深井硐室底臌破坏机理及控制技术研究.pdf

分类号分类号 TD354TD354密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 深深井井硐硐室室底底臌臌破破坏坏机机理理及及控控制制技技术术研研究究 张绍琦张绍琦 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称 矿矿山山建建筑筑工工程程 指指导导教教师师姓姓名名林林 登登 阁阁职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年五月二零一六年五月 万方数据 论文题目论文题目 深深井井硐硐室室底底臌臌破破坏坏机机理理及及控控制制技技术术研研究究 作者姓名作者姓名张张 绍绍 琦琦入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称矿山建筑工程矿山建筑工程研究方向研究方向矿矿山山地地下下工工程程 指导教师指导教师林林 登登 阁阁职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON BREAKING MECHANISMAND CONTROL TECHNOLOGY OFFLOOR HEAVE IN DEEP CHAMBER ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Shaoqi Supervisor Professor Lin Deng-ge College of Civil Engineering andArchitecture May 2016 万方数据 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 随着矿井开采深度不断加深，国内外矿井相继进入深部资源开采状态。深部岩体处 于“三高一扰动”的复杂地质力学环境中，相继表现出高地压、大变形、难支护等非线 性的软岩力学特性，并产生了一系列的工程影响。在深部矿井巷道与硐室中，底臌是巷 道或硐室变形破坏的主要形式之一，是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。研究深部 矿井底臌的产生原因及控制措施对当前深部煤矿开采、安全生产具有重要意义。 本文在综述国内外研究底臌产生的原因和防治措施的基础上，阐述了深井巷道与硐 室底臌类型，分析了底臌产生的机理，建立了应力型底臌的力学模型，并推导出了硐室 塑性区范围与最小支护荷载等相关表达式。本文以磁西一号矿-850m 水平主井变电硐室 为工程案例，针对出现的底臌问题，结合计算推导公式，提出了对变电硐室底板采用锚 注结合锚索束加固的防治方案。论文对硐室表面顶底板与两帮收敛量和底板岩体位移量 进行了现场监测，并利用数值模拟软件 FLAC-3D 对支护方案进行模拟分析，模拟结果 表明，采取该方案后的硐室顶板及两帮均出现塑性变形，底角和肩部处的塑性变形较明 显，顶底板出现塑性屈服后逐渐趋于稳定；围岩应力分布范围明显减小，受拉区、受压 区和塑性区都显著减小，硐室变形量明显降低。通过数值模拟对比监测数据，得出支护 方案切实合理可行，能有效地改善围岩的应力分布，大大降低了硐室围岩位移量，提高 支护结构的承载能力，保证了硐室的长期稳定性，可有效解决复杂条件下巷道与硐室的 底臌问题，对于深部矿井巷道与硐室的底臌治理问题有一定的指导借鉴意义。 关键词关键词深井硐室，底臌治理，工程实例，数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 Abstract With the deepening of the mining depth, the domestic and foreign mines have entered the state of deep resource exploitation. Deep rock mass in “three high and one disturbance“ complex geomechanical environment, have shown the nonlinear mechanical characteristics of soft rock, such as high ground pressure, large deation and difficult supporting, in addition these produced a series of influence of engineering. In deep soft rock roadway and chamber, floor heave is the main failure of the deation in the tunnel or underground chamber, which is one of the most troubled problems to the production and construction of coal mine. Study of causes and control measures of floor heave in deep mine has important significance for safety production of the deep coal mining. Based on the causes and prevention measures studied by the domestic and foreign researches, this paper expounds the types of deep mine roadway and chamber floor heave. Then analyses the mechanism of floor heave caused and constructs a force type floor heave mechanics model, in addition derives the related expressions of the scope of chamber plastic zone and the minimum supporting load. In order to solve the problem caused by floor heave use the example -850m main variable electric chamber of CiXi mine, with the calculation ula this paper proposed a scheme of the anchor beam combined with anchor cable in the bottom plate of the substation.In this paper, the floor and the floor rock mass displacement of the top floor of the chamber are monitored in the field, and the simulation analysis is carried out by using the numerical simulation software FLAC-3D. The simulation results show that after adopting the scheme, chamber roof and two sides undergo plastic deation, the plastic deation of corner and shoulder are obvious, and the roof and floor after yielding, the plastic yield tends to be stable. The range of surrounding rock stress distribution decreased obviously, the tension, compression and plastic zone are significantly reduced, the volume of the chamber deation significantly reduced as well. The support scheme is practical and feasible through comparison of numerical simulation and monitoring data, which can effectively improve the surrounding rock stress distribution, greatly reduce the amount of displacement of surrounding rock of cave, increase the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 supporting structure bearing capacity. This ensured the long-term stability of the chamber, and can effectively solve complex conditions of roadway and chamber floor heave problem. This scheme has certain guiding significance for deep mine roadway and chamber of floor heave control problems. Keywords deep chambers, treatment of floor heave, engineering example, numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 绪绪论论.............................................................................................................1 1 1.1 选题背景及研究意义........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状................................................................................................................2 1.3 研究内容、方法及技术路线...........................................................................................6 2 2 深井围岩特征及底臌类型深井围岩特征及底臌类型............................................................................. 