深井高应力硬岩巷道围岩变形破坏规律与长期稳定性研究.pdf

分类号分类号 TDTD353353 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 深井高应力深井高应力硬硬岩巷道围岩岩巷道围岩变形破坏规律变形破坏规律 与长期与长期稳定性稳定性研究研究 滕滕 延延 斌斌 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名马马 其其 华华 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一一七七年六年六月月 万方数据 论文题目论文题目 深井高应力深井高应力硬硬岩巷道围岩岩巷道围岩变形破坏规律变形破坏规律 与长期与长期稳定性稳定性研究研究 作者姓名作者姓名 滕滕 延延 斌斌 入学时间入学时间 20201414 年年 9 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与矿山压力与岩层控制岩层控制 指导教师指导教师 马马 其其 华华 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 RESEARCH OF DEATION AND FAILURE RULE AND LONG TERM STABILITY OF SURROUNDING ROCK OF HIGH STRESS HARD ROCK ROADWAY IN DEEP MINE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Teng Yanbin Supervisor Associate Professor Ma Qihua College of Mining and Safety Engineering May 2017 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世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，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。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。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。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意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。 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 research for the degree under the guidance of the instructor unless referenced of acknowledge. This paper does not contain any research results that have been published or written by any other individual or group, except as already indicated in the text. Individuals and collectives who contribute to the study of this article have been identified in a clear manner in the text. I am fully aware that the legal results of this statement are borne by myself. If it is not true，，I am willing to bear the relevant legal responsibility. Signature Date 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、使用学位论文的规定，同意本人所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 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰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，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其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 有关数据库发表，并可以以有关数据库发表，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、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 根据我国能源战略行动计划和相关研究，在未来的一个相当长的时期内， 我国仍将是以煤为主的能源结构。 在我国已探明的煤炭资源中， 约有 2.951012t 埋深在 1000m 以下，占我国煤炭资源总量的 53[1]。在深部地下工程中，蠕变 是煤岩体工程围岩失稳的重要原因之一，近年来越来越多的大埋深高地应力的 硬岩巷道出现了因蠕变导致的巷道围岩变形破坏事件。因此，对深井高应力硬 岩巷道围岩蠕变特征以及长期稳定性等问题的研究显得尤为重要和迫切。 本文结合郓城煤矿一采区轨道大巷的地质条件，采用理论分析、数值模拟 及现场监测等方法，对深井高应力硬岩巷道围岩变形规律、力学特性、变形破 坏机理和长期稳定性控制方法等问题进行了分析研究。 通过现场实测分析，巷道表面围岩位移量呈指数函数增长，巷道顶板和两 帮是围岩稳定性控制的重点。运用粘弹性力学理论对深井高应力硬岩巷道围岩 力学特征进行分析， 得出巷道围岩任一点变形位移和变形速率公式。 运用 Flac3D 数值模拟软件对巷道开挖后的应力场、位移场和塑性破坏区进行分析研究，确 定深井高应力硬岩巷道围岩的变形破坏特征。将影响深井高应力硬岩巷道围岩 稳定性的因素概括为自然因素和人为可控因素，其中人为可控因素主要包括 支护方式、支护材料的参数等。而支护参数包括锚杆（索）的长度、直径、 间排距、预紧力等。使用正交试验方法对支护参数各水平之间的匹配进行方案 筛选， 之后运用 Flac3D数值模拟软件对各方案进行模拟。 选取顶底板移近量∆ X 和两帮移近量∆ Y 为评价不同方案支护效果的指标，分析模拟结果，从中选取 最佳的支护方案。采用经过分析和模拟得到的锚网索支护的最佳参数在郓城煤 矿一采区轨道大巷进行现场实践，试验结果表明采用优化后的最佳支护参数能 够有效控制深井硬岩巷道在高地应力作用下的围岩变形破坏情况。满足了有效 控制围岩和巷道服务年限的需要，为今后类似地质条件下深井高应力硬巷道的 支护，提供了重要的参考价值。 关键词关键词高应力，硬岩，长期稳定性 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract According to Chinas energy strategy action plan and related research, in the future for a long period of time, China will continue to be coal-based energy structure. In China has proven coal resources, about 2.95 1012t buried depth below 1000m, accounting for 53 of Chinas total coal resources. In deep underground engineering, creep is one of the important reasons for the instability of surrounding rock in coal and rock engineering. In recent years, more and more hard rock roadway with high buried depth and high stress has occurred due to creep Destroy the event. Therefore, it is very important and urgent to study the creep characteristics and long-term stability of the surrounding rock in deep well high stress hard rock roadway. In this paper, combined with the geological conditions of Yuncheng coal mine, the theoretical analysis, numerical simulation and on–the–spot monitoring are used，The deation law, mechanical properties, deation failure mechanism and long - term stability control of surrounding rock in deep well high stress hard rock