深埋富水软岩巷道变形机理与控制技术研究.pdf

分类号分类号 TD353TD353 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 深埋富水软岩巷道变形机理深埋富水软岩巷道变形机理 与控制技术研究与控制技术研究 曹曹 帅帅 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工程岩土工程 指导教师姓名指导教师姓名林林 登登 阁阁 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年五月二零一六年五月 万方数据 论文题目论文题目 深埋富水软岩巷道变形机理深埋富水软岩巷道变形机理 与控制技术研究与控制技术研究 作者姓名作者姓名曹曹 帅帅 入学时间入学时间20132013 年年 9 9 月月 专业名称专业名称岩土工程岩土工程 研究方向研究方向矿山地下工程与隧道工程矿山地下工程与隧道工程 指导教师指导教师林林 登登 阁阁 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON DEATION MECHANISM AND CONTROL TECHNOLOGY OF THE DEEP BURIED SOFT ROCK ROADWAY WITH RICH WATER A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology By Cao Shuai Supervisor Professor Lin Deng-ge College of Civil Engineering and Architecture May 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘 要 摘要摘要 随着我国煤矿开采深度的不断增加，深部巷道极易受到地下水、地热、高应力 等复杂地质条件的影响，表现出变形大、松动范围广、地压显现剧烈等显著特征， 给深部高应力富水软岩巷道支护问题带来巨大困难与挑战，因此研究高应力富水软 岩巷道变形破坏特征、失稳机理及相关支护技术有着重大现实意义。本文以陈蛮庄 矿-900m 水平井底车场为工程背景，针对高应力富水软岩巷道支护问题，采用现场 实测、物理实验、理论分析、数值模拟及矿压观测等技术手段，主要取得了如下研 究成果 （1）结合实验室试验及现场钻孔窥视结果，分析了该巷道泥岩强度大小、矿物 成分含量、地应力分布情况及围岩松动破坏范围，确定了巷道软岩类型及失稳破坏 模式；运用 FLAC3D 软件，研究了不同埋深、侧压系数和粘聚力衰减规律情况下直 墙拱软岩巷道变形规律和塑性区扩展情况，总结了高应力富水软岩巷道变形破坏失 稳机理。 （2） 基于弹塑性力学与损伤力学相关理论， 在考虑渗流及岩体损伤软化条件下， 建立了深部富水软岩巷道注浆前后围岩应力及变形计算模型，求得了模型的封闭解 析解；在建立模型的基础上，研究了渗流、岩体粘聚力、支护阻力对围岩应力、应 变及变形的影响，并对比分析了注浆前后不同渗透系数、注浆区参数条件下的围岩 变形及塑性区扩展规律。 （3）运用 FLAC3D 软件，研究了注浆半径与注浆区粘聚力、弹性模量和内摩 擦角对巷道围岩塑性区分布的影响；同时在锚注支护条件下，研究了不同锚杆预紧 力、锚杆长度、注浆区粘聚力和内摩擦角对巷道围岩变形及塑性区分布的影响，为 支护方案的优化提供理论基础。 （4）在原支护方案的基础上，提出了 2 种优化支护方案，分别为锚喷高强 锚索联合支护方案‖和锚注喷高强锚索联合支护方案‖；运用 FLAC3D 软件对比分 析了两种优化方案的位移场及塑性区分布情况，选取了最优支护方案；结合工业性 试验， 对巷道表面位移、 深部围岩位移及锚杆轴力变化进行了矿压监测， 结果表明， 优化后的支护方案有效的控制了巷道围岩有害变形，解决了深部高应力富水软岩巷 道大变形失稳破坏的工程难题。 关键词关键词深部软岩巷道；围岩-渗流耦合作用；变形机理；控制技术 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract Abstract With the increasing depth of coal mining in China, deep tunnel is extremely vulnerable to groundwater, geothermal, high stress and other complex geological conditions, presenting large deation, wide loose range, violent ground pressure and other significant characteristics, which rts tremendous difficulties and challenges on the supporting of the deep buried soft rock roadway with rich water under high stress. Therefore, it is of great practical significance to study the deation and failure mechanism and other related supporting technologies. Based on Chen Manzhuang mine shaftbottom with 900 levels, this paper studies the supporting of the deep buried soft rock roadway with rich water under high stress by means of field measurement, physical experiment, theoretical analysis, numerical simulation and mine pressure observation and other technical s, and then makes the following achievements First, combined with laboratory test and field drilling peep results, the soft rock type and failure mode are determined after analyzing the strength size of roadway mudstone, mineral composition, stress distribution and the loosening damage range of surrounding rock; with the help of FLAC3D software, laws of straight wall arch soft rock roadway deation and plastic zone extension are studied under different depth, lateral pressure coefficient and attenuation law of cohesive force, and the deation and failure mechanism of the deep buried soft rock roadway with rich water under high stress is summarized. Second, based on the elastoplastic mechanics theory and damage mechanics theory, the