深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究.pdf

广西大学硕士学位论文广西大学硕士学位论文 深部高应力软岩巷道支护方案与应用研究深部高应力软岩巷道支护方案与应用研究 深部深部高应力软岩巷道变形破坏特征高应力软岩巷道变形破坏特征 及复合支护技术及复合支护技术研究研究 苏光林苏光林 二二〇〇一一四四年五月年五月 硕士学位硕士学位 论论 文文 硕硕 士士 论论 文文 苏苏 光光 林林 深深 部部 高高 应应 力力 软软 岩岩 巷巷 道道 变变 形形 破破 坏坏 特特 征征 及及 复复 合合 支支 护护 技技 术术 研研 究究 2014 广西大学硕士学位论文广西大学硕士学位论文 深部高应力软岩巷道支护方案与应用研究深部高应力软岩巷道支护方案与应用研究 分类号 TD353.6 密级 公 开 U D C 硕士学位论文硕士学位论文 深部深部高应力软岩巷道变形破坏特征高应力软岩巷道变形破坏特征 及复合支护技术及复合支护技术研究研究 苏苏 光光 林林 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 指导教师指导教师 李学锋李学锋 研究员研究员 论文答辩日期论文答辩日期 2014 年年 5 月月 24 日日 学位授予日期学位授予日期 2014 年年 6 月月 30 日日 答辩委员会主席答辩委员会主席 吴仲雄吴仲雄 教授教授 广西大学学位论文原创性和使用授权声明广西大学学位论文原创性和使用授权声明 本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大 学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研 究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说明。 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归 属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即学校有 权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文属于 □保密，在 年解密后适用授权。 □不保密。 请在以上相应方框内打√‖ 论文作者签名 日期 指导教师签名 日期 作者联系电话 电子邮箱 I 深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究 摘 要 深部巷道由于深埋地表之下，受到各种地质因素的综合影响，不仅表 现出高应力特征，且使原本在浅层地下无软岩特征的岩层出现软岩现象， 使深部高应力软岩的巷道支护成为矿井生产的主要障碍之一。特别是常与 软弱破碎岩层伴生的煤矿，巷道支护往往要耗费大量的资源。因此，解决 好深部高应力条件下煤矿的巷道支护问题是煤矿高效安全和经济生产的重 要环节之一。下金煤矿至今已有 40 余年开采历史，巷道支护基本沿用传统 支护方式。如今下金煤矿的开采深度正逐年加大，原本可以满足浅层地表 巷道的支护已经不适用于更深度的巷道，伴随有大面积拱顶冒落、塌方， 对矿山的正常生产秩序产生重大影响和大大提高了支护成本，因此，研究 符合工程实际需求的支护方式来解决下金煤矿的深部巷道稳定性问题，显 得尤其紧迫。 本文在下金煤矿深部巷道高强度高刚度复合支护技术应用研究项 目的支撑下，深入矿区展开大量的现场调查，研究下金矿的基本地质系统， 并进行大量的室内实验，从宏观和微观方面研究巷道围岩的构成和力学特 性。剖析了下金煤矿深部巷道的变形破坏特征并评估了工程难度。选用 FLAC3D软件模拟 4 种支护方式在轨道下山巷道的实施效果，对比模拟效果 和技术经济因素，优选出最佳方案并进行锚杆直径、锚固方式、锚杆间排 距等不同支护参数对巷道稳定性影响的研究。对轨道下山巷道安装 KJ327 II 矿压监测设备进行巷道稳定性监测，监测结果显示巷道围岩的变形位移和 锚杆载荷在合理可控的范围内，巷道处于稳定状态，支护效果良好。 关键词关键词高应力软岩高应力软岩 复合复合支护支护 数值模拟数值模拟 矿压监测矿压监测 III RESEARCH OF DEEP HIGH STRESS SOFT ROCK ROADWAY OF DEATION CHARACTERISTICS AND COMPOUND SUPPORTING TECHNOLOGY ABSTRACT Roadway supporting became mine production a major problem because burying deep beneath the surface which effected integrately by the various geological factors, with not only the perances characteristics of high stress, but makes the original phenomenon of soft rock ations which no soft rock features in the shallow subsurface. In particular, the coal mine roadway support tend to spend a lot of resources which often associated with weak broken rock . Therefore, it become a very important part for coal mine producting safetly and efficiencly with solving the problem of roadway support in deep coal under the high stress condition. The Xiajin coal mine has been mined more than 40 years, but the roadway supporting almost follow the traditional way. With the depth of mining increases every year, it’s difficult to meet the support needs of deep roadway supporting with high demand by using the old ways, there have been large dome caving, landslides situation and hampered the coal mine’s safety and economical production seriously, so it needs the support mode to solve the problem of Xiajin’s deep roadway stability which meets the actual engineering . This paper combines the project “Research of deep roadway under high strength and stiffness of the composite technology support applied for Xiajin IV coal mine “,it studied the basic geology of Xiajin coal mine systematically after a number of field surveys, and studied the composition and mechanical properties of roadway from the macro and micro aspects with a large number of laboratory experiments . It analysises the causes of deation and failure for deep roadway and the failure mode of Xiajin coal mine, at the same time it uated the difficulty of the project. It takes Guidaoxiashan tunnel as the object of support research ,choose the best solution by using the finite difference software FLAC3D analog 4 kinds of support programs which considers from an economic, technological and simulation results,and study the influence of roadway’s stability when using the different support parameters such as bolt diameter, anchoring s,bolt inter-row spacing.It used the KJ327 mine pressure monitoring equipment to monitor the Guidaoxiashan roadway’s stability,and the results showed the good supporting effect with that the deation of roadway within the range of reasonable and controllable while the roadway in a stable state. KEYWORDS high stress soft rock roadway; composite support；； numerical simulation; mine Pressure Monitoring V 目 录 摘要 ...................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................ III 第 1 章 绪 论 ........................................................................................................................ 1 1.1 引言 ............................................................................................................................... 