交错巷道围岩稳定性控制支护技术研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 I 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 我国煤矿多以井工开采为主，且巷道处于交错的空间结构比较常见，如石门 与回采巷道，集中巷与采区上山，甩车场与采区上山等都不可避免地交错布置。 但对于巷道交错空间结构所对应的稳定性研究尚且较少， 并且多巷道的围岩控制 问题随之井工开采规模的不断扩大而日益严峻，这些巷道表现出大变形、底鼓严 重、变形难以控制等的特点，特别是交错巷道围岩破坏裂隙发生相互贯通。研究 交错巷道巷间围岩稳定性及其控制技术研究对矿井安全生产具有重要意义。 本文以林南仓矿的 2294 运输顺槽和下方回风巷道的交错点的巷间围岩体为 研究对象，采用现场调研、数值模拟分析、力学理论分析、工程实践分析等方法 来对交错巷道围岩稳定控制技术进行研究。本文的主要研究结论如下 （1）2294 运输顺槽和回风巷道的巷道工程地质特征研究。现场调研分析认 为上巷道围岩条件简单，但下部存在专用回风上山，开掘巷道的应力重分布作 用使巷道之间的围岩体整体受力状态存在不稳定隐患， 容易诱发交错巷道巷间围 岩破坏裂隙发生相互贯通。 （2）借助数值模拟分析了林南仓矿交错巷间围岩体变形失稳原因。分析认 为 开掘上巷道所引起水平应力集中与下巷道断面侧向水平应力叠加，加剧巷道 矿压显现，导致两巷道围岩塑性破坏向深部扩展，在交错位置上下之间的围岩内 （即巷间围岩体）发生破坏裂隙相互贯通，该诱发贯通与巷间距离、水平方位角 度、地应力环境均有关系。 （3）进行了交错巷道巷间围岩体稳定性力学机理分析。运用岩石力学相关 知识建立巷道在交错条件下的围岩稳定性模型， 推导出交错巷道的巷间围岩体稳 定性力学方程，用以指导支护载荷计算及其支护设计与参数优化，并求得巷间围 岩破坏深度，计算得知围岩破坏深度小于巷间距离，符合稳定支护条件。 （4）开展了交错巷道围岩变形破坏的工程实践研究。针对交错巷道围岩稳 定性控制提出 U 型钢锚杆锚索的支护设计方案， 工程实例反馈围岩变形情况。 通过监测得顶板及其帮部围岩变形随时间增加变形速率逐渐减缓达到基本稳定， 变形量得到控制，巷道能够安全使用。 关键词交错巷道；巷道破坏贯通；围岩稳定性控制；联合支护 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Chinas coal mine in underground mining, and the roadway in the space staggered structure are relatively common, such as contact tunnel and roadway, centralized roadway and mining area mountains, the mountains of mining area and swing yard are inevitably staggered. But for the space structure corresponding to the roadway stability study is less, and rock roadway control problems of underground mining scale continues to expand and become more and more serious, the roadway showed large deation, serious floor heave and deation characteristics are difficult to control, especially with each other through cross tunnel. It is of great significance to study the stability of surrounding rock and its control technology in cross roadway. In this paper, The position of rock mass based on staggered Linnancang mine 2294 transport along cross point and below the tank ventilation roadway surrounding rock tunnel as the research object,, using the field investigation, numerical simulation, theoretical analysis, mechanical engineering practice analysis on staggered stability of roadway control technology research. The main conclusions of this paper are as follows. 1 Study on the engineering geological characteristics of the roadway in the 2294 side of the transportation trough and return air tunnel. The general situation of engineering geology is investigated, and the rock mechanics parameters are obtained, which provides the relevant data and research basis for the study of the stability of the two roadways. The analysis shows that the surrounding rock condition of the roadway is simple. But the lower part has the special return air up the mountain, the stress redistribution of the excavation roadway makes the whole stress state of the surrounding rock mass between the roadway unstable. 