calculation model of both surrounding rock stress before and after grouting and deation on the deep buried soft rock roadway with rich water is established and the model’s closed analytic solution is obtained under the consideration of seepage and rock damage softening conditions; by building model, effects of seepage, rock cohesion and support resistance on the surrounding rock stress, strain and deation are studied, then the surrounding rock deation and the plastic zone extension are contrastively analyzed under the condition of different permeability coefficient and grouting zone parameters before and after grouting. Third, through FLAC3D software, the influences of the grouting radius and the cohesive strength, elastic modulus and internal friction angle on the plastic zone distribution of surrounding rock are studied;At the same time, under the condition of anchor support,the influences of different preload, anchor length, cohesive force and internal friction angle on the deation of surrounding rock and plastic zone distribution are also studied, which provides a theoretical basis for the optimization of 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract supporting scheme. Fourth, on the basis of the original support scheme, two optimized support schemes are proposed, that is, jointed support scheme of bolting and shotcreting and high strength anchor chain‖ and jointed support scheme of bolt-grouting and shotcreting and high strength anchor chain ‖; by means of FLAC3D software, their displacement fields and plastic zone distributions are comparatively analyzed and then the best supporting scheme is selected; based on the industrial test, the displacement of the roadway surface, the displacement of surrounding rock and the change of rock bolt axial force are carried out the mine pressure monitoring, showing that the optimized support scheme can effectively control the deation of surrounding rock, and address the engineering challenges about the large deation and failure of the deep buried soft rock roadway with rich water under high stress. KeywordsDeep soft rock roadway，Surrounding rock- seepage coupling effect ， Deation mechanism，Control technology 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目 录 目录目录 1 1 绪论绪论.................................................................................................................................................... 1 1 1.1 问题的提出及研究意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外富水软岩巷道支护理论研究现状 ........................................................................ 2 1.3 国内外富水软岩巷道支护技术研究现状 ............................................................... 4 1.4 研究内容、方法和技术路线 .................................................................................... 5 2 2 深部富水软岩巷道变形破坏特征及失稳机理研究深部富水软岩巷道变形破坏特征及失稳机理研究 .......................................... 7 7 2.1 工程概况 ...................................................................................................................................... 7 2.2 巷道变形破坏特征及影响因素 ........................................................................................... 8 2.3 深埋软岩巷道变形破坏机理数值模拟研究..................................................................16 2.4 本章小结 ....................................................................................................................................29 3 3 注浆加固机理理论与数值模拟研究注浆加固机理理论与数值模拟研究 ......................................................................... 