松散砾岩井筒支护技术及模糊安全评价研究.pdf

硕士学位论文 松．散砾．卷麸简．裹．护技杰及模糊．寰全评偷研究 1n eS U p p O r t l n gt e c h n 0 1 0 9 ya n dI - i e l dm O n l t o r l n gr e s e a r c h l ⋯●』● 1 ■ 1 一’ ●』● 一 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■‘J ’_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■日⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0 n1 0 0 s ec o n g l o m e r a t e0 Ir o a d W a V ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯r ●●■● 作者姓名于昊荻 拯、导教摩、’骥向j 豢_ ．， ’r， 拳，科毒簿‘≥建- 簦囊蓬签委叠一⋯⋯⋯⋯一羔一。一，一一曲一，． 二。一七年六月 万方数据 关于论文使用授权的说明 ／掣燮憋燮孵垆 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室王程蘧苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王程捷丕太堂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，学校可以将学 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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名釜望羹一 伊’7 年厂月，多日 导师签名 少1 万方数据 分类号T D 3 5 3 U D C6 2 2 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 松散砾岩井筒支护技术及模糊安全评 价研究 T h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g ya n df i e l dm o n i t o r i n g r e s e a r c ho nl o o s ec o n g l o m e r a t eo fr o a d w a y 作者姓名于吴获 申请学位专业硕士 学科专业建筑与土木工程 研究方向环境岩土工程 辽宁工程技术大学 1 V 万方数据 致谢 时光荏苒，岁月如梭，弹指一挥间，我的读研生涯已接近尾声，而我亦到了而立之年。 回首自己的求学生活，感慨颇多，这其中即有遇到困难的彷徨，更有取得成果的喜悦。 读研的时光既漫长又短暂，多年的求学路上，父母亲朋的支持，良师益友的指引是我 不断前进的动力。在毕业论文即将完成之际，请允许我向你们表示崇高的敬意和感谢。 在我求学路上最应感谢的莫过于导师张老师。可以说，张老师是我走上科研道路的引 路者，多年来，张老师严谨的学术态度，审慎的治学精神，渊博的专业支持，对科研的孜 孜追求不断鼓励我在科研的道路上前行。本文从选题、试验再到论文的撰写无不凝聚着导 师的心血，在论文遇到困难时，张老师总是提出宝贵的意见，为论文的继续进行指点迷津。 感谢家人对我的默默支持和鼓励，感谢你们伴我走过了艰苦的读研岁月。 V 万方数据 摘要 我国西部地区矿井建设中常遇到松散岩层条件和富水水文条件等特殊工程条件，给井 筒的掘进、排矸和支护施工等带来不利影响，显著降低支护强度，造成支护结构失效，进 而导致井筒、井筒变形，给矿井建设带来不利影响。以鄂尔多斯地区红庆梁煤矿富水松散 砾岩含水层井筒建设工程为研究对象，针对3 ．1 煤层顶部泥质弱胶结、极破碎、富水量 5 0 m 3 ／h 的松散富水砾岩层，选取现场调查、理论研究、室内测试、数值分析、现场监控和 模糊评估联合使用的思考方法，研究了富水条件下松散砾岩地质条件下斜井井筒支护技术 并依据现场监测结果对井筒稳定性进行了模糊评价，主要研究内容包括 1 进行现场调研，明确砾岩层井筒的地层条件和富水特征，探究松散砾岩层支护 结构失机理。 2 进行室内岩体物理力学特性试验和矿物成分分析测试，获取砾岩密度P 、含水量 W 、强度盯、模量E 和矿物成分等指标，分析松散砾岩井筒破坏机理，为支护参数计算和 数值模拟提供有效数据。 3 结合现场调研和理论分析，进行富水条件下松散砾岩井筒支护技术研究，提出 适应于富水松散条件下斜井井筒的支护方案。建立富水条件下松散砾岩井筒数值计算模 型，分析开挖支护过程中井筒支护结构的受力特征，围岩表面收敛变形变化规律以及正反 掘施工过程对支护结构稳定性的影响，为最终确定支护结构选型提供科学依据。 4 进行锚杆 索 受力、锚杆 索 拉拔力、围岩表面收敛变形监测等现场测试 项目，建立富水条件下松散砾岩井筒动态监测体系，实时监测和反馈监测数据为支护方案 的优化选择提供科学依据，为评价井筒的稳定性提供有效数据支撑。 5 基于层次分析法和模糊数学理论，依据监测反馈数据对井筒稳定性进行模糊评 价，为井筒的施工安全及后期运行安全提供有效理论支撑。 通过上述研究，揭示了富水条件下松散砾岩斜井井筒变形失效机理，设计并实施了正 反掘掘进施工方案和正反掘分段支护方案，利用数值模拟方法，分析了支护结构受力特征， 建立了富水条件下松散砾岩井筒动态监测系统，立足于层次分析法、模糊数学理论，对井 筒的稳定性进行了模糊评价。研究成果将有效指导富水条件下松散砾岩斜井井筒支护施工 技术，为我国西部地区矿建建设提供科学依据。 