深层软岩巷道嵌合互补支护与数值模拟.pdf

中图分类号 Q 2 竺 学科分类号 ． Q 墨Z 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 深层软岩巷道嵌合互补支护与数值模拟 作者姓名王廑 专业名称廛旦数堂 ． 研究方向麴握盆堑生动查笾真 导师姓名经塞匪数援 一． 导师单位．．塞筮理王太堂 答辩委员会主席堇蕉亟塾攫 论文答辩日期2 0 1 6 年6 月2 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 6 年6 月7 日 万方数据 S u p p o r t i n ga n d N u m e r i c a lS i m u l a t i o no f D e e pS o f t R o c kR o a d w a y f i t t i n gM u t u a lS u p p o r t C a n d i d a t e W a n g L u S u p e r v i s o r J i n gL a i w a n g C o l l e g eS c h o o l A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ， H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徽理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 量巍 签字日期盔堑年』月Z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽堡王太堂可 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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论 文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名至盘签字日期么址年五月1 日 日 万方数据 摘要 摘要 在煤炭开采过程中，诸多煤矿巷道位于深层软弱围岩之中，深层软弱围岩具 有高地压、强度偏低、流变性强等特点。深层软岩巷道支护中，复杂的工程地质 条件和严峻的支护技术问题不仅威胁着生产安全，也在很大程度上阻碍着煤炭行 业的发展。当前浅部软岩巷道的支护方式，在不断实践过程中产生了一些棚式支 护、锚喷支护、砌碹支护、联合支护等花样繁多的支护形式，但针对深层软岩巷 道支护方式的研究仍在摸索阶段。 本文以“邹庄煤矿东翼轨道大巷修护技术”课题为背景，在锚索网支护的基 础上，提出一种新型的支护模式，即“嵌合互补支护模式”。损坏巷道存在着原始 应力高、应力状态改变较大、原支护形式单一、施工不严谨等问题。为了解决深 层软岩巷道易出现变形的问题，验证嵌合互补支护结构中锚带网、索与注浆的合 理性和效果性。论文以实验室试验、A B A Q U S 数值模拟等研究手段，对巷道破坏 因素、围岩变形机理等进行了较深入的分析，提出了固圈强壳支护理论，给出了 试验巷道的支护方案，研究成果对深部水平软岩巷道的稳定性研究具有一定的参 考价值。 图[ 4 7 】表[ 1 9 ] 参【7 5 】 关键词深层软岩；嵌合互补；数值模拟；U 型钢支架 分类号1 1 0 ．8 7 万方数据 A b s t r a c t I nt h ec o a lm i n i n gp r o c e s s ，m a n yc o a lm i n et u n n e ll o c a t e d d e e pa m o n gw e a kr o c k ． D e e pw e a kr o c kh a sh i 曲p r e s s u r e , l o ws t r e n g t h , r h e o l o g i c a la n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ． D e e ps o f tr o c kr o a d w a y ．N o to n l yc o m p l i c a t e de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d s e v e r et e c h n i c a ls u p p o r ti s s u e st h r e a t e np r o d u c t i o ns a f e t y , b u ta l s ot oal a r g ee x t e n t h i n d e r e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o a li n d u s t r y ．I tp r o d u c e ds o m eg r e a tv a r i e t yo ff o r m s o fs u p p o r ti n t h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sp r a c t i c e ．F o re x a m p l es h e d - t y p es u p p o r t ， b o l t i n ga n ds h o t c r e t el i n i n g ，A r c h i n gs u p p o r t , c o m b i n e ds u p p o r t ．B u tf o rd e e ps o f tr o c k r o a d w a ys u p p o r ti ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g em a n n e r ． B a s e do n t h e ”r e p a i rt e c h n o l o g yo f Z o uZ h u a n g c o a ll e v e lt r a c ka l l e y si nt h ee a s t ” p r o j e c ta L st h eb a c k g r o u n d ．O nt h eb a s i so fm e s hs u p p o r t , w ep r o p o s e dan e ws u p p o r t m o d e l ．I ti st h e ”c h i m e r i cc o m p l e m e n t a r ys u p p o r tm o d e ．”T h e r ei sd a m a g et 0t h e r o a d w a yo r i g i n a lh i g hs t r e s s ，s t r e s ss t a t ec h a n g ei sl a r g e ，t h eo r i g i n a lf o r mo fas i n g l e s u p p o r t , n o ts t r i c tc o n s t r u c t i o na n do t h e ri s s u e s ．I no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo fd e e p s o f tr o c kr o a d w a yd e f o r m a t i o np r o n e ．V e r i f yt h a tt h ec o m p l e m e n t a r yr e t a i n i n g s t r u c t u r ef i t t e dw i t han e t w o r ka n c h o r , c a b l ea n dg r o u t i n g o fr a t i o n a l i t ya n d e f f e c t i v e n e s s ．T h e s i sl a b o r a t o r yt e s t s ，A B A Q U Ss i m u l a t i o na n do t h e rr e s e a r c ht o o l s ． F a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed e s t r u c t i o no fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dS Oo nf o ram o r ei n - d e p t ha n a l y s i s ．M a d es o l i dc i r c l es 仃o n gs u p p o r t t h e o r y , t h et e s tr o a d w a ys u p p o r tp r o g r a m s ．R e s e a r c hr e s u l t sh a v ec e r t a i nr e f e r e n c e v a l u ef o rt h es t u d yo ft h es t a b i l i t yo ft h ed e e pl e v e lo fs o f tr o c kr o a d w a y ． F i g u r e 【4 7 ] t a b l e [ 19 】r e f e r e n c e [ 7 5 】 K e y W o r d s d e e ps o f tr o c k ，c h i e r i cc o m p l e m e n t a r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，U s h a p e ds t e e lb r a c k e t C h i n e s eb o o k sc a t a l o g 11 0 ．