roadway are analyzed and studied. Through the field measurement, the displacement of the surrounding rock of the roadway is exponentially increasing, and the roof and the two gangs are the focus of the stability control of the surrounding rock. The viscoelasticity theory is used to analyze the mechanics characteristics of the surrounding rock of the high stress hard rock roadway, and the deation displacement and deation rate ula of the surrounding rock are obtained. The numerical simulation software was used to analyze the stress field, displacement field and plastic failure zone after excavation of the roadway to determine the deation and failure characteristics of the surrounding rock of the high stress hard rock roadway.The factors that affect the stability of surrounding rock in deep well high stress hard rock roadway are summarized as natural factors and man-made controllable factors, Human controllable factors which include supporting manner, parameters like supporting material. Supporting the parameters comprising bolting cable length, diameter, inter-row spacing, and so preload。The orthogonal test was used to screen the matching between the levels of support parameters. Then, the scheme was simulated by Flac3D numerical simulation software. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III Select the top and bottom plate near the amount of ΔX and two shift close to the amount of ΔY for the uation of different programs support the effect of indicators, analysis of simulation results, from which to select the best support program. Using optimum parameters anchor net support through simulation analysis and site obtained in practice Yuncheng colliery a roadway mining area, test results show that the optimum parameters of the support can effectively control the optimized tunnel in hard rock in deep Deation and destruction of surrounding rock under high ground stress. Which meets the requirement of effectively controlling the service life of surrounding rock and roadway, and provides important reference value for the support of deep well high stress hard roadway under similar geological conditions. Keywords high stress, hard rock, long–term stability 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 .............................................................................................................. I I 目目 录录 ............................................................................................................ IVIV 1 1 绪绪 论论 ............................................................................................................ 1 1 1.1 选题依据及研究意义 ............................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................................................... 2 1.3 论文研究的内容、方法及技术路线 ....................................................................................................... 6 2 2 深井高应力硬岩巷道围岩变形规律及影响因素分析研究深井高应力硬岩巷道围岩变形规律及影响因素分析研究 .................... 1212 2.1 深井高应力硬岩巷道的判定 ................................................................................................................. 12 2.2 深井高应力硬岩巷道围岩变形规律分析研究 ..................................................................................... 14 2.3 深井高应力硬岩巷道围岩稳定性影响因素分析研究 ......................................................................... 21 2.4 本章小结 ................................................................................................................................................. 22 3 3 深井高应力硬岩巷道围岩安全稳定性控制机理研究深井高应力硬岩巷道围岩安全稳定性控制机理研究 ............................ 2424 3.1 深井高应力硬岩巷道围岩力学特征分析 ............................................................................................. 24 3.2 深井高应力硬岩巷道围岩变形破坏机理研究 ..................................................................................... 28 3.3 深井高应力硬岩巷道围岩稳定性控制对策研究 ................................................................................. 37 3.4 本章小结 ................................................................................................................................................. 39 4 4 深井高应力硬岩巷道围岩支护参数优化研究深井高应力硬岩巷道围岩支护参数优化研究 ........................................ 4040 4.1 深井高应力硬岩巷道锚网索支护正交试验设计研究 ......................................................................... 