深部复合型软岩巷道破坏机理及支护技术研究.pdf

分类号分类号 TD353 TD353 密密 级级公公 开开 U D C 单位代码单位代码1042410424 学学 位位 论论 文文 深部复合型软岩巷道破坏机理及支护深部复合型软岩巷道破坏机理及支护 技术研究技术研究 侯侯 明明 阳阳 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称建筑与土木工程建筑与土木工程 指导教师姓名指导教师姓名 代代 春春 泉泉 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名 孙孙 林林 涛涛 职职 称称 高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一八年六月二〇一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 深部复合型软岩巷道破坏机理及支护深部复合型软岩巷道破坏机理及支护 技术研究技术研究 作者姓名作者姓名 侯侯 明明 阳阳 入学时间入学时间 20152015 年年 9 9 月月 专业名称专业名称建筑与土木工程 建筑与土木工程 研究方向研究方向 岩土工程 岩土工程 指导教师指导教师 代代 春春 泉泉 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师副指导教师 孙孙 林林 涛涛 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期20201818 年年 5 5 月月 7 7 日日 论文答辩日期论文答辩日期20182018 年年 6 6 月月 6 6 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON FAILURE MECHANISM OF COMPOSITE SOFT ROCK ROADWAY AND BOLT GROUTING SUPPORT TECHNOLOGY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Hou Mingyang Supervisor Associate professor Dai Chunquan College of Civil and Architectural Engineering May 2018 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人承担。识到本声明的法律结果由本人承担。 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。 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、缩印或扫描等复制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 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（保密的学位论文在解密后适用本授权）在解密后适用本授权） 万方数据 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 本文针对阳城煤矿复合型软岩大巷严重底鼓问题和断面收缩等非线性流变大 变形问题，综合采用理论分析、物理力学试验、现场地应力测试和数值模拟等方 法，对南翼轨道大巷围岩的力学特性及围岩破坏机理进行了分析，并针对性地制 定了“锚网喷可缩性 U 型钢支架深、浅耦合注浆底板注浆”联合支护方案，有 效地控制了软岩大巷的大变形和严重底鼓。 阳城煤矿南翼轨道大巷位于-650m 水平，属于典型的地处“三高一扰动”复杂 环境的软岩巷道。地应力测试和围岩物理力学实验表明，南翼轨道大巷围岩属于 HJS 型（高应力、节理化、强膨胀）复合软岩，具有抗压强度低、高膨胀性、高应 力、极易破碎、长流变性等特点，原岩的最大主应力是水平应力，约为垂直应力 的 1.46～1.49 倍，方向为 101.6 ～112.3 ，因此，水平应力对巷道的开挖以及支护 影响较大。 利用 FLAC3D模拟了南翼轨道大巷在无支护和原支护方案下围岩变形的破坏 过程，分析巷道围岩的变形破坏机理，并结合围岩物理力学实验、地应力测试数 据以及实际地质情况，最终制定了“锚网喷可缩性 U 型钢支架深、浅耦合注浆 底板注浆”联合支护方案。数值模拟结果表明，“锚网喷可缩性 U 型钢支架深、 浅耦合注浆底板注浆”联合支护方案在稳定浅部承载圈的同时，对深部裂隙进行 封堵，减少围岩塑性区的发育，使高应力向围岩深部转移，从而对围岩变形进行 有效控制。 为了验证“锚网喷可缩性 U 型钢支架深、浅耦合注浆底板注浆‖联合支护 方案的应用效果，将其应用于现场实践。现场监测表明，采用锚网喷可缩性 U 型钢支架深、浅耦合注浆底板注浆‖的联合支护方案之后，巷道顶底板、两帮最 大移近量分别为 74mm、59mm，围岩的大变形和严重底鼓问题得到了有效控制， 避免了频繁“前掘后维”被动尴尬局面。 关关键词键词复合型软岩巷道，破坏机理，深、浅耦合注浆，数值模拟 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 abstract ABSTRACT In this paper,to solve the control problem in a series of nonlinear rheological large deation phenomena such as serious floor heaves and section shrinkage of the south limb soft rock roadway in Yangcheng coal mine, the surrounding-rock geomechanical properties and failure characteristics were analyzed with the s of mechanical testing, theoretical analysis and field test.In addition, the combined support scheme of anchor net spraying U steel support deep and shallow coupling grouting floor grouting is ulated.And the large deation and severe floor heave of soft rock roadway are effectively controlled. Yangcheng coal mine south wing track roadway at -650m level, is a typical soft rock roadway is located in a complex environment disturbance.Stress test and surrounding rock mechanics experiment show,the south wing track roadway surrounding rock belongs to the type HJS composite soft rock,with low compressive strength, high expansibility, high stress, easily broken, flow variability.The horizontal stress is the maximum principal stress of the protolith,about 1.46 to 1.49 times of vertical stress,the direction angle of 101.6 degrees to 112.3 degrees.Therefore, the horizontal stress has a great influence on roadway excavation and roadway support. The use of FLAC3D on the south wing track roadway surrounding rock support and the supporting scheme of deation and failure process was simulated,and the deation and failure mechanism of surrounding rock is analyzed, the physical and mechanical experiment, the test result of ground stress and the actual geological condition being taken into account.Finally, the combined support scheme of “anchor net spraying retractable U steel support deep and shallow coupling grouting floor grouting“ was put forward.Numerical simulation results show that,The combined support scheme of anchor net spraying retractable U steel support deep shallow coupling grouting bottom grouting is combined to stabilize shallow bearing ring while plugging deep fractures.It can reduce the development of plastic zone of surrounding rock and transfer the high stress to the deep part of surrounding rock. It can effectively control the deation of