8 7 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 国外支护研究发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内支护研究发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 本文研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．2 技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．3 技术关键⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 ．3 ．4 论文工作量及进展计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 文章主要研究内容、创新点及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 ．2 创新之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 ．3 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～7 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 巷道围岩地质特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 工程地质状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．1 ．2 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 围岩力学性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1O 2 ．2 ．1 岩体的采集与加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．2 ．2 测试系统及部分测试试件展示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．2 ．3 泥岩抗压强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．4 泥岩抗拉强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．5 砂岩抗压强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．2 ．6 砂岩抗拉强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 万方数据 目录 2 ．3 岩层主要成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．3 ．1 岩石浸水试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 岩石的矿物成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 巷道变形过程、原因及控制机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 巷道破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．2 东翼轨道大巷破坏变形呈现特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 6 3 ．3 东翼轨道大巷围岩变形因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 3 ．4 固圈强壳控制机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 3 ．4 ．1 巷道变形控制依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 - 2 固圈强壳控制变形机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 4 不同支护结构的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 数值模拟概述与软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．1 ．1 数值模拟概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．1 ．2 数值模拟与实验的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．3 模拟软件的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．23 6 U 型钢支架的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1 模拟分析的基本思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1 模型概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．2U 型钢支架的变形情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．3 双网结构的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3 。2 设计模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 4 ．3 ．3 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 ．4 材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．5 模拟准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 嵌合互补结构的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 万方数据 目录 5 ．1 嵌合互补支护结构现场应用参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．2 现场工业试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 5 - 2 - 1 巷道变形监测目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．2 巷道段变形观测断面布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 。2 ．3 断面内测点设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．4 断面测点的安装方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．5 巷道断面变形监测仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 观测结果数据与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．3 ．1 实施嵌合互补支护前观测数据整理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．2 实施嵌合互补支护后观测数据整理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 l 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 6 ．1 研究成果总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 一I V ． 万方数据 C o n t e n t s C o n t e n t s A b s t r a c t ．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．I 1O nt h r e a d ⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯。．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。。1 1 ．1 B a c k g r o u n d ⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．．1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u s ⋯．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1D e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no ff o r e i g ns u p p o r t ．⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2P r e s e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3R e s e a r c hi d e a s ．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．4 1 ．3 ．1R e s e a r c hm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 1 ．3 ．2T e c h n o l o g yr o a d m a p ．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯4 1 ．3 ．3K e yt e c h n o l o g y ．．．⋯⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．6 1 ．3 ．4W o r k l o a di s s u e sa n dp r o g r e s sp l a n ．．．⋯．．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯一6 1 ．4R e s e a r c h ，i n n o v a t i o na n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．1M a i nr e s e a r c hc o n t e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．2T h ei n n o v a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．3 S i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯- 7 2R o a d w a yg e o l o g i c a ls t u d y ⋯．．．．．⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 E n g i n e e r i n gg e o l o g y ．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯- “8 2 ．1 ．1G e n e r a lg e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2H y d r o g e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2R o c km e c h a n i c sp e r f o r m a n c et e s t ．⋯⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1C o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fr o c k ⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．⋯⋯1 0 2 ．2 ．2T e s t i n gs y s t e ma n dp a r to ft h et e s ts p e c i m e ni m p r e s s i o n s ⋯1 0 2 ．2 ．3M u d s t o n ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t ⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯- ．11 2 ．2 ．4M u d s t o n et e n s i l et e s tr e s u l t s ⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．⋯⋯．。11 2 ．2 ．5S a n d s t o n ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t ．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．6T e n s i l es t r e n g t hs a n d s t o n e s ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1 2 一V 一 万方数据 C o n t e n t s 2 ．3S t r a t ap r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．1 2 2 ．3 ．1R o c kw a t e ri m m e r s i o nt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．3 ．2R o c km i n e r a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s ⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．⋯．．．13 2 ．4C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．1 4 3R o a d w a yd e f o r m a t i o np r o c e s s ，c a u s e sa n dc o n t r o lm e c h a n i s m ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯16 ；．1 R o a d w a yd e s t r u c t i o np r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．2E a s tm a i nt r a c kr o a d w a yd e f o r m a t i o nd a m a g er e n d e r i n gf e a t u r e s ．．．1 6 3 ．3A n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nf a c t o r si nE a s tM a i nT m ．．c kL a n e ．⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．1 7 3 ．4S o l i da n ds t r o n gs h e l lr i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．4 ．1R o a d w a yr o o fd e f o r m a t i o nc o n t r o lu n i tb a s e dh e l p ⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．4 ．2T o ps e c t i o no fr o a d w a yt oh e l pc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s m a n a l y s i s ⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．2 2 3 ．5 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯．．．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯．⋯⋯2 5 4T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns u p p o r t i n gs t r u c t u r e ．，．．．⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯2 2 6 4 ．1O v e r v i e wa n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．1N u m e r i c a ls i m u l a t i o no v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．1 ．2C o m p a r i s o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．3D e s c r i b e ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ⋯．．．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯．2 6 4 ．2S i m u l a t i o n3 6 Us t e e lb r a c k e t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1S i m u l a t i o na n a l y s i so f t h eb a s i ci d e a s ⋯．