1 1.2 研究课题的背景及意义 ............................................................................................... 1 1.3 国内外软岩巷道支护研究现状 .................................................................................. 3 1.3.1 国外研究现状 .................................................................................................... 3 1.3.2 国内研究现状 .................................................................................................... 6 1.4 本文研究的内容及方法 .............................................................................................. 7 1.4.1 本文的研究内容 ................................................................................................ 7 1.4.2 本文的研究方法 ................................................................................................ 8 第 2 章 下金煤矿地质特征分析及岩石试验研究 .................................................................. 9 2.1 矿区概况 ...................................................................................................................... 9 2.2 矿区综合地质概况 .................................................................................................... 10 2.2.1 地层特征分析 .................................................................................................. 10 2.2.2 构造特征分析 .................................................................................................. 11 2.2.3 煤层地质特征分析 .......................................................................................... 12 2.2.4 矿区水文地质概况 .......................................................................................... 14 2.3 室内岩石物理力学实验 ............................................................................................ 16 2.3.1 矿岩的密度测试 .............................................................................................. 16 2.3.2 室内岩石物理力学实验 .................................................................................. 17 2.3.3 煤和泥岩的 C、φ 值的估算 ............................................................................ 22 2.3.4 砂岩的动弹性模量和动泊松比的测定 .......................................................... 22 2.3.5 室内岩石物理力学实验成果汇总 .................................................................. 24 2.3.6 围岩的微观结构试验 ...................................................................................... 24 2.4 地应力测量 ................................................................................................................ 26 2.4.1 测量原理及选用的方法 .................................................................................. 26 2.4.2 现场原岩地应力测量及结果汇总 .................................................................. 26 VI 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 29 第 3 章 下金煤矿深部巷道变形破坏特征及工程难度评价 ................................................ 30 3.1 深部软岩巷道变形破坏机理与特征 ........................................................................ 30 3.1.1 变形破坏机理 .................................................................................................. 30 3.1.2 变形破坏特征 .................................................................................................. 30 3.2 巷道情况的实地调查及岩体力学参数的确定 ......................................................... 31 3.2.1 工程地质调查 .................................................................................................. 31 3.2.2 下金煤矿巷道变形破坏特点 .......................................................................... 32 3.2.3 岩体力学参数的确定 ...................................................................................... 34 3.3 下金煤矿深部软岩巷道工程难度评价 ..................................................................... 36 3.3.1 深部岩体工程难度评价 .................................................................................. 36 3.3.2 软岩岩体工程难度评价 ................................................................................... 38 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 41 第 4 章 轨道下山巷道开挖支护的数值模拟研究 ................................................................ 42 4.1 有限差分软件 FLAC3D介绍 ..................................................................................... 42 4.2 数值模型的建立 ........................................................................................................ 43 4.2.1 模拟巷道概况 .................................................................................................. 43 4.2.2 数值模型网格划分 .......................................................................................... 43 4.2.3 数值模型方案的选择及求解步骤 .................................................................. 44 4.3 数值模拟结果分析 .................................................................................................... 45 4.3.1 巷道围岩位移变化特点 .................................................................................. 