8 8 2.1 深井开采的主要特征........................................................................................................8 2.2 深井硐室围岩的主要特征............................................................................................... 9 2.3 深井硐室底臌的类型......................................................................................................12 2.4 本章小结...........................................................................................................................13 3 3 深井硐室底臌破坏机理及控制措施分析深井硐室底臌破坏机理及控制措施分析....................................................1616 3.1 应力型底臌破坏机理......................................................................................................16 3.2 膨胀型底臌.......................................................................................................................23 3.3 塑性挤出型底臌..............................................................................................................23 3.4 深井硐室底臌控制措施..................................................................................................24 3.5 本章小结...........................................................................................................................27 4 4 工程案例工程案例.......................................................................................................2828 4.1 工程概况...........................................................................................................................28 4.2 支护方案设计原则与支护技术分析.............................................................................32 4.3 支护方案...........................................................................................................................34 4.4 支护效果分析.................................................................................................................. 40 4.5 本章小结...........................................................................................................................47 5 5 数值模拟分析数值模拟分析...............................................................................................4848 5.1 数值模拟软件.................................................................................................................. 48 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2 数值模型建立.................................................................................................................. 49 5.3 支护方案模拟分析..........................................................................................................52 5.4 本章小结...........................................................................................................................61 6 6 结论与展望结论与展望...................................................................................................6262 6.1 主要结论...........................................................................................................................62 6.2 展望...................................................................................................................................63 致致谢谢...............................................................................................................6464 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果................................................................................... 6565 参考文献参考文献...........................................................................................................6666 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction.................................................................................................... 1 1.1 Raising of project and research meaning...........................................................................1 1.2 Present research at home and abroad.................................................................................2 1.3 Contents， and technology....................................................................................6 2 Characteristics of deep rock and floor heave type ......................................8 2.1 The main feature of deep mining........................................................................................8 2.2 Main characteristics of deep surrounding rock.................................................................9 2.3 Types of floor heave in deep chamber.............................................................................12 2.4 Chapter summary...............................................................................................................13 3 Failure mechanism and control measures analysis of floor heave in deep chamber............................................................................................................16 3.1 Failure mechanism of stress type floor heave.................................................................16 3.2 Expand type floor heave................................................................................................... 