裂隙破碎岩体巷道变形特征及稳定性控制.pdf

密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353 硕士学位论文硕士学位论文 裂隙破碎岩体巷道变形裂隙破碎岩体巷道变形特征及稳定性控制特征及稳定性控制 研研 究究 生生 张张 建建 导导 师余伟健师余伟健 学学 科矿业工程科矿业工程 研究方向岩石力学与岩层控制研究方向岩石力学与岩层控制 2018 年年 6 月月 万方数据 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Deation characteristics and stability control of roadway in cracked rock mass Candidate Zhang Jian Supervisor and Rank Prof.YU Weijian 万方数据 万方数据 裂隙破碎岩体巷道变形裂隙破碎岩体巷道变形特征及稳定性控制特征及稳定性控制 学位类学位类型型 学术型学位 作者姓名作者姓名 张 建 作者学号作者学号 15010101006 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 矿业工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 岩石力学与岩层控制 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 所在学院所在学院 资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2018 年 6 月 万方数据 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 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 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 万方数据 i 摘摘 要要 煤矿赋存的地质环境一般比较复杂，地下岩体巷道开挖过程中往往破坏变形严重， 特别是在构造应力条件下，表现为巷道内显著的水平应力大于垂直应力、大变形、长时 间塑性流变等特性，给巷道围岩支护与维护带来了严峻的挑战。本质上讲，构造应力巷 道围岩的稳定控制原理与技术的关键科学问题在于围岩体变形破裂演化规律及其合理 支护参数的探索。但由于实际地下工程巷道围岩的维护控制，大多借助于经典支护理论 或类比法等方法对同类巷道进行局部的、有限的试验性摸索，致使全面细致的围岩体变 形破裂过程、工程力学行为以及支护技术优化推广研究受到很大局限性。因此，本文基 于贵州木孔煤矿600m 西运输大巷典型构造应力带赋存地质条件，利用现场调研、力学 试验、理论分析、数值模拟以及现场工业试验相结合的研究方法，系统研究了裂隙破碎 岩体巷道变形特征及围岩支护控制要点，形成以下几方面成果 （1）通过现场调研与物理力学试验，全面化的获得了原支护下600m 西运输大巷 围岩巷道围岩变形破坏特征、内部裂隙发育状况、岩性组份以及力学强度等基本概况， 为水平构造应力场环境下岩体巷道变形失稳及围岩支护控制的确定奠定了理论基础。 （2）借助于数值计算软件，仿真模拟预定不同侧压系数下圆形巷道在开挖过程中 围岩变形破裂空间分布模式，以及不同侧压系数下圆形巷道的应力、位移以及围岩塑性 区分布情况，说明了水平构造应力岩体巷道围岩变形破裂与侧压力系数的变化关系。 （3）基于不同侧压系数下圆形巷道围岩的变形破裂机理的数值计算结果，建立了 非对称圆形巷道力学模型，力学分析了不同侧压力系数下构造应力岩体巷道弹塑性解析 解，进而通过建立巷道滑动失稳破坏力学模型，提出评价巷道围岩整体稳定性的判据表 达式。 （4）基于裂隙破碎岩体巷道围岩的控制对策，进一步分析了不同锚杆长度、不同 间排距和不同预紧力对承载结构稳定性的影响，提出了针对性的优化方案及支护参数， 并通过 FLAC3D 数值计算对比分析了优化方案与原方案两种情况下巷道围岩变形收敛 量、位移变化情况及塑性区分布情况等，并最终得出结论。 （5）类比试验巷道地质环境，将优化方案进行现场工业性试验，并实时动态监测 巷道围岩收敛变形与支护锚杆受力情况，结合监测数据结果，验证并评价其支护效果及 可靠性。 关键词裂隙岩体；运输大巷；变形破裂；数值模拟；支护优化 万方数据 ii 万方数据 iii Abstract The geological environment of coal mines is generally complex. The deation of roadway during underground rock excavation is often severely deed. Especially under tectonic stress conditions, the horizontal stress in the roadway is greater than the vertical stress, large deation, and long-time plastic rheology. Such characteristics have brought severe challenges to the support and maintenance of roadway surrounding rock. In essence, the key scientific problem of the stability control principle and technology of the surrounding rock of tectonic stress roadway lies in the evolution law of deation and fracture of surrounding rock mass and the exploration of reasonable supporting parameters. However, due to the maintenance and control of roadway surrounding rock in actual underground engineering, most of the similar roadways are subjected to local and limited experimental explorations with classical support theory or analogy s, resulting in a comprehensive and detailed deation and fracture process of surrounding rock masses and engineering mechanics. The research on the optimization and promotion of behavior and support technology has been very limited. Therefore, based on the geological conditions of the typical tectonic stress zone in the 600m West Transportation big lane of the Guizhou Mu Kong coal mine, this paper systematically studies the deation characteristics of the roadway in fractured rock mass and the main control points of the surrounding rock support by the of field investigation, mechanical test, theoretical analysis, numerical simulation and field test, get the results of the following aspects 1 Through on-site investigations and physical and mechanical tests, comprehensive analysis of the surrounding rock deation characteristics, internal fracture development status, lithology components, and mechanical strength of the surrounding rock laneway of the 600m west Roadway under the original support has been achieved. It lays a theoretical foundation for the determination of roadway deation instability and support control of surrounding rock under horizontal tectonic stress field environment. 2 With the help of FLAC 3D software, the spatial distribution pattern of deation and failure of surrounding rocks of circular roadway during the process of excavation, and the stress, displacement and distribution of plastic zone of surrounding rock, are numerically simulated. The relationship between deation and failure of surrounding rock and lateral pressure coefficient of rock mass in horizontal tectonic stress is illustrated by the results. Moreover, the relationship between deation and failure of surrounding rock and lateral pressure coefficient of rock mass in horizontal tectonic stress is illustrated. 