2 Through numerical simulation, the stress redistribution characteristics of surrounding rock mass and the deation and failure rules of surrounding rock mass are analyzed, and the key parts and influencing factors of the instability of surrounding rock carrying structure are revealed. The analysis thinks digging tunnel 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III caused by the level of stress concentration and the lower section of the roadway lateral stress superposition, intensified roadways, resulting in two surrounding rock plastic damage extended to deep in the rock between the staggered position laneway surrounding rock failure crack coalescence, the induced through the distance, azimuth angle, and Lane between the level of environmental stress are related. 3 The mechanical analysis of stability of roadway surrounding rock mass in staggered roadways. Using elastic plastic model of stability of surrounding rock mechanics and rock mechanics theory and control theory to establish the tunnel in the staggered condition, staggered derived Lane between the roadway surrounding rock stability mechanics calculation to guide supporting load and supporting design and parameter optimization, and obtained the laneway surrounding rock damage depth. Calculation shows that the failure depth of surrounding rock is less than the distance between roadways, and cons to the condition of stable support. 4 Engineering practice. The staggered roadway stability control proposed U type steel bolt anchor supporting design, engineering department and feedback of roof surrounding rock deation by feedback to help verify the analysis design support control effect.I hope this article can make a difference. KeyKey wordswords Staggeredroadway;Surroundingrockcontrol;Roadwaysupport;Support- technologyoptimization 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目录录 摘摘要要...................................................................................................................I Abstract................................................................................................................ II 1 绪论..............................................................................................................1 1.1 论文研究的背景及意义..........................................................................1 1.1.1 论文研究的背景...........................................................................1 1.1.2 论文研究的目的与意义...............................................................1 1.2 国内外巷道围岩控制技术发展现状......................................................2 1.2.1 国内外巷道支护理论与技术发展...............................................2 1.2.2 复杂巷道支护技术发展...............................................................3 1.2.3 研究存在的问题...........................................................................4 1.3 本文研究方案..........................................................................................5 1.3.1 课题研究主要内容和方法...........................................................5 1.3.2 本文研究的关键问题...................................................................6 1.3.3 本文研究技术路线.......................................................................7 2 林南仓煤矿交错巷道围岩破坏特征分析........................................................8 2.1 