深井巷道围岩破坏演化特征与支护优化研究.pdf
论文题目 深井巷道围岩破坏演化特征 与支护优化研究 作者姓名 王笪查 专业名称芷些王程 指导教师王回趄 副指导教师圃旌 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间2 Q 至兰生2 县 研究方向芷出压左皇鲞屋控剑 职称 教援 职称 班究虽 2 Q 量生量目 2 Q 量刍E 亘月 ㈣Y 2 m ㈣2 洲4 8 6 ㈣6 T H E E V O L U T I o NC H A R A C T E R I S T I C S o FD E E P R O A D Ⅵ,A YS U R R o U N D I N GR o C KA N DS U P P O R T I N G O P T I M I Z A T I o NR E S E A R C H AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU 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 W a n gZ h u c h u n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rW a n gT o n g x u C o l l e g eo fN a t u r a l R e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 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 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。 A F F I RMA T I o N 硕士生签名 日期 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ,s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i Ⅱs t i t l l t e . S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 深井巷道,由于高应力、高地温等特点,呈现出与浅部巷道、深埋隧道不同的特点。 因此,为确定深井巷道的支护方式,就不能仅仅参考深部隧道和浅部巷道开挖扰动区的 特点。本文主要在不同层理岩样室内力学特性试验、现场原位试验监测、锚杆支护特性 优化等方面进行研究。 通过选取济宁三号煤矿不同层理岩样进行室内岩石力学试验,获得不同围压下不同 层理岩体的破坏力学特性表征。之后,在济宁三号煤矿多巷道位置进行原位试验,综合 利用多点位移计、声波测试仪、数字钻孔成像、收敛变形计等获得巷道围岩体的深部位 移、声波速度、裂隙演化形成过程以及巷道表面变形等参数。通过分析监测结果,得到 深井巷道的变形演化特征。 综合以上的研究结果,利用F l a c 3 D 建立深井巷道掘进模型,通过模拟巷道掘进过程 围岩塑性区的变化情况,并将其与现场监测结果进行对比,进一步验证现场监测的准确 性。 最后,对于锚杆的力学特性进行研究。对于现场锚杆进行了室内预紧力试验研究; 针对现场锚杆的问题,设计研发了新型锚杆,并在现场进行拉拔试验研究;对于不同尺 寸和形状的巷道断面进行数值模拟分析,获得最优断面形状和尺寸。 关键词深井巷道;层理岩体;原位试验;开挖扰动区;锚杆支护 山东科技大学硕士学位论文摘要 A b s t r a c t D u et ot h eh i i 曲s t r e s sa n dh i 曲g r o u n dt e m p e r a t u r e ,t h ed e e pr o a d w a ys h o w sd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c sf r o md e e pa n ds h a l l o wb u r i e dt u n n e l .T h e r e f o r e ,i no r d e rt od e t e r m i n et h e s u p p o r t i n gm e t h o do fd e e pr o a d w a y , i ti si n a p p r o p r i a t et ot a k et h ee x c a v a t i o nd i s t u r b e dz o n e E D Z o fd e e pa n ds h a l l o wb u r i e dt u n n e l si n t oc o n s i d e r a t i o no n l y .T h i sp a p e rf o c u s e do nt h e f o l l o w i n g3a s p e c t s ,m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t so fd i f f e r e n tb e d d i n gr o c ks p e c i m e n ;i ns i t u t e s t s ;t h eo p t i m i z a t i o no fb o l ts u p p o r t i n g . T h ef a i l u r em e c h a n i s mp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tb e d d i n gr o c ks p e c i m e nu n d e rd i f f e r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r eh a v eb e e no b t a i n e db yr o c km e c h a n i c st e s t so fJ i n i n gN O .3c o a lm i n e s a m p l e s 、航t l ld i f f e r e n tb e d d i n g s .A f t e rt h a t .s e v e r a li n s i t ut e s t sw e r ec a r r i e do u t .S o m e p a r a m e t e r so f t h es u r r o u n d i n gr o c km a s s ,l i k ed i s p l a c e m e n t ,a c o u s t i cv e l o c i t y , c r a c kf o r m a t i o n e v o l u t i o na n ds u r f a c ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c km a s s ,w e r e o b t a i n e d ,b yu s i n g m u l t i p o i l l td i s p l a c e m e n tm e t e r , a c o u s t i ct e s t e r , d i g i t a l b o r e h o l e i m a g i n g ,c o n v e r g e n c e d e f o r m a t i o nm e t e r , e t c .i nt h et e s t s .B ya n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gr e s u l t s ,t h ed e f o r m a t i o n e v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eE D Zw a sa n a l y s i s e d . F l a c 3 DW a su s e dt oe s t a b l i s hm o d e lo fd e e pr o a d w a yd r i v a g c .T h ec h a n g eo ft h ep l a s t i c z o n eo fs u r r o u n d i n gr o c kW a ss i m u l a t e db yF l a c 3 D .B yc o m p a r i n gw i t ht h em o n i t o r e dr e s u l t s , t h ea c c u r a c yo ff i e l dm o n i t o r i n gw a sv e r i f i e d . F i n a l l y , t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fb o l tw e r es t u d i e d .S o m et e s t so fp r e s t r e s s i n g f o r c eb o l t sh a v eb e e nt a k e n , a n dan e wt y p eo fa n c h o rh a sb e e nd e v e l o p e da n ds o m ep u l l i n g i n s i t ut e s t sw e r em a d e .B ys i m u l a t i n ga n a l y s i s ,t h eo p t i m a lc r o s s s e c t i o ns h a p ea n ds i z eo ft h e d e e pr o a d w a ys e c t i o nW a so b t a i n e d . K e yw o r d s D e e pr o a d w a y ;B e d d i n gr o c km a s s ;I ns i t ut e s t ;E x c a v a t i o nd i s t u r b e dz o n e ;B o l t s u p p o r t i n g 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绪{ } 色⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 .1 课题研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 1 .2 国内外研究现状综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2 1 .3 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 .1 西部回风巷 西段 概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 2 .2 西部回风巷 西段 煤 岩 层赋存情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..6 2 .3 西部回风巷 西段 巷道支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..9 