surrounding rock and is beneficial to long-term stability of roadway. In order to verify the application effect of “anchor mesh grouting retractable U steel support deep coupling grouting bottom grouting“ composite support scheme, it 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 abstract is applied to field practice.The monitoring results indicate that after using anchor net spray and compressible U section steel support depth coupling grouting grouting “distribution combined support plan, the roof and floor of the roadway near the maximum amount of 74mm, the two largest amount of 59mm close to help,and the maximum distance between two sides is 88mm.The large deation and severe floor heave of the surrounding rock are effectively controlled, and the passive and embarrassing situation of frequent “pre excavation and post dimension“ is avoided. Keywords Compound soft rock roadway;Failure mechanism;deep and shallow coupling grouting;numerical simulation. 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 目录目录 1 绪论绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 ..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 2 1.3 研究内容与技术路线 ......................................................................................... 6 2 深部复合型软岩巷道变形破坏机理深部复合型软岩巷道变形破坏机理与支护技术与支护技术 ................................... 9 2.1 软岩的定义及特性 ............................................................................................. 9 2.2 深部复合型软岩巷道围岩破坏特征分析 ....................................................... 11 2.3 深部复合型软岩巷道失稳机理分析 ............................................................... 13 2.4 深部复合型软岩巷道围岩支护技术 ............................................................... 16 2.5 本章小结 ........................................................................................................... 23 3 工程概况工程概况及围岩力学性能测试及围岩力学性能测试.............................................................. 24 3.1 阳城煤矿概况 ................................................................................................... 24 3.2 南翼轨道大巷概况 ........................................................................................... 27 3.3 南翼轨道大巷围岩物理力学性质分析 ........................................................... 28 3.4 南翼轨道大巷地应力测试分析 ...................................................................... 34 3.5 本章小结 .......................................................................................................... 38 4 深部复合型软岩大巷支护方案研究深部复合型软岩大巷支护方案研究 ..................................................... 39 4.1 复合型软岩巷道支护原则 ............................................................................... 40 4.2 巷道数值模型的建立 ....................................................................................... 41 4.3 原支护方案下围岩稳定性分析 ....................................................................... 42 4.4 深部注浆范围对复合型软岩巷道围岩稳定性的影响 ................................... 52 4.5 优化支护方案数值模拟 ................................................................................... 55 4.6 本章小节 ........................................................................................................... 57 5 巷道支护效果监测巷道支护效果监测 .................................................................................. 58 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 5.1 南翼轨道大巷围岩加固支护方案 ................................................................... 58 5.2 南翼轨道大巷支护效果监测 ........................................................................... 60 5.3 本章小结 ........................................................................................................... 67 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................. 69 6.1 主要结论 ........................................................................................................... 69 6.2 展望 ................................................................................................................... 70 参考文献参考文献 ..................................................................................................... 71 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................................. 77 致谢致谢 ............................................................................................................. 76 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 contents Contents 1 Introduction .............................................................................................. 1 1.1The proposition and significance of the research ................................................. 