3030 3.1 考虑渗流、损伤的软岩巷道围岩应力及变形分布规律探讨 ................................30 3.2 注浆前后围岩应力、变形及塑性区分布规律研究 ...................................................37 3.3 注浆区参数对围岩塑性区分布的影响数值模拟分析...............................................45 3.4 深部软岩巷道锚注支护机理数值模拟 ...........................................................................51 3.5 本章小结 ....................................................................................................................................62 4 4 - -900m900m 水平井底车场支护方案优化及工业试验水平井底车场支护方案优化及工业试验............................................... 6464 4.1 优化方案支护参数 .................................................................................................................64 4.2 优化方案支护效果数值模拟研究.....................................................................................66 4.3 工业性试验及矿压观测 ........................................................................................................69 4.4 本章小结 ....................................................................................................................................75 5 5 主要结论及创新点主要结论及创新点 ................................................................................................................ 7777 5.1 主要结论 ....................................................................................................................................77 5.2 展望 ..............................................................................................................................................78 致致 谢谢 .................................................................................................................................................... 79 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................................................................. 80 参考文献参考文献 ............................................................................................................................................... 81 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents Contents 1Introduction 1 1.1 Raising of Project and Research Meaning1 1.2 Present Research at Home and Abroad on Soft Rock Roadway 2 1.3 Study on the Present Situation of Soft Rock Roadway 4 1.4 Research Contents and 5 2 Deation Mechanism of the Deep Buried Soft Rock Roadway with Rich Water 7 2.1 Project Profile 7 2.2 Characteristics and Influencing Factors of Roadway Deation and Destruction8 2.3 Deep Soft Rock Deation and Failure Mechanism of The Numerical Simulation Research 16 2.4 Chapter Summary 29 3 Mechanism of Grouting Reinforcement Theory and Numerical Simulation Research30 3.1 Soft rock tunnel surrounding rock stress and deation distribution30 3.2 Surrounding Rock Stress, Deation and Plastic Zone Distribution of Research37 3.3 The Influence of Area of the Grouting Parameters on the Distribution of Plastic Zone45 3.4 Mechanism of deep soft rock roadways of anchor support numerical simulati51 3.5 Chapter Summary62 4 -900 Horizontal Bottom Support Scheme Optimization and Industrial Test64 4.1 Supporting Parameters Optimization Scheme 64 4.2 Optimization Scheme Supporting Effect Numerical Simulation Research66 4.3 Industrial Test and the Mine Pressure Observation69 4.4 Chapter Summary75 5 Conclusions and Innovations ..77 5.1 Main Conclusions....77 5.2 Outlook.78 Acknowledgements ...79 The Research Achievements During the Degree...80 References ...81 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 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 随着我国经济的快速发展，煤炭工业已经成为我国重要的国民经济基础。