矿区概况.................................................................................................8 2.2 林南仓矿交错巷道工程概况.................................................................9 2.2.1 工作面概况...........................................................................................9 2.2.2 2294 工作面运输顺槽岩层概况........................................................10 2.2.3 主采煤层及其顶底板岩层赋存特征.................................................12 2.3 林南仓矿巷道稳定性影响因素判断...................................................13 2.4 交错巷道的数值模拟分析...................................................................13 2.4.1 数值模拟的目的.........................................................................13 2.4.2 数值模拟的基本假设.................................................................13 2.4.3 FLAC3D模型建立.......................................................................14 2.4.4 模拟过程.....................................................................................16 2.4.5 巷道交错条件下的 2294 运输顺槽围岩稳定性分析..............16 2.5 本章小结................................................................................................28 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3 巷道交错条件下围岩稳定特征数值模拟研究..............................................29 3.1 数值模拟的目的....................................................................................29 3.2 模拟方案、力学参数、模型建立、边界条件....................................29 3.3 巷道交错条件下围岩稳定特征分析....................................................30 3.3.1 交错巷道巷间距的影响规律分析............................................30 3.3.2 交错巷道布置方位角的影响规律分析....................................36 3.3.3 围岩应力环境对交错巷道的影响规律分析............................41 3.4 交错巷道影响因素分析总结...............................................................46 3.5 本章小结................................................................................................47 4 交错巷道巷间围岩稳定性控制机理研究......................................................48 4.1 交错巷道巷间围岩体力学模型建立...................................................48 4.2 交错巷道巷间围岩体稳定性力学解析...............................................49 4.3 算例分析...............................................................................................54 4.4 交错巷道围岩稳定性控制思路...........................................................57 4.5 交错巷道围岩稳定性控制方案设计....................................................58 4.5.1 下巷道采取锚杆锚索U 型钢的支护设计.............................58 4.5.2 上巷道采取锚杆锚索钢筋梯子梁的支护设计.................... 59 4.6 交错巷道支护方案稳定性计算分析....................................................61 4.7 本章小结...............................................................................................71 5 交错巷道支护效果反馈分析 ........................................................................72 5.1 岩层移动变形监测...............................................................................72 5.1.1 专用回风上山监测方法与测点布置........................................72 5.1.2 专用回风上山顶板围岩变形监测结果分析............................72 5.1.3 2294 运输巷道监测方法与测点布置........................................74 5.1.4 2294 运输顺槽顶板围岩变形监测结果分析............................74 5.2 