23 3.3 Plastic extrusion floor heave.............................................................................................23 3.4 Floor heave control measures in deep chamber..............................................................24 3.5 Chapter summary...............................................................................................................27 4 Engineering Case..........................................................................................28 4.1 Project overview................................................................................................................28 4.2 Supporting principles and design support technical analysis.........................................32 4.3 Supporting program...........................................................................................................34 4.4 Supporting effect analysis.................................................................................................40 4.5 Chapter summary...............................................................................................................47 5 Numerical Simulation Analysis....................................................................48 5.1 Numerical simulation software.........................................................................................48 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2 Numerical modelcreate.....................................................................................................49 5.3 Simulation analysis of support programme.....................................................................52 5.4 Chapter summary...............................................................................................................61 6 Conclusions and Outlooks............................................................................62 6.1 Main Conclusions..............................................................................................................62 6.2 Outlooks.............................................................................................................................63 Thanks..........................................................................................................64 Main achievements during the PhD................................................................65 References........................................................................................................ 66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪绪论论 1.1选题背景及研究意义选题背景及研究意义 随着我国工业化进程的不断加快，煤炭工业已经成为我国重要的国民经济基础，我 国有着储量丰富、分布广泛的煤炭资源，煤炭消耗量占一次能源的一半以上，煤矿总储 量估算高达 40000 亿吨。近几十年来，我国煤炭开采量与开采速度不断加大，进而造成 浅部地层下煤炭的储量与资源日益下降，因此我国的煤炭开采逐渐趋向于往深部发展并 相继进入深部开采状态[1]。国内矿井开采深度现状如图 1.1 所示。当前，在采深不断增加 的条件下，深部地层岩体往往处于“三高一扰动”的地质力学环境中，因而使深部岩体 的结构和力学特性相比浅部岩体更为复杂[2]。在深部矿井开采中，岩体的物理力学性质 与浅部岩体有较大差别，经常表现出高地压、大变形、难支护等软岩力学特性[3]。由于 支护不合理等因素往往会造成巷道或硐室的变形破坏，对矿井正常施工与安全生产产生 了较大影响，有的甚至造成矿井报废停产，深部矿井软岩工程问题一直是困扰煤矿生产 和建设的重大难题之一[4]。 在深部矿井巷道与硐室的掘进施工中，会出现一系列变形破坏的形式。其中，底臌 是一种引起硐室内部变形破坏的主要形式，也是控制围岩稳定性研究课题中的一个重要 问题。目前，底臌问题是一种非常特殊的深部开采灾害性问题，并且底臌破坏问题几乎 遍布目前我国所有矿区及涵盖了 90以上的煤矿[5]。巷道或硐室发生底臌问题，会造成 其内部断面内挤缩小，妨碍矿井通风设施，并且会阻碍井下设备运输以及施工人员井下 作业，致使煤矿企业不得不投入大量人力、物力进行返修加固。有些底臌量相对比较严 重的煤矿，甚至会造成井下整个巷道或硐室的报废，不仅影响了井下的生产和安全，也 给煤矿企业带来了巨大的经济损失[6]。根据国内外相关资料统计表明[5]，当矿井采深在 400～600m 时，巷道底臌产生的概率约为 20％；当采深 800m 左右时，产生底臌的概率 约为 30％；当采深达到到 1000m 以上时，产生底臌的概率高达 80％左右。综上所述， 煤矿底臌问题是深部矿井巷道与硐室安全施工工程研究中的重要组成部分，研究深部矿 井底臌产生的原因与破坏机理，掌握相应的控制技术措施对当前深部开采、煤矿的安全 生产与高效运行具有重要意义。 目前国内外对深部矿井底臌破坏机理及控制技术有了一定的研究成果，但大部分都 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 是针对某一具体案例分析得出，并不能全部适用于国内外其他深部矿井出现的底臌破坏 问题。对于每一种情况下底臌的治理与研究，都是通过具体实例进行相应的分析并且根 据特殊限定条件下得出的结论，都有其自身具体特定的适应条件与适应范围。本文以冀 中能源集团磁西一号矿-850m 水平主变电硐室为研究对象，通过对深井硐室底臌破坏机 理及控制技术的研究，一是可以针对该矿出现的底臌问题合理地选择底板加固技术，更 好地控制底臌，减少损失；其次，通过对深部矿井巷道与硐室底臌的研究对其他深井底 臌的治理可提供借鉴，具有一定的理论与现实意义。 图图 1.1国内矿井开采深度现状国内矿井开采深度现状 Fig.1.1Status quo of mining depth in domestic coal mine 1.2国内外研究现状国内外研究现状 近几十年以来，国内国外许多专家学者深入研究矿井硐室底臌控制与治理问题，在 矿井开采、围岩压力、顶底板岩层控制、巷道支护、矿井突水、矿井安全方面做了相应 的工作，对深井硐室底臌有了进一步认识，并且取得了许多治理方面的经验与成果。具 体表现在以下几个方面 1.2.1 底臌机理底臌机理研究现状研究现状 前苏联的 JI.M.秦巴列维奇[6]应用极限平衡理论，计算了硐室底板下部岩层作用在硐 室支护结构上的压力，认为底臌产生的力学机理与压膜效应现象是一样的；M.JI 兹包尔 什奇克[7]等人从弹性能入手，认为底板岩层向上臌出是由于底板岩层储存的弹性能释放 的结果造成的；利特维斯基[8]提出了岩层局部性破坏的破坏准则与屈服强度，通过将破 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 坏准则与硐室围岩应力以及应力图进行对比，通过对比研究确定硐室底板周边地层的稳 定性；И.JI 切尔尼亚克[9]将数理统计与工程实践相结合的方法应用到底臌控制研究中， 通过对大量实测数据与理论统计进行分析，推导得出了预测硐室底臌产生的经验公式。 联邦德国时期的著名学者 M.奥顿哥特[10]对巷道与硐室的力学模型进行研究， 认为硐 室底板的破坏首先从两帮受压破坏开始，随后是顶底板受压向硐室内臌出；底臌产生导 致硐室直接底板岩层遭到破坏，更深范围内的岩层由于受到较大水平应力继续向硐室内 臌出，最后达到了底臌的最终破坏深度。 K.HARARM[11]将硐室底板与简支梁联系，将底板一定范围内岩层看作岩粱，分析研 究了底板一定范围内岩层的应力状态与稳定性；A.Afrouz[12]通过研究分析，认为引起巷 道与硐室底板隆起的因素主要有三种岩层物理力学性质、岩层受压大与水理作用； D.J.Rockway[13]通过调查分析指出， 硐室底臌产生主要取决于底板下一定范围内岩层的性 质；A.H. Wilson