关键词矿井建设；井筒工程；松散砾岩；支护结构；围岩变形监测 万方数据 A b s t r a c t T h es p e c i a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so fl o o s er o c kc o n d i t i o n sa n d r i c hw a t e rh y d r o l o g Y c o n d i t i o n sc o m m o n l ye n c o u n t e r e di nm i n ec o n s t r u c t i o ni nw e s t e r nr e g i o no fC h i n a ，b r i n gt h e a d v e r s ee f f e c to fs h a f te x c a v a t i o n ，g a n g u ea n ds u p p o r t i n gc o n s t r u c t i o n ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c i n gt h e s u p p o r ts t r e n g t h ，r e s u l t i n g i n s u p p o r t s t r u c t u r ef a i l u r e ，r e s u l t i n d e f o r m a r i o n ．t oa d v e r s e l ya f f e c tt h em i n ec o n s t r u c t i o n ．T oE r d o s gi n w e l l b o r ea n dr o a d w a y H o n gQ i n gL i a n gc o a lm i n e a r e ar i c hu n c o n s o l i d a t e dc o n g l o m e r a t ea q u i f e rs h a f tc o n s t r u c t i o np r o j e c ta st h er e s e a r c ho b j e c t ， a c c o r d i n gt ot h e3 ．1 a tt h et o po fc o a ls e a mm u d ，w e a kc e m e n t a t i o nc r u s h i n g ，r i c h w a t e ra n d 5 0 m 3 ／hw a t e rr i c hl o o s eg r a v e ls t r a t u m ，s t u d i e db ym e a n so ff i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a l r e s e a r c h ．i n d o o rt e s t ，n u m e r i ca n a l y s i s ，f i e l dm o n i t o r i n ga n df u z z ye v a l u a t i o nc o m b i n i n gt h e s t u d vu n d e rr i c hw a t e r c o n d i t i o nl o o s ec o n g l o m e r a t eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o fi n c l i n e ds h a f t s u p p o r t i n gt e c h n o l o g y a n db a s e do nt h em o n i t o r i n gr e s u l t so fw e l l b o r es t a b i l i t yb yf u z z y e v a l u a t i o n ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e 1 S i t ei n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n g l o m e r a t el a y e r , t oc l a r i f yt h ef o r m a t i o nc o n d i t i o n sa n dw a t e rr i c h a n dt oe x p l o r et h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h el o o s e g r a v e lr e t a i n i n g s t r u c t u r e 2 T h ep h y s i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr o c k m i n e r a lc o m p o s i t i o na n a l y s i sa n d l a b o r a t o r yt e s tt e s t ，o b t a i n i n gc o n g l o m e r a t ed e n s i t y ，w a t e rc o n t e n tW ，s t r e n g t h ，Em o d u l u sa n d m i n e r a lc o m p o s i t i o ni n d e x ，a n a l y s i so ft h ef a i l u r em e c h a n i s mo fl o o s ec o n g l o m e r a t es h a f tf o r s u p p o r t i n gp a r a m e t e r sp r o v i d ee f f i c i e n td a t ac a l c u l a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u i a t l o n f 3 B a s e do n f i e l d i n v e s t i g a t i o n a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es u p p o r tt e c h n o l o g yo f u n c o n s o l i d a t e dc o n g l o m e r a t es h a f tu n d e rr i c hw a t e rc o n d i t i o n i ss t u d i e d ，a n dt h es u p p o r ts c h e m e f o ri n c l i n e ds h a f tu n d e rw a t e rr i c ha n dl o o s ec o n d i t i o ni sp u tf o r w a r d ．