45 4.3.2 巷道围岩塑性破坏特点 .................................................................................. 48 4.3.3 剪切应力变化特点 .......................................................................................... 49 4.4 支护参数对巷道稳定性影响的研究 ........................................................................ 50 4.4.1 喷射混凝土强度对巷道围岩稳定性的影响 .................................................. 51 4.4.2 锚杆直径对巷道围岩稳定性的影响 .............................................................. 53 4.4.3 锚固方式对巷道围岩稳定性的影响 .............................................................. 54 4.4.4 锚杆间排距对巷道围岩稳定性的影响 .......................................................... 55 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 56 VII 第 5 章 轨道下山巷道支护工程实践研究 ............................................................................ 57 5.1 轨道下山巷道支护设计与施工 ................................................................................ 57 5.1.1 巷道开挖 ........................................................................................................... 57 5.1.2 支护方式的确定 .............................................................................................. 58 5.1.3 支护参数设计 .................................................................................................. 58 5.1.4 支护材料选择 .................................................................................................. 60 5.1.5 支护施工工艺 .................................................................................................. 61 5.1.6 锚杆锚固力测试安全技术措施 ...................................................................... 64 5.2 矿压监测设计及结果分析 ........................................................................................ 65 5.2.1 监测原理及目的 .............................................................................................. 65 5.2.2 监测仪器 .......................................................................................................... 65 5.2.3 监测点布置 ...................................................................................................... 66 5.2.4 监测结果分析 .................................................................................................. 68 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 71 第 6 章 全文结论与展望 ........................................................................................................ 72 6.1 结论 ............................................................................................................................. 72 6.2 展 望 ........................................................................................................................ 73 参考文献 .................................................................................................................................. 74 附 表 ...................................................................................................................................... 78 致 谢 ...................................................................................................................................... 85 读学位期间发表论文情况 ...................................................................................................... 86 广西大学硕士学位论文广西大学硕士学位论文 深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 煤是我国国民经济得以生存和持续发展的“三大能源”[1]之一，是不可再生能源， 是化学工业、冶金等工业的重要原料。我国是最早利用煤的国家，长久以来，煤在我国 经济发展的能源需求中一直占据主角位置。我国煤的露天开采储量仅占资源总量的 7.5，超过半数的煤深埋于地表 800m 以下，随着经济的持续增长，促使对煤矿的开采 以约 10m.a-1的速率向深部推进[1,2]。但是，煤通常和沉积岩共同出现，火成岩、变质岩 和沉积岩 3 种岩石中属沉积岩强度最低，变形最大，尤其是泥岩、泥质砂岩和其他岩石 通常与煤系地层的相关性更为突出， 因此， 软岩问题在煤巷中显得尤为突出。 近些年来， 在矿井开采深度不断增加的同时， 高应力软岩巷道带来的问题越来越多， 越来越严重[ 3 ]， 开发矿产的不利条件也越来越多，巷道上覆围岩压力的增加和构造应力的增强，主要表 现为“三高一扰动”的特性，直接导致地质灾害如岩爆、矿压显现加剧、巷道围岩大变 形等发生几率大大增加，严重威胁着开采的正常进行和人员、设备的安全，同时给巷道 的支护和顶板的安全管理带来了诸多困难[48]。可见，对于高应力软岩巷道，如何根据 巷道围岩的应力状态和现场条件，选择合理经济的支护方案，仍是煤矿开采领域里长期 面临的重大难题。 依据国内相关重点煤矿的调查， 我国软岩巷道支护成本明显增加了， 在刚过去的 10 年里比在此之前的 10 年用于支护的费用竟增加达 1.4 倍，有矿井的返修率高达 40乃 至更高，巷道支护存在的问题已经成为影响深部能源开采利用的一个重要因素，因此， 保证软岩巷道在采掘煤层时的稳定性和支护安全，对各矿井下资源的安全高效开采具有 十分重大的意义[914]。 1.2 研究课题的背景及意义 下金煤矿地处广西河池市环江县洛阳镇，是由国企改制而成的私营企业。下金煤业 公司所辖的红山矿区长期生产含硫很低的优质无烟煤，矿井瓦斯含量低，已核定的年生 产能力为 60000t，当前该公司正积极向煤矿深部勘探开发，预计有超过 1000 万 t 的储 备，截至目前已投入 8000 多万元进行 21 万 t.a-1的技术扩产改造。 广西大学硕士学位论文广西大学硕士学位论文 深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究深部高应力软岩巷道变形破坏特征及复合支护技术研究 2 软岩巷道是煤矿生产中常见的问题，根据相关研究调查，中国有 30 座以上的煤矿 软岩对巷道支护造成重大影响， 特别是 “九五” 期间有 8 个能源基地出现软岩问题 [1517]。 下金煤矿也不例外，矿区复杂的地层地质概况、地下水文条件和软弱破碎岩层一直以来 对巷道的安全造成非常大的影响并对正常生产秩序有一定干扰。截至 2011 年，该矿矿 井支护大部分仍沿用传统的老方法如梯形巷道常用的木支护、适合在浅埋巷道的砌碹及 刚性被动支护如 U29 型钢支护。随着浅层煤层的开采殆尽，巷道不断地向深部掘进，随 之而来的是地应力增大，含酸性物质的涌水增加，地质构造复杂、节理面发育、岩层破 碎，岩体流变性强，巷道更易受到采动的影响[18]等特点。导致矿井围岩压力增加，巷道 变形严重，涌水封堵困难，酸性涌水严重腐蚀金属支护材料，巷道支护越来越困难，同 一巷道层出现多次返修现象，支护费用随之增加，矿井生产受到较大影响，生产成本随 高昂支护费用的增加而增加，开采状况显得被动，煤矿发展受到制约。高应力软岩巷道 的大面积片帮、拱顶冒落和围岩的失稳时时威胁到井下工作人员的人身安全和正常生产 秩序，因此，如何实现巷道的安全、经济支护越来越