1 1.2Research status at home and abroad ..................................................................... 2 1.3Research contents and technical route .................................................................. 6 2 Deation failure mechanism and supporting technology of deep composite soft rock roadway ................................................................ 9 2.1 Definition and characteristics of soft rock ........................................................... 9 2.2 Failure analysis of surrounding rock in deep composite soft rock roadway ..... 11 2.3 Analysis of instability mechanism of deep composite soft rock roadway ......... 13 2.4 Supporting technology of deep composite soft rock roadway surrounding rock ................................................................................................................................. 16 2.5 Chapter Summary .............................................................................................. 23 3 Engineering survey and test of mechanical properties of surrounding rock ....................................................................................................... 24 3.1 General situation of Yangcheng coal mine ........................................................ 24 3.2 Overview of the south wing track roadway ....................................................... 27 3.3 Analysis of physical and mechanical properties of surrounding rock wing track roadway ............................................................................................................... 28 3.4 Analysis of wing track roadway stress test ........................................................ 34 3.5 Chapter Summary .............................................................................................. 38 4 Study on supporting scheme of deep composite soft rock roadway .. 39 4.1 Supporting principle of complex soft rock roadway ......................................... 40 4.2 The establishment of the numerical model of the roadway ............................... 41 4.3 Stability analysis of surrounding rock under the original support scheme ........ 42 4.4 Influence of Deep Grouting range on stability of surrounding rock of composite 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 contents soft rock roadway ................................................................................................ 52 4.5 Numerical simulation of optimal support scheme ............................................. 55 4.6 Chapter Summary .............................................................................................. 57 5 Monitoring of roadway support effect ................................................. 58 5.1 Reinforcement scheme wing track roadway surrounding rock ......................... 58 5.2 The monitoring of supporting effect of wing track roadway ............................. 60 5.3 Chapter Summary .............................................................................................. 67 6 Conclusion and Prospect ....................................................................... 69 6.1 Main conclusions ............................................................................................... 69 6.2 Expectation ........................................................................................................ 70 Reference .................................................................................................... 71 Major achievements during the study of masters degree ..................... 77 Thanks ........................................................................................................ 76 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 近年来，随着国民经济的迅速发展，我国对一次能源的需求量不断增大。据 统计，从我国的能源结构来看，煤炭资源的消费量，约占一次能源生产和消费量 的 70。以煤炭为主的资源利用格局在未来一段时间内不会改变。随着工作面生 产技术的不断进步以及机械化程度的不断提高，我国浅部煤炭资源已不能满足国 民生产的需要，开采工作不断向深部推进，至今我国半数以上的井田处于深部资 源开采阶段。这也意味着开采活动将要面临更大的地压和扰动，加之岩体力学性 质的变化，这些因素都在一定程度上威胁着深部巷道围岩结构稳定，对深部煤炭 资源的开采工作造成严重阻碍。 随着矿井开采深度的不断增加，普遍出现矿山压力及构造应力增大、巷道围 岩特性由脆性向延性转化等复杂地质环境，表现出可塑性、节理性、崩解性、膨 胀性、离子交换性以及长流变性等软岩特性，最突出的特点是塑性变形显著，岩 石持续变形而且长时间处于蠕变或流变状态，支护和后期维护难度加大，往往需 要多次对巷道进行翻修和扩帮，从而使巷道围岩的支护成本大大提高。目前，对 于深部软岩巷道围岩矿山压力控制理论以及支护理论体系仍不完善，仍处于实践 摸索之中，在软岩围岩支护过程中经常会出现“前掘后修，前修后坏”的恶性循 环。因此，迫切需要对深部软岩巷道支护的基础理论进行研究，争取在围岩支护 技术领域取得新的突破与发展，使煤炭开采在理论指导下，走上安全、高效、高 产的健康轨道。深入研究深部软岩巷道变形破坏规律及合理有效的支护技术是我 国煤矿矿井深部安全开釆的前提与保障，对煤炭开采可持续发展有重要的理论意 义和实用价值。 阳城煤矿南翼轨道大巷位于-650m 水平，属于典型的地处“三高一扰动”复杂 环境的软岩巷道。原支护方案采用锚网索喷联合支护的方式，在