An u m e r i c a lc a l c u l a t i o n m o d e lo fl o o s ec o n g l o m e r a t ew e l l b o r eu n d e rr i c hw a t e rc o n d i t i o n ，a n a l y s i so f e x c a v a t i o np r o c e s s o fs h a f ts u p p o r ts t r u c t u r es t r e s sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ev a r i a t i o no ft h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e e f 诧c t so nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fe x c a v a t i o ns u p p o r t i n gs t a b i l i t yo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e o f r o c ks u r f a c ed e f o r m a t i o n ，a n dp r o v i d es c i e n t i f i c b a s i s f o rt h ef i n a ls e l e c t i o no fr e t a i n i n g s t r u c t u r e ． 4 F o ra n c h o rb o l ts t r e s s ，b o l tp u l l i n gf o r c e ，t h es u r f a c eo fs u r r o u n d i n gr o c kc o n v e r g e n c e d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gf i e l d t e s t p r o j e c t ，e s t a b l i s h e d u n d e rr i c hw a t e rc o n d i t i o n l o o s e c o n g l o m e r a t ew e i l b o r ed y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a l - t i m e m o n i t o r i n g a n df e e d b a c k m o n i t o r i n gd a t at op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rs u p p o r t i n go p t i m i z a t i o no fs u p p o r t i n gs c h e m e s e l e c t i o n ，t op r o v i d ee f f e c t i v ed a t as u p p o r tf o rt h ee v a l u a t i o no fw e l l b o r es t a b i l i t y I I 万方数据 5 B a s e do na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n df u z z ym a t h e m a t i c st h e o r y ，f u z z ye v a l u a t i o no f w e l l b o r es t a b i l i t yi sc a r r i e do u tb a s e do nm o n i t o r i n gf e e d b a c kd a t a ，w h i c hp r o v i d e se f f e c t i v e t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h es a f e t yo fs h a f tc o n s t r u c t i o na n dt h eo p e r a t i o ns a f e t yi nt h el a t e rs t a g e T h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c h ，r e v e a l st h ef a i l u r em e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o nu n d e r r i c hw a t e r c o n d i t i o nl o o s ec o n g l o m e r a t eo fi n c l i n e ds h a f t ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns c h e m ea n dm m m g e x c a v a t i o na n dt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v es e c t i o n a ls u p p o r ts c h e m e - u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d ．