本章小结...............................................................................................76 6 结论............................................................................................................77 参考文献..............................................................................................................78 在学研究成果......................................................................................................83 致谢..............................................................................................................84 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪绪论论 1.1 论文研究的背景及意义论文研究的背景及意义 1.1.1 论文研究的背景论文研究的背景 2014 年，中国的原煤总量达到了 38.7 亿吨[1]。十多年来，我国煤炭经济进入了高速 发展时期，而今后，新的时期亚高速发展时期[2, 3]将要到来。随着一带一路政策推动， 我国的经济增长也将迎来新的挑战和机遇。目前看来，煤炭在能源领域中，需求量仍会 有一定的增加。随着生产规模扩大，巷道断面大、围岩强度低等支护问题逐渐出现在人 们的视野， 威胁着巷道稳定性和矿井的安全投产[4-6]。 巷道围岩控制技术也需要不断更新 发展，更好地为矿井服务。 巷道支护保证矿井安全稳定和安全投产， 而围岩控制技术是实现安全开采的重要保 障。依据巷道所处位置的地质条件进行支护决策设计，但是，受自然因素和工程条件限 制， 巷道多埋藏于复杂结构的岩层条件下， 控制围岩相对困难， 尤其错综复杂的巷道群、 多巷道间围岩控制较为复杂， 单纯依靠平时的工程类比已经不能够控制巷道围岩保持稳 定，致使巷道需要翻修频繁，影响生产。多巷道围岩控制问题已经阻碍了新一轮的煤矿 巷道的安全生产和高效使用。 1.1.2 论文研究的目的与意义论文研究的目的与意义 国内外对单一巷道围岩控制研究较多，但对多巷道的围岩控制研究尚且较少，本课 题以交错巷道巷间围岩体承载结构为研究对象，对其相互之间的围岩应力集中特征、巷 间围岩变形破坏规律、失稳防治展开研究，并揭示交错巷道的围岩结构失稳的关键部位 与影响因素；建立交错巷道的巷间围岩稳定性分析的力学模型，对巷道间围岩稳定性控 制机理及其支护对策展开研究。课题结合林南仓矿东二小采区上部 2294 运输顺槽以及 下部回风巷道之间的围岩体条件，对煤岩巷道的稳定性进行研究，从而针对交错巷道围 岩稳定性问题的提出支护设计，确定支护参数。这对于林南仓矿东二小采区 2294 运输 顺槽、回风巷道的巷道安全问题以及类似围岩体的支护设计具有重要意义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 1.2 国内外巷道围岩控制技术发展现状国内外巷道围岩控制技术发展现状 1.2.1 国内外巷道支护理论与技术发展国内外巷道支护理论与技术发展 随着现代科技迅猛发展，采矿、岩土工程等相关专业领域的专家们的不断专研，逐 步完善了巷道围岩支护理论，对矿井开采和巷道支护工程有重大意义。 1）国外巷道支护理论的研究发展 地压理论 A.Haim 等相关人员提出地压理论[7-8]，认为巷道的支护结构承担着巷道顶板和底板 及其两个帮部的原岩应力作用。K.Terzaghi 等人提出了坍落拱理论，认为巷道顶板围岩 在应力作用条件下冒落形成拱状断面，上覆岩石重量近似等于支护体所承受载荷。之后 的俄国学者年在盛满干沙子的容器底部通过开孔实验有效地说明拱效应， 并建立了巷道 顶板压力的力学模型。 弹塑性变形压力理论 上世纪中叶，H.Kastner 等人将力学领域理论如弹塑性力学、结构力学等研究方 法引入岩体分析中，以期解决了圆形巷道的塑性区分布问题[9-10]。认为巷道开挖围岩应 力释放，造成围岩自承能力降低导致破坏，应力向深部转移且重分布后在近处形成破碎 带，在远处形成塑性区和应力承载区。 新奥法理论 20 世纪 60 年代，新奥法理论[11, 12]应运而生。它的观点巷道支护的是为了维持安 全稳定，控制围岩变形，要确保支护构件和围岩体共同组成一个承载结构体。 围岩应力应变控制理论 国外学者认为通过改变岩性来达到释放应力集中能量[13, 14]， 这样能够加强支护结构 承载能力，使围岩应力集中转移至深部未破坏具有承载能力的岩体中去，从而实现围岩 控制的目的。 最大水平应力理论 20 世纪末， 澳洲学者提出。 该理论认为使得巷道围岩发生破坏因素是侧向应力[15, 16]， 当巷道轴向垂直于侧向应力，则顶底板受侧向载荷作用产生变形；当巷道轴向平行侧向 应力，则顶底板受到较小的载荷作用，这样更有利于巷道的支护。 2）国内巷道支护理论的研究发展 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 我国巷道支护技术的研究工作不断向精细化发展，也有许多代表性成果。 岩性转化理论 上世纪中叶，陈宗基院士提出岩石具有流变性[17]。由于岩石具有蠕变特征，所以 巷道支护考虑围岩的岩性特征很重要，这样才能达到巷道稳定和安全使用。 联合支护理论 冯豫、郑雨天等人提出支护准则，即“先柔后刚、先抗后让、柔让适度、稳定支 护”[18-21]，先给顶板施加支护阻力来控制围岩，这样释放围岩浅部的应力，之后加入刚 性支护。 围岩松动圈理论 董方庭教授等人提出围岩松动圈理论[22]，该理论认为围岩应力重分布造成了巷道 表面围岩的应力集中，导致围岩破坏失去了自承能力，应力向围岩深部转移并在围岩浅 部形成围岩松动圈，它能够反映巷道围岩的稳定性。 关键部位耦合组合支护理论 何满潮教授提出，要对支护方案有所侧重，减少影响因素，达到对关键部位的重点 支护[23]，使得“支护围岩”曲线相适应，这样巷道才会保持稳定。 数学模拟方法 随科技发展以及计算机应用类软件的普及，数值模拟技术日趋成熟[24]，如 FLAC3D 软件能够方便的模拟出复杂地质条件下的应力分布、围岩受力与变形情况等。 1.2.2 复杂巷道复杂巷道支护技术支护技术发展发展 锚喷支护技术 锚杆支护与巷道表面喷射混凝土，能够及时地封闭巷道周边[25]，减少水、风对巷道 围岩强度的影响。自 60 年代以来我国煤矿巷道应用广泛，累计了比较丰富的锚喷支护 技术经验，与此同时围岩喷浆与锚杆支护配合使用成为维护巷道稳定性的主要手段。这 种支护方式使得围岩承载能力得到显著改善，如今随着围岩破坏形式的多样化和复杂 化，支护方案也不断发展，如锚喷锚索梁等技术的应用。 可缩性金属支架 可缩性金属支架如 U 型钢，在我国矿山中得到广泛运用[26,27]。