同时 随着我国国内煤矿资源不断的开采，我国东北部地区的煤炭资源正在日益减少，煤 矿开采逐渐向我国西部地区转移，并且表现出由浅部开采向深部开采转化的趋势。 然而在深部开采地质环境中，由于受到地下水、地热、高应力等复杂条件的影响， 致使巷道表现出变形大、易底鼓、收敛速率快、松动范围广等显著特点，给煤矿巷 道支护带来巨大困难与挑战。 数据显示， 20122014 年全国煤炭产量依次为 36.5 亿吨、 36.8 亿吨和 38.7 亿吨， 煤炭消费量占能源消费总量的 65以上，虽然我国经济面临下行压力，煤炭产量及 需求量增长放缓，但从目前阶段来看煤炭依旧是支撑国民经济发展的重要能源，短 时间内无可替代[1]。然而随着我国浅部煤炭资源的日益枯竭，深部煤炭资源逐渐成 为开采主体，而深部煤炭储量占已探明总储量的 70％以上，据国家煤炭安全监察局 2013 年初步统计，我国有 43 个矿区的 300 多座矿井开采深度超过 600m，其中新汶 等 200 处矿井开采深度超过 800m，开采超过 1000m 的矿井全国有 47 处，其中新汶 孙村煤矿开采深度已达到 1501m 是全国最深的矿井，同时有关统计资料表明， 20 年内，我国许多煤矿将陆续进入 1000～1500m 的开采深度[2]。 图图 1.1 地深与煤炭储量关系图地深与煤炭储量关系图 Fig. 1.1 To deep relationship with the coal reserves figure 深部富水软岩巷道不同于传统的浅部软岩巷道，该巷道所处地层多受地下水、 高应力等复杂因素的影响，多含强度低、易遇水软化的泥岩，巷道围岩表现出弱胶 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 2 结性、强水理作用及吸水膨胀性等特点，给巷道维护带来较大困难。特别是在深埋 松软破碎岩体中修建的巷道，表现出裂隙发育、强渗流、大变形及难稳定的特征， 且围岩孔隙水压力降低会引起围岩有效应力增高，进一步加剧巷道变形，若高压涌 水难以制止，任其自由发展，极易增加巷道发生突水、塌方的风险[3-6]。然而我国中 西部或深部煤矿开采过程中极易遇到富水弱胶结软岩地层，此类地层是我国主要聚 煤期之一的晚侏罗世-早白垩世含煤地层，是我国西部地区主要的含煤岩系，多含厚 或巨厚煤层。在高应力富水软岩岩层中巷道围岩表现出变形量大、收敛速率快，流 变性能显著等特点，这与浅部地区硬岩巷道具有很大的区别，传统的支护形式在此 类软岩巷道中很难达到较为理想的支护效果，因此研究深部高应力下富水软岩巷道 变形机理与控制技术具有重要的理论意义及现实意义。 1.2 国内外富水软岩巷道支护理论研究现状国内外富水软岩巷道支护理论研究现状 随着软岩巷道支护技术的不断发展，在地下工程围岩稳定性理论和实践的探索 中，国内外学者也相继发展了许多相关的围岩压力计算理论、支护理论与假说，具 有代表性的主要包括古典压力理论（包括 Rankine 和和金尼克理论）[7-8]、塌落拱 理论[9-10]（包括太沙基和普氏理论） 、围岩-支护结构共同作用理论[7-8,11-12]等，其中 20 世纪初的古典压力理论认为，上覆岩层重量 γh 是作用于支护结果上的支护压力 的主要根源；40 年代的塌落拱理论认为，对于深埋地下工程，作用于支护结构上的 支护压力实际上并不等效于上覆岩层的重量，而是由开挖巷道围岩塌落拱内的松动 岩体重量引起；60 年代后的围岩-支护结构共同作用理论考虑岩体裂隙、节理及流 变性质条件下， 从侧面研究了控制围岩变形， 保证巷道长久稳定的支护技术与措施。 除了在围岩压力计算理论领域取得显著成果以外，一些著名的国内外学者也在 地下工程支护理论方面取得重大突破，其中主要包括新奥法支护理论、应变控制 理论及能量支护理论、地质力学支护理论、松动圈支护理论、强度强化理论等。 新奥法支护理论[13]、是 1964 年奥地利著名教授 L．米勒提出的，因其在应用 过程中表现出造价低廉、 工艺简单、 结构可靠等特点而引起隧道工程界的高度重视， 并成功在世界各地的隧道、 矿山、 铁路、 军事工程洞库等地下工程建筑中广泛应用。 新奥法施工技术的基本原理在于 （1）充分发挥并利用围岩自承能力； （2）提高围 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 3 岩强度，均衡围岩应力分布，并允许围岩具有一定程度的变形，以减小对支护结构 的围岩压力； （3）利用现场的监测进行反馈施工。新奥法认为支护体系中岩体是主 要承载单元，在技术和经济上都是合理的。20 世纪 70 年代日本学者山地宏和樱井 春辅提出了围岩支护的应变控制理论[14]，该理论认为巷道围岩的应变随着支护 结构的增大而减小， 因此通过支护结构就可以有效地将围岩应变控制在容许应变范 围内。同一时期，萨拉蒙（M. D. Salamon）等人提出了能量支护理论[14]，该理论 认为支护结构与围岩相互作用并产生变形，变形过程中，支护结构吸收了巷道围 岩释放的部分能量， 总能量没有变化， 因此可利用支护结构的特点使支护结构自动 吸收并释放围岩传递过来的多余能量。 何满潮教授运用工程地质学和现代力学相结合的方法， 提出了工程地质学支护 理论[15]。该理论认为软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上的变形力学机制的 复合类型，支护时要对症下药‖，合理有效地将复合型转化为单一型。由何满潮教 授提出的关键部位耦合组合支护理论‖认为巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩 体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护转化技术，使 其相互耦合，软岩巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关 键部位的点支护。 侯朝炯教授等通过深入研究得到了煤巷锚杆支护的关键理论和技术，特别是提 出了围岩强度强化理论[16-25]， 主要内容 ① 锚杆支护实质是锚杆与锚固区域的岩体 相互作用组成锚固体， 形成统一的承载结构； ② 锚杆支护可提高锚固体的力学参数， 包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数E、C、ψ，改善被锚岩体力学性能；③ 巷 道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及 残余强度均能得到强化；④ 围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑 性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩 的稳定。 方祖烈教授提出了主次承载区支护理论[26]，该理论认为巷道开挖后，在围岩 中形成拉压域，压缩域在围岩深部，处于三向应力状态，围岩强度高，是维护巷道 稳定的主承载区。张拉域在巷道周围，围岩强度相对较低，通过支护加固，也有一 定的承载力，称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。 在考虑围岩损伤软化条件下， 针对深部富水软岩巷道围岩弹塑性理论分析方面， 许多学者也取得了大量的研究成果。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文