万方数据 iv 3 Based on the numerical calculation results of deation and fracture mechanism of surrounding rock in circular roadway under different pressure coefficients, an asymmetric circular roadway mechanical model was established, and the elasto-plastic analytical solution of the roadway of tectonic stress rock under different lateral pressure coefficients was analyzed mechanically. Then, by establishing the failure model of roadway sliding instability, a criterion expression for uating the overall stability of roadway surrounding rock is proposed. 4 Based on the control countermeasures of roadway surrounding rock in tectonic stress fractured rock mass, the effects of different anchor lengths, different row distance and different pre-tightening forces on the stability of the load-bearing structure are further analyzed, and a targeted optimization scheme is proposed. Supporting parameters, and numerical analysis of FLAC3D, compared and analyzed the converging amount of roadway surrounding rock deation, displacement variation and plastic zone distribution in the two cases of the optimized scheme and the original scheme, and finally reached the conclusion. 5 Analogous test roadway geological environment, optimize the scheme to conduct on-site industrial tests, and dynamically monitor the roadway surrounding rock converging deation and support bolt force conditions in real time, combine monitoring data results to verify and uate its supporting effect and reliability. Key words fractured rock mass; Roadway; deation and fracture; numerical simulation; support optimization 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................... i Abstract .................................................................................................................................... iii 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景与意义 ........................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状与进展 ............................................................................................ 3 1.2.1 工程裂隙岩体力学特性 ................................................................................... 3 1.2.2 巷道围岩变形破裂机制 ................................................................................... 4 1.2.3 巷道围岩稳定性控制 ....................................................................................... 5 1.3 主要研究内容 ............................................................................................................. 8 1.4 研究方法与技术路线 ................................................................................................. 9 第二章 木孔煤矿600m 西运输大巷现场调查及围岩力学性质 ...................................... 11 2.1 矿井总体概况 .......................................................................................................... 11 2.1.1 工程地质 ........................................................................................................ 11 2.1.2 600m 西运输大巷工程概况 ......................................................................... 12 2.2 600m 西运输大巷原支护情况及变形破坏特征 ................................................... 13 2.2.1 原支护方案 .................................................................................................... 13 2.2.2 巷道围岩变形破坏特征 ................................................................................ 14 2.3 巷道围岩内部裂隙发育窥视 .................................................................................. 16 2.3.1 裂隙探测方案 ................................................................................................. 16 2.3.2 裂隙发育探测结果分析 ................................................................................. 16 2.4 节理裂隙统计与调查 ............................................................................................... 19 2.5 X 射线衍射实验 ....................................................................................................... 22 2.6 巷道岩体力学特性试验 ........................................................................................... 23 2.6.1 采样与加工 ..................................................................................................... 23 2.6.2 岩石力学单轴试验 ......................................................................................... 24 2.6.3 岩石三轴力学强度实验 ................................................................................. 