40 4.2 正交试验结果的数值模拟分析 ............................................................................................................. 43 4.3 本章小结 ................................................................................................................................................. 47 5 5 深井硬岩巷道围岩支护优化设计方案及监测结果深井硬岩巷道围岩支护优化设计方案及监测结果 ................................ 4848 5.1 巷道围岩支护优化设计研究 ................................................................................................................. 48 5.2 巷道围岩稳定性效果监测研究 ............................................................................................................. 50 5.3 本章小结 ................................................................................................................................................. 53 6 6 主要结论及建议主要结论及建议 ...................................................................................... 5555 6.1 主要结论 ................................................................................................................................................. 55 6.2 存在的问题及建议 ................................................................................................................................. 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 致谢致谢 ................................................................................................................ 5858 参考文献参考文献 ........................................................................................................ 5959 攻读硕士期间主要研究成果攻读硕士期间主要研究成果 ........................................................................ 6363 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 contents VI Contents AbstractІ ContentsIV 1 Introduction1 1.1 Topic Selection and Research Significance1 1.2 Research Status at Home and Abroad2 1.3 The Contents of the study, and Technical Route of Papers6 2 Study on Defamation Law and Influencing Factors of Surrounding Rock in High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine 12 2.1 Judgment of High Stress Hard Rock Roadway in Deep Mine12 2.2 Study on Deation Law of Surrounding Rock of High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine14 2.3 Study on Influencing Factors of Surrounding Rock Stability of High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine21 2.4 Chapter summary22 3 Study on Safety and Stability Control Mechanism of Surrounding Rock in High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine24 3.1 Analysis on Mechanical Characteristics of Surrounding Rock in High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine24 3.2 Study on Deation and Failure Mechanism of Surrounding Rocks Hign–Stressed Hard Rock Roadway28 3.3 Study on Stability Control of Surrounding Rock of Deep Stress High Hard Rock Roadway37 3.4 Chapter Summary39 4 Study on Optimization of Surrounding Rock Support Parameters for High Stress Hard Rock Roadway in Deep Mine40 4.1 Study on Orthogonal Experimental Design of Bolt - mesh - anchor Support in High Stress and Hard Rock Roadway in Deep Mine40 4.2 Numerical Simulation Analysis of Orthogonal Test Results43 4.3 Chapter Summary47 5 Optimum Design Scheme and Monitoring Result of Surrounding Rock Support in Deep Mine Hard Rock Roadway48 5.1 Study on Optimum Design of Roadway Surrounding Rock Support48 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 contents VII 5.2 Study on Stability Monitoring of Roadway Surrounding Rock50 5.3 chapter summary53 6 Main conclusions and recommendations55 6.1 Main Conclusions55 6.2 Existing Problems and Suggestion56 Acknowledgments58 Reference literature59 The main achievements during the Masters study63 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 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 1.1.1 选题依据选题依据 社会发展不可或缺的能源和社会发展所带来的环境问题是世界各界永远不 变的焦点，备受各国人民广泛关注，也是我国社会经济发展的重要问题。根据 国际能源署（IEA）预测，预计煤炭将是化石能源的增长量中需求量最大，煤炭 仍将是发电行业的主要燃料， 到 2030 年其占一次能源的消费比重将达到 55[2]。 虽然核能、风能、地热、潮汐等非化石能源的发展得到进一步提高，但不可否 认的是在今后相当长 的一段时间内， 我国乃至世界上大多数国家以煤为主的能 源结构并不会改变。预计到本世纪中叶，我国的煤炭消费总量将达到 50 亿吨/ 年。因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，具有不可替代性。 据估算，我国埋深大于 1000m 的煤炭资源占我国煤炭总储量的 53[1]，约 为 2.95 万亿吨。很明显，我国目前已经有相当一部分矿井开始进入深部开采。 埋深较浅的煤炭资源已近枯竭，尤其在山东、河南、山西等我国东部省份的一