本文围绕着细微观形态下渗水砂岩的矿物组成成分、微观结构形态、水物理 化学作用的破坏机理及其定量表达、巷道的渗水情况评价、顶板分类、围岩稳定 性影响因素以及渗水巷道的弹塑性理论分析进行展开，其研究内容和主要结论可 归结为以下几点 （1）组成砂岩、粉细质砂岩和泥岩的成分中，含有多种粘土性矿物，这些矿 物有着复杂的微观结构，这是导致巷道被破坏的内因；岩体与地下水接触，会发 生一系列的物理化学作用，这是导致巷道被破坏的外因。 （2）工程中，应根据巷道顶板的岩层情况和顶板之上含水层的情况将渗水巷 道分为两类，并应根据此分类对巷道的稳定性和涌水情况进行评价，而不应再使 用传统的以富水系数或矿井涌水量为核心评价方法；而影响巷道稳定的因素包括 软弱层的情况、老顶含水砂岩的情况和先期的支护方案等。 （3）对圆形截面深部渗水砂岩巷道在支护体施加前后的弹塑性区应力以及位 移情况进行了推导；将水对岩体造成的损伤量，用一个以岩石孔隙度为函数的张 量式 Dij进行表达。 （4）结合彭庄煤矿几处巷道的工程实例，并使用数值模拟的方法，对两类典 型的渗水砂岩巷道的支护方法进行了探讨，找到了与其对应的有效支护方案。 关键词关键词渗水砂岩；微细观形态；围岩破坏；锚注；数值模拟 万方数据 Master Thesis of Shandong University of Science and Technology Abstract II Abstract Rock with bedding, joint and fractured is often accompanied by abundant groundwater, and the effect of groundwater will cause serious deterioration of rock ation. The rock weakening generated in the construction of the the roadway that often cause a serious accident such as roofing. Therefore, this paper studies on these roadway with groundwater, so as to find a suitable new technology support, reinforcement, repair and other aspects of the unstable roadway,which is very necessary. This paper is focus on the seepage sandstone, the powdery sandstone and the mudstone,studing their mineral composition, microstructure , water chemical failure mechanism and the description of its destruction mechanism. And the analysis of the seepage of the mudstone roadway, the classification of the roof, the stability of the surrounding rock and the elasto-plastic theory analysis of the seepage tunnel are also studied on. The main points can be summarized as follows 1 The mudstone mineral composition and its natural intricate joint pore microstructure is the main cause of rock damage in Sandstone, powdery sandstone and mudstone roadway. The water environment and the physical and chemical reactions of water are extremely harmful to the rock of the powdery sandstone and mudstone. 2 In practice, It can be uate and classify the seepage condition according to the roof of the roadway, which is different from the traditional water enrichment coefficient and mine water quality uation .The weak layer, the old top water-bearing sandstone and the early support are all the risk factors that can restrict the stability of the roadway. 3 The stress and displacement of the elasto - plastic zone before and after the application of the support body are calculated and answered. It can be use a porosity function to express the damage value of the physical and chemical reactions of water. 4 Based on the examples of several roadway in Pengzhuang coal mine and the numerical simulation , the support s of two typical seepage sandstone roadway are discussed, and the corresponding effective support scheme is found. 万方数据 Master Thesis of Shandong University of Science and Technology Abstract III Key Words Seepage sandstone; microcosmic morphology; surrounding rock failure; anchor injection; 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 选题背景及研究意义 ............................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................... 3 1.3 研究内容方法及技术路线 ....................................................................... 9 2. 水作用下岩石细微观变化水作用下岩石细微观变化规律规律 ........................................................................ 11 2.1 渗水砂岩、粉细质砂岩及泥岩的组分与微观结构分析 ...................... 11 2.2 水-岩物理化学作用机理 ........................................................................ 18 2.3 渗水砂岩水物理化学损伤机理的变量表述 ......................................... 21 2.4 本章小结 ................................................................................................. 23 3. 渗水条件下煤矿软弱岩层强度分析渗水条件下煤矿软弱岩层强度分析 ............................................................... 24 3.1 渗水巷道的内涵及分类 ......................................................................... 24 3.2 巷道稳定的影响因素及破坏特征 ......................................................... 27 3.3 渗水巷道弹塑性理论分析 ..................................................................... 30 3.4 本章小结 ................................................................................................. 34 4. 支护方案数值模拟支护方案数值模拟 ........................................................................................... 35 4.1 数值模拟软件选择及计算假定 ............................................................. 35 4.2 5 号交岔点数值模拟 ............................................................................... 36 4.3 本章小结 ................................................................................................. 45 5. 工程案例工程案例 ........................................................................................................... 46 5.1 工程概况 ................................................................................................. 46 5.2 支护方案 ................................................................................................. 47 5.3 支护效果监测分析 ................................................................................. 56 5.4 本章小结 ................................................................................................. 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 6. 结论与展望结论与展望 ....................................................................................................... 60 6.1 主要结论 ................................................................................................. 60 6.2 展望 .......................................................................................................... 60 参考文献参考文献 ................................................................................................................ 62 致谢致谢 ........................................................................................................................ 68 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ........................................................................................ 69 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................... 70 万方数据 Master Thesis of Shandong University of Science and Technology Contents VI Contents Abstract......................................................................................................................I Contents...................................................................................................................IV 1. Introduction ........................................................................................................ 1 1.1 The background and significance of the study ........................................... 1 1.2 Research status ........................................................................................... 3 1.3 Research content s and technical routes ......................................... 9 2. Variation law of petrophysical properties of rock under water action ......... 11 2.1 Composition and microstructure analysis ................................................. 11 2.2 Water - rock physical and chemical mechanism ....................................... 18 2.3 Variation of physical and chemical damage mechanism .......................... 21 2.4 Chapter summary ...................................................................................... 23 3. Strength Analysis of Weak Rock ation .................................................. 24 3.1 Connotation and Classification of Water Seepage Roadway ................... 24 3.2 Influencing Factors and Damage Characteristics ..................................... 27 3.3 Theoretical analysis of elasto - plasticity in seepage tunnel ..................... 30 3.4 Chapter summary ...................................................................................... 34 4. Numerical Simulation ..........................................