25 2.7 工程岩体参数预测 ................................................................................................... 27 2.8 本章小结 ................................................................................................................... 29 第三章 水平构造应力岩体巷道变形破裂数值模拟 .......................................................... 31 3.1 数值模型及测点布置 .............................................................................................. 31 3.2 巷道围岩开挖变形破裂时空演化规律 ................................................................... 32 3.3 不同侧压力系数巷道围岩横断面变形规律 ........................................................... 36 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 40 第四章 构造应力岩体巷道围岩变形破裂力学机制及稳定性判据 .................................. 43 4.1 裂隙破碎巷道围岩的工程特性及破坏特征 ........................................................... 43 4.1.1 构造应力裂隙岩巷工程力学特性 ................................................................. 43 4.1.2 裂隙破碎巷道围岩变形破坏特征 ................................................................ 43 4.2 圆形巷道变形破裂的弹塑性分析 .......................................................................... 44 4.2.1 圆形巷道弹塑性模型建立 ............................................................................ 44 4.2.2 模型解析解 ..................................................................................................... 44 4.3 构造应力圆形巷道整体稳定性分析 ...................................................................... 49 4.3.1 圆形巷道失稳破坏模型 ................................................................................ 49 4.3.2 模型求解 ........................................................................................................ 50 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 52 第五章 构造应力裂隙岩体巷道支护优化及工程应用 ...................................................... 53 5.1 构造应力裂隙岩体巷道稳定性控制对策 ............................................................... 53 5.2 试验巷道工程概况及其数值模型 .......................................................................... 54 5.2.1 工程概况 ........................................................................................................ 54 5.2.2 数值模型建立与测点布置 ............................................................................ 54 5.3 模拟结果分析 .......................................................................................................... 55 5.3.1 原始支护方案受力分析 ................................................................................ 55 5.3.2 注浆支护方案受力分析 ................................................................................ 56 5.3.3 支护锚杆参数优化 ........................................................................................ 56 5.3.4 增设锚索的支护效果分析 ............................................................................. 65 5.4 现场支护效果 ........................................................................................................... 67 5.5 本章小结 ................................................................................................................... 69 第六章 主要结论与展望 ...................................................................................................... 71 6.1 主要结论 .................................................................................................................. 71 6.2 展望 .......................................................................................................................... 72 参考文献 ................................................................................................................................ 73 附录 A 攻读学位期间发表的论文与科研成果清单 .......................................................... 77 致 谢 ...................................................................................................................................... 79 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 本章主要阐述了裂隙破碎岩体巷道变形机制及控制技术研究的必要性及应用前景， 总 结了目前国内外岩石力学试验、工程裂隙岩体力学特性、巷道围岩变形破裂机制、以及相 关支护理论发展和支护技术应用现状。 1.1 研究背景与意义研究背景与意义 “十二五”期间，随着产业结构的调整和转变经济发展方式的要求，我国的经济发展 进入了“新常态”，国家出台了诸多措施实现了国家能源的多样化供应，加剧了我国能源 需求日趋增长，尤其是在一次性能源生产和消费中占据主导地位的煤炭资源产量和消费 量也呈现出快速增长的势头[1-5]。放眼“十三五”规划，我国能源发展面临着新的形势，能 源消费增速会呈现回落趋势，煤炭消费比重也进一步降低，但煤炭在一次能源生产及消 费环节中占据很大比例[7,8]。 因此， 煤炭依旧是我国的主要能源供给部分且长期不会改变。 中国煤炭资源分布广泛， 其中地下煤炭开采资源有超过 90为地下井巷开采， 由此， 当前各种方式的采煤方法，都需要各类巷道、硐室等为煤矿开采服务。据不完全统计， 我国每年井下新掘巷道累计长度可达数万千米，煤矿开采深度也达到 812m/a，因此， 巷道开挖后围岩与支护相互稳定，以及适应复杂地质条件和复杂应力场下巷道的维护对 煤矿安全生产产生了关键性的作用。在以往巷道掘进作业过程中，高地应力、多重复杂 应力场（如构造应力场、采动应力场）对巷道围岩扰动、巷道周边围岩软弱破碎、瓦斯 突出等复杂地质条件[9,10]，是影响巷道支护的棘手问题同时也是亟待解决的关键问题。 煤矿巷道在开挖过程中常处于复杂力学环境下，受构造应力影响明显，巷道工程失 稳破坏都与其内部节理或裂隙扩展贯通有关，对矿井安全生产造成了安全隐患。对于构 造应力影响的岩体巷道，巷道周边岩体属于非连续地质结构体，内部会产生大量裂隙缺 陷，当岩体开挖后，应力集中与应力重分布导致浅部围岩产生不同程度的裂隙发育，形 成非稳定构造应力场，以至于最终整体扩