因为良好的断面形状 及其几何参数，使它具有可缩性能够适应围岩变形且能够为围岩提供较高的恒定阻力。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 注浆加固 侯朝炯等，将注浆技术与支护理论相结合（用注浆锚杆利用浆液通过压力[28]将其压 入岩体裂隙中，充填裂隙）来控制巷道围岩的稳定，然后将破碎的岩体固结起来形成锚 固注浆围岩体，增加了围岩自承能力，提高稳定性，实现了人为修复破碎围岩使得承载 体达到围岩控制的目的。 复合支护 复合支护指的是采用多种支护技术[29-32]。这种支护方式能充分发挥各个构件的支护 性能，从而做到优势互补。因此也在矿井中得到广泛运用。多年来对巷道支护研究中， 发现支护特性曲线和岩石变形曲线相适应的时候能够取得好的支护效果；当曲线没有 达到变形控制要求，此时可以采取复合支护。复合支护已有多种类型锚喷支护、锚杆 支护U 型钢等。选择该种支护时，要考虑巷道所处地质条件，确立合理的支护参数， 充分发挥各类支护自身优势从而实现巷道的安全及其稳定。 1.2.3 研究存在的问题研究存在的问题 我国煤矿多以井工开采为主，且巷道交错的空间结构比较常见，但对于巷道交错空 间结构所对应的围岩控制理论尚且较少， 并且多巷道的围岩控制问题随之井工开采规模 的不断扩大而日益严峻。 研究交错巷道巷间围岩稳定性及其控制技术对矿井安全投产具 有重要的意义。 随着当前工程对关于复杂围岩、围岩变形的预测正不断加深、提高，但是对交错巷 道而言，尚存在以下问题 1）缺乏对交错巷道巷间围岩体的变形破坏规律的深入研究。 2）缺乏交错巷道巷间围岩体变形破坏的支护参数。 3）缺乏交错巷道围岩体破坏变形的现场实测研究。 人们对巷道在交错条件下的认识尚处于新的探索阶段， 对此类巷道的施工方案的和 参数选取停留在工程类比法决策上或者以施工人员的经验确定，从而带有一定的盲目 性，使得交错巷道围岩的支护效果并不是很理想。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 1.3 本文研究方案本文研究方案 1.3.1 课题研究主要内容和方法课题研究主要内容和方法 本课题结合煤矿交错巷道围岩稳定性问题提出，针对目前复杂巷道围岩空间结构、 巷间围岩稳定性影响以及服务年限内的巷道围岩稳定控制等问题日益突出， 提出近距离 交错巷道巷间围岩稳定性控制技术研究。 本文结合林南仓矿东二小采区上部2294运输顺 槽以及下部回风巷道的围岩条件，对巷道在交错条件下的巷间围岩体的失稳破坏特征， 煤岩巷道稳定性进行研究。本文以林南仓矿东二采区的两条巷道为研究对象，结合巷道 的围岩条件进行现场调研、岩石力学分析、FLAC 3D虚拟仿真等分析方法展开研究，论文 研究内容表述如下 1）2294 运输顺槽和回风巷道的巷道工程地质特征研究。调研该顺槽及其回风巷道 所处的工程地质概况，获取岩石力学参数，掌握两条巷道的围岩破碎情况和围岩变形破 坏特征，为进行两巷道稳定性研究提供相关资料和研究依据。 2） 分析巷道在交错位置围岩体的稳定性。 结合岩石力学试验所得参数， 利用 FLAC3D 数值模拟软件，模拟出多巷道之间的相互关联的围岩应力重分布特征、巷间围岩变形破 坏规律及其稳定性影响范围等围岩稳定性问题， 揭示交错巷道的围岩结构失稳的关键部 位与影响因素；同时揭示巷间围岩体在不同巷间距、不同侧压系数赋存条件下的围岩体 应力分布、位移变化、以及巷道塑性区分布等复杂力学特征。 3）交错巷道的围岩体稳定性力学分析。运用岩石力学理论建立巷道在交错条件下 的围岩稳定性力学分析模型，研究得出巷道间的围岩稳定性控制机理，计算围岩-支护 载荷，确定支护参数，从而针对交错巷道围岩稳定性控制的提出支护设计。 4）工程实践。以林南仓矿东二小采区专用回风上山和 2294 运输顺槽交错位置为工 程试验段，对该试验段进行巷道围岩变形量的监测，从现场工程实例的反馈来分析验证 该设计的支护控制效果。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 1.3.2 本文研究的关键问题本文研究的关键问题 1）从交错巷道的围岩空间结构特征角度出发，建立围岩稳定性分析的力学模型， 判断交错巷道围岩结构失稳的关键部位及围岩控制所对应的支护载荷； 2）研究多巷道相互之间的围岩应力集中特征、巷间围岩变形破坏规律，为类似巷 道结构的支护工程提供理论参考依据。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 1.3.3 本文研究技术路线本文研究技术路线 图 1 研究方案路线图 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -8- 2 林南仓煤矿交错巷道围岩破坏特征分析林南仓煤矿交错巷道围岩破坏特征分析 2.1 矿区概况矿区概况 林南仓煤矿年设计的生产能力 1.8 Mt/a，矿井采用立井双水平上下山的开采方式。 其中，第一水平设立在-450 m，第二水平设立在-750 m。主井净径φ6.5 m，配设有一对 16t 的箕斗提升；副井净径φ8.0 m，兼作为提升井和进风井。矿区概况如表 2.1 所示。 表表 2.1 林南仓矿区概况林南仓矿区概况 矿井名称林南仓煤矿 林南仓矿井概况 行政归属隶属河北省唐山市管辖 地理位置位于蓟玉煤田林南仓井田范围内， 地理位置 117.37E， 39.50N。 地面标高 标高介于1.00 m～6.00 m，区内地形平坦，无河流，仅井田北 部有一较大积水洼地，称后湖。滩地盛产芦苇，呈沼泽状态。 采区面积 东二小采区 9煤北至-500 等高线， 南至-650 等高线， 西至-650 皮带斜井和工业广场煤柱线，东至东二大上山。走向 905.4 m，倾 向 475.4 m，面积 4300 2 km。 井田地质概况 井田位于京津唐秦中心地带，处于河北玉田县林南仓镇。林 南仓煤田地处于开平煤田，煤系地层确定为石炭二迭系。煤层露 头与第四系冲积层接触。边缘产状略陡,一般在 30以上。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -9- 林南仓矿区地理交通位置如图 2.1 所示。 图 2.1 地理交通位置图 2.2 林南仓矿交错巷道工程概况林南仓矿交错巷道工程概况 2.2.1 工作面概况工作面概况 2294 工作面主采 9煤层，其厚度约 2.67 m，煤层平均倾角为 16，属于缓斜煤层。 在其下部存在有一个专用回风上山通路。 上部工作面运输顺槽开掘后产生的围岩应力重 分布作用将两个巷道围岩的稳定， 2294 运输顺槽与回风上山的空间位置关系示意图如图 2.2 所示，两巷道之间的岩柱最薄弱处约为 3 m，且在水平方向上的投影交角为 57。 表表 2.2 工作面概况工作面概况 采区名称东二小采区 工作面概况 地面标高/m4.83 工作面标高/m-540-500 地面相对位置 地表有双龙煤矸厂、 玉田县燃料公司林南仓分公司、 五村、东六村等建筑物，其余均为农田。 工作面名称2294 工作面 走向长度/m445 面长（采宽）/m120 开掘巷道存在的特殊 空间位置情况 要在专用回风巷道上开掘一条 2294 工作面运输