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．2 ．1M o d e lo v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 ．2D e f o r m a t i o no f t h eU s h a p e ds t e e lb r a c k e t ⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．⋯．．．⋯⋯⋯3 0 4 ．3S i m u l a t i o na n a l y s i so f d u a l n e t w o r ks t r u c t u r e ⋯．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．．3 1 4 ．3 ．2D e s i g nm o d e l ⋯．．．．⋯．．⋯．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯．．．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯31 4 ．3 ．3B o u n d a r yc o n d i t i o n s ．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 ．4M a t e r i a lp a r a m e t e r s ．．．⋯．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．3 3 4 ．3 ．5A n a l o gr e a d y ．．⋯．．．．⋯．．⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．⋯．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．⋯．．．．3 3 4 ．4S i m u l a t i o na n a l y s i so f c h i m e r i cc o m p l e m e n t a r ys t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 一V I ． 万方数据 4 ．5 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5T e c h n o l o g yt e s ts i t e ．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．．4 1 5 ．1C o m p l e m e n t a r yf i t t i n gs u p p o r ts t r u c t u r es i t ea p p l i c a t i o np a r a m e t e r s ⋯⋯．4 1 5 ．2O v e r v i e wt e c h n o l o g yt e s ts i t e ⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯．⋯．．⋯．．⋯⋯4 4 5 ．2 ．1R o a d w a yd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gp u r p o s e s ．．．⋯⋯．⋯．。。。。．⋯⋯⋯．。4 4 5 ．2 ．2D e f o r m a t i o no b s e r v a t i o ns e c t i o no fr o a d w a ya r r a n g e m e n t ⋯．．4 4 5 ．2 ．3N i e c ep o i n ts e t t i n gs e c t i o n ⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．⋯．．4 5 5 ．2 ．4I n s t a l l a t i o ns e c t i o nm e a s u r i n gp o i n t ⋯．．⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．⋯．．4 5 5 ．2 ．5R o a d w a yd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ⋯⋯．．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．4 6 5 ．3O b s e r v a t i o n sa n da n a l y s i so fd a t a ．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．4 6 5 ．3 ．1 S u p p o r tt h ei m p l e m e n t a t i o no fm u t u a ls u p p o r tb e f o r et h e f i t t i n go b s e r v a t i o nd a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s ⋯．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．4 6 5 ．3 ．2O b s e r v a t i o nd a t ac o l l a t i o na n da n a l y s i so ft h ei m p l e m e n t a t i O l lo ft h ec h i m e r i cc o m p l e m e n t a r yp r o t e c t i o n ．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 5 ．4 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6I nc o n c l u s i o n ⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．⋯．．．．．．⋯．．5 2 6 ．1S u m m a r yo ff i n d i n g s ⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．2O u t l o o k ⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．5 2 R e f e r e n c e s ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯．．5 4 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．，．，⋯⋯．．5 8 A u t h o ra n dd u r i n gg r a d u a t es c h o o lm a j o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h ．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．5 9 一V 1 1 ． 万方数据 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 以安徽理工大学矿山工程力学与支护技术研究所承担的“邹庄东翼轨道大巷 修复技术研究”科研项目为背景，较为详细地分析了深层软岩巷道围岩的地质特 征与变形机理，提出了符合现场工程地质环境的新型复合支护技术，并通过现场 实测验证了该技术的合理性与有效性。 近年来，软岩巷道支护问题一直难以得到彻底解决，已经逐渐转变为一个涉 及全球范围的重要问题，此类巷道在我国亦分布广泛【J 】。软岩巷道周围岩体通常 易产生较严重的塑性流动变形，具有膨胀性、流变性、易扰动等特征1 2 ] ，有别于 其他稳定性较好的坚硬厚岩层中的巷道。由于浅层煤炭资源的逐渐枯竭，深部资 源的开采已形成迫不得己之势，国内很多矿区相继进入深层复杂环境作业状态【3 】。 然而，与煤炭开采紧密联系的是煤矿巷道支护技术的发展，优良的支护技术直接 决定着整个煤炭行业的发展。 随着煤层开采深度的不断增大，围岩的软化特性渐渐显现出来，相应的冲击 地压、流变等矿山灾害也在逐年增多【4 】。软岩岩体巷道支护过程中遇到的应力集 中、地温变大、渗透压变强、强开采颤动等复杂地质环境，严重影响支护方案的 设计，降低了煤矿资源开采的安全系数，在多方面阻碍矿山开采效率[ 5 - 6 1 。煤矿开 采环境的复杂多样化，以及煤矿储存总量和储存位置的限制，使得煤层出现较多 深层软岩巷道围岩工程问题，尤其在我国山西、陕西、安徽及内蒙古等西部和北 部地区，这样对于深层软岩巷道支护技术的开发研究就显得尤为重要【7 l 。 深层软岩巷道在工程地质、地压、岩石性质等方面存在的现实问题，并不是 独特的，具有典型性和普遍性【8 】。目前，此类巷道支护多数采用锚网喷、金属支 架或配合单一锚杆和锚索进行补强，这种支护方法在一定程度起到了积极作用1 9 J 。 由于深层软岩巷道开挖之初与后期持续变形都很大，并且存在高应力、软弱围岩、 动压等诸多错综复杂的因素，所以国内外很多学者认为“简单补强棚架支护方式” 对于深层软岩巷道不仅不能有效抑制开采初期围岩的强烈变形，而且也无法有效 控制巷道后期的持续变形问