a n a l y z e dt h e s t r e s sc h a r a c t e r i s t i c so fl i n i n gs t r u c t u r e ，e s t a b l i s h e du n d e rr i c h w a t e r c o n d i t i o nl o o s ec o n g l o m e r a t ew e l l b o r ed y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，A H Pa n dt h em e t h o db a s e d o nf u z z vm a t h e m a t i c st h e o r y ，t h ef u z z ye v a l u a t i o no fw e l l b o r es t a b i l i t y ．T h er e s e a r c hr e s u l t sw i l l e f f e c t i v e l yg u i d et h es u p p o r tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fu n c o n s o l i d a t e dc o n g l o m e r a t ei n c l i n e d s h a f ti nt h ec o n d i t i o no fr i c hw a t e r ，a n dp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fm i n ei n W e s t e mc h i n a ． K e y w o r d s m i n ec o n s t r u c t i o n ；l o o s eg r a v e ls t r a t u m ；s u p p o r ts c h e m e ；f i e l d m o n i t o r i n g 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I l 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 问题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 松散砾岩体物理力学特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 I ．2 ．2 松散砾岩井筒支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 模糊数学在工程安全评价中的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 主要研究内容及目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 研究目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 地层条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 富水特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 松散砾岩力学特性及井筒破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 3 ．1 砾岩基本力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 3 ．1 ．1 岩体密度和含水量测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．1 ．2 岩体单轴抗压强度及模量特性测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 3 ．1 ．3 岩体抗剪强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．2 矿物成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．3 富水砾岩岩体分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 松散砾岩含水层支护结构设计及数值仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 4 ．1 松散砾岩支护方案优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 4 ．1 ．I 原设计支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 万方数据 4 ．1 ．2 优化支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 4 ．1 ．3 支护参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 4 ．2 松散砾岩支护方案数值仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．2 ．1 模型参数及边界条件确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．2 ．2 围岩表面位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．2 ．3 锚杆受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 ．4 围岩混凝土应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 松散砾岩含水层现场监测及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 监测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 ．2 现场监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．2 ．1 锚杆实际受力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．2 ．2 围岩收敛变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 6 松散砾岩含水层井筒稳定性模糊评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 模糊评价在地下工程稳定评价中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．2 井筒风险评估因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．3 安全综合评价等级及安全评价指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．4 隶属函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．5 井筒风险综合整体性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 6 ．6 算例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 6 ．6 ．I 断面I 稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 6 ．6 ．2 断面2 稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．6 ．3 断面3 稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 l l 万方数据 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 红庆梁煤矿主斜井井筒斜长约为1 7 4 4 m ，倾角1 6 。，井筒为半径2 ．6m ，净高4 ．0 m 的 直墙半圆拱形断面，为我国内蒙地区倾角最大、斜长最长的斜井井筒。因矿区地层具有富 水性强、岩性软弱、地址条件复杂等特点，周边矿井例如距离本矿区西南侧约1 8 0 k m 永泰 集团的马泰壕煤矿，主斜井坡度1 5 。，斜长1 6 0 0 m ，遇到较大含水底层时，采用局部冻结 法施工才顺利建成，耗资巨大。位于本矿区东侧淮南矿业集团的色连二矿，斜井坡度1 6 。， 在主斜井埋深仅为3 0 0 m 时即达到可采煤层，涌水地层较深，因此井筒施工未受较大的水 的影响。再如，据此仅4 0k m 左右的泊江海煤矿因考虑矿区地层具有富水性强、岩性软弱、 地址条件复杂最终选择立井冻结法施工，不仅立井连续提升能力差，而且立井冻结施工增 加了巨大的投资。 井筒将穿过白垩系志丹群、侏罗系安定组、直罗组和延安组地层，其中安定组含水软 岩层和延安组含水砾岩层。特别是在主斜井掘进至1 4 4 l ～1 6 1 2m ，将遇到沿主井方向长度 约l1 0m 左右的富水砾岩层，在施工过程中存在以下几个问题 第一，富水砾岩层，岩性主要为灰白色砾岩，砾石粒径l ～1 5 c m ，为中、粗砂及泥质充 填，岩芯破碎，裂隙发育，泥质胶结，易产生坍塌、掉块。岩石饱和抗压强度平均为1 1 ．7 0 M P a ， 软化系数小于0 ．1 8 ，属于软弱类易软化岩石。岩石质量指标R Q D 值平均为3 ％，岩石质量 极差，为V 级围岩，岩体破碎，井筒围岩属于不稳定岩层。 第二，据主井地勘报告显示此砾岩层含水层涌水量为7 ．8 4 m 3 ／h ，副井地勘报告显示此 砾岩层含水层涌水量为5 ．3l m 3 ／h ，风井地勘报告显示此砾岩层含水层涌水量为5 ．9 3 m 3 ／h ， 由于采用冻结法施工无法测定岩层涌水量。据陕西天地科技现场岩石含水量测试来看，岩 石含水量为7 ％～1 3 ％，表明此砾岩层应为富水岩层涌水量大、将造成施工困难，掘进速度 慢。 第三，岩体受到在一定的渗透压力或者水动力影响下产生的物理、 化学及力学作用， 将造成工程岩体发生破坏、失稳，其中水岩化学作用引起的化学元素在岩石和水之间重新 分配及岩石细微结构的改变，导致了岩石力学性质的变化。遇水后短时间内发生软化，引 起岩体强度的降低，诱发井筒失稳等工程事故。 第四，水动力作用将导致砾岩间充填物的流失，使得井筒工作面水量越来越大；另一 方面，砾岩间充填物或胶结物的流失，将导致砾岩胶结性越来越差，引发砾岩脱落，造成 井筒冒顶、片帮等严重灾害，甚至诱发工程事故。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第五，现有的锚网喷支护不能发挥其应有的效果，施工难度极大，进度严重滞后。 基于上述问题，本文采用理论分析、室内试验、数值模拟、现场监测和综合评价等方 法针对红庆梁矿主斜井过松散砾岩含水层井筒支护和施工技术难题开展研究，探究富水松 散砾岩力学特性及其诱发井筒破坏变形机理；进行松散砾岩含水层支护结构优化设计并利 用有限元分析软件M I D A S ／G T S ，建立富水松散砾岩斜井井筒数值计算模型，分析各支护 结构的优劣，为最终支护方案的确定提供理论依据；开展红庆梁煤矿主斜井井筒现场监测， 实测锚杆 索 支护结构受力，井筒表面收敛变形和锚杆锚固力等，并采用层次分析法和 模糊数学理论对井筒稳定性进行评价，提高含水条件下主斜井软岩的支护强度、整体性、 自身承载能力，确保安全生产，加快施工速度等提供科学依据，具有重要的科学意义和工 程实践意义。 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 松散砾岩体物理力学特性试验研究 唐军峰等【5 l 】利用X 射线衍射和扫描电镜 S E M 分析了岩体的微观结构，进 行钻孑L 高压压水渗透变形试验，研究了高压压水条件下破碎带岩体的渗透性能。 肖成【5 2 】通过格子B o l t z m a n n 方法和多相流理论对裂隙岩体水沙两相流动规律 进行理论分析，并利用颗粒流软件对裂隙岩体的力学特性、堆积沙粒的起动规律、 溃沙流动规律以及上覆厚松散沙层开采造成的项板垮落进行数值模拟分析，建立上 覆厚松散沙层矿井开采的顶板力学模型，利用断裂力学理论分析得到造成顶板垮落 裂隙尖端的应力强度因子；分析突水溃沙通道水压及水沙混流速度的变化；水流涌 入裂隙后弱化了岩体结构，沙粒堵塞，岩体孔隙压力增大，裂隙迅速发育扩展，加 速顶板垮落。 邓龙胜【5 3 】等将统一强度理论用于太沙基公式中，基于统一强度理论计算了松散 岩体的围岩压力。 罗平平【”] 考虑了浆液的流变性、被灌介质的渗透性、可灌性、灌浆压力、裂隙 变形等方面进行了研究，建立了节点压力和灌浆量与灌浆时间关系的经验关系式。 李至悦【5 6 】进行了杜夜隧道散体围岩力学参数的研究，得出目前最为常用的岩体 力学参数确定方法有基于H o e k ．B r o w n 破坏准则的岩体参数的估算理论和基于监控 量测技术及数值建模的位移反分析法。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 李佳伟【57 J 徐进利用M T S 8 1 5F l e xT e s tG T 岩石力学试验系统，经过岩体受力状 态模拟、无水压岩体力学特性测试、水岩耦合试验等几个阶段试验，对砂板岩岩体 力学特性的高空隙水压效应进行了试验研究。这些成果揭示了砂板岩岩体力学特性 的高空隙水压力效应，并建立了主要力学参数预测模型，成果对于解决工程实际问 题具有重要的参考价值。 张金松【58 ] 利用R M T 岩石力学测试系统和高温高压蠕变仪，对深部井筒围岩进行 了基本力学性质测试和蠕变试验研化分析了岩石蠕变试验数据，获得了岩石的轴向 应变随时间变化的规律、粘弹塑应变特性、蠕变速率变化规律及围压对岩石蠕变影 响规律，研究表明围压对岩石蠕变有明显约束作用，增大围压能够减缓岩石蠕变破坏 时间。魁倬 刘业科【”】采用流变力学与损伤力学理论，从现场调查、采样加工到室内试验、理 论分析与计算机仿真模拟等多方面深入研究了水岩作用下深部岩体的损伤演化规 律和流变特性。 陶连金【6o J 等人结合具体工程，针对一种典型的松散软岩，根据其地质条件和物理 力学特性，采用颗粒离散元软件对软岩中井筒的开挖过程进行了数值模拟。得到了颗 粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景这一结论。 1 ．2 ．2 松散砾岩井筒支护技术研究 肖民【6 l J 针对内蒙古东部锡林郭勒盟的查干淖尔一号矿井主斜井井筒穿过的岩 层为弱胶结及不胶结的典型白垩系软岩地层，分析了白垩系软岩地层的力学特性， 研究了井筒施工方法选择应当注意的问题，对采用冻结法施工的白垩系地层的井壁 结构进行了支护设计，提出了白垩系软岩地层井筒支护必须结合井筒凿井方法进行 科学设计；对白垩系软岩地层斜井井筒凿井方法和支护进行了系统分析与总结，对 白垩系软岩地层的支护研究具有很大的价值。 张小俊【6 2J 根据正行煤矿的工程地质条件，对进风行人斜井表土段的支护施工图 进行设计，并且运用直墙拱初砌结构模型进行了内力的计算，计算结果显示，对衬 砌结构进行合理的配筋工作才能保证斜井安全的使用。 张柯【63 J 针对马蹄沟煤矿松软破碎煤层的实际工程地质条件，根据分析所得的成 果，本文提出了鼓形断面、三心拱形断面和差异锚杆支护等较新颖的支护方式，并 将其应用于较困难支护段的井筒掘进中，解决了困扰该矿多时的井筒支护效果差、支 护成本高这一难题。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 桑普天1 6 4J 根据地面大跨度空间壳体力学原理，研究三维钢筋网架半刚性复合衬 砌支护技术，结合工程现场实例，进行现场实测和分析，对半刚性三维网架衬砌支护 结构进行比较。数值模拟计算表明／半刚性三维网架衬砌支护结构有较好的承载能力 工程应用结果表明，半刚性三维网架衬砌支护结构具有良好的支护效果。 李中华【65 j 针对红石湾煤矿副斜井井筒穿过第4 系与古近系之间的高膨胀粘土 层，研究采用围岩注浆、可缩支架加锚网喷锚索复合支护形式，解决了井筒支护的 围岩膨胀、底臌问题。 赵国贞【6 6 J 综合物理力学试验、理论分析、相似材料试验、数值计算、现场工业 性试验等手段和方法，系统研究了厚松散层特厚煤层井筒围岩变形机理，建立了井 筒围岩的力学分析模型，分析了位移、应力、能量等参量的变化规律。 郭延辉，侯克鹏【67 J 某铅锌矿中段南部阶段运输井筒的支护难题，在现场岩体结 构调查、室内岩石力学试验的基础上，进行了现场井筒围岩松动圈实测，分析了井 筒围岩松动圈范围，基于松动圈测试成果，提出了锚网喷支护方案。通过数值模拟 软件对支护方案及支护参数进行了优化，通过现场工业试验对该技术方案的支护效 果进行了验证，结果证明该方法可靠有效。 朱阳照【68 】从高地应力软弱破碎围岩的力学属性、变形破坏特征和力学机制入 手，分析了影响井筒围岩变形的主要因素。应用大型有限元数值模拟软件A N S Y S 分析了高地应力极碎围岩整修井筒在自重应力、锚杆支护、锚注支护等不同支护情 况下的围岩变形位移和应力变化。 翁磊【69 J 采用岩体地质力学分类法对井筒穿越的围岩进行分级，分析井筒的破坏 特征及其破坏原因，提出了针对冒落松散围岩井筒的联合支护对策。设计采用一种 插入两帮岩体内的超前支护支承装置，为超前插杆提供稳固的支承点。采用U 型 可缩性钢拱架配合两帮外八字形钢管的整体支护结构，以减少两帮松散岩体向井筒 内的挤压作用。 牛学超【7o J 结合伊犁一矿材料斜井和回风斜井的施工过程，设计了现