3 深井巷道围岩不同层理岩石力学试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 .1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 .2 试验前准备工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 1 3 .3 岩石常规压缩试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 4 3 .4 岩石巴西劈裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 .5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 9 4 锚杆支护特性试验及数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 .1 锚杆支护预紧力试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 .2 群锚效果及其数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2 2 4 .3 新型锚杆设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.2 4 4 .4 巷道断面形状优化数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.2 6 4 .5 围岩扰动应力数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..3 0 4 .6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..3 4 5 深井巷道围岩变形破坏特征现场测试研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 .1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 .2 监测断面及钻孔布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.3 5 5 .3 深部位移测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.3 7 5 .4 声波速度测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.4 4 山东科技大学坝士学位论义目录 5 .5 钻孔成像测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.5 3 5 .6 表面收敛变形测量与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 .7 监测结果汇总与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 0 5 .8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..6 l 6 结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”6 3 6 .1论文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 3 6 .2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 .3 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..6 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 攻读硕士学位期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 I l 山东科技大学硕士学位论义 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 .1 R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c eo f T o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.1 1 .2P r e s e n tS i t u a t i o no fS t u d ya tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 .3C o n t e n t sa n dM e t h o d so f t h eR e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..4 2 P r o j e c tS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 .1G e n e r a lS i t u a t i o no f W e s tR e t u r n A i rL a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 2 .2 C o a lS 廿a t aO c c u r r e n c eo fW e s tR e m r nA i rL a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 2 .3 S u p p o r tS c h e m eo f W e s tR e t u r n A i rL a n e ⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..9 3I n d o o rM e c h a n i s mT e s t so fR o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 .1O v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 3 .2 P r e p a r a t i o no f t h eT e s t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1 3 .3C o n v e n t i o n a lC o m p r e s s i o nT e s to f R o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 .4B r a z i l i a nS p l i tT e s to f R o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..1 8 3 .5 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 s 4A n c h o rF e a t u r e sR e s e a r c ha n dt h eS e c t i o nO p t i m i z a t i o nD e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 .1 T h eB o l tS u p p o r tF e a t u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.2 0 4 .2S i m u l a t i o no f t h eG r o u pA n c h o rE f f e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2 2 4 .3 D e s i g no faN e wX y p eo f A n c h o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 .4 O p t i m i z a t i o no f t h eS h a p eo f R o a d w a yC r o s sS e c t i o n .....⋯.................................................⋯......2 6 4 .5 T h eD i s t u r b a n c eS t r e s si nt h eS u r r o u n d i n gR o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 4 .6 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..3 4 5F i e l dS t u d yo fD e e pR 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 nA n dD e s t r u c t i o n ⋯⋯3 5 5 .1O v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 .2 L a y o u to f t h eM o n i t o r i n gS e c t i o n sa n dB o r e h o l e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 .3 D i s p l a c e m e n ti nt h eD e e pR o c k ⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.3 7 5 .4A c o u s t i cV e l o c i t y ..............................................⋯..............⋯..............⋯........⋯⋯⋯.......................4 4 5 .5B o r e h o l eI m a g i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..5 3 5 .6 C o n v e r g e n c eD e f o r m a t i o no nt h eS u r f a c e ⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 .7T h es u m m a r yo f M o n i t o r i n gr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.6 0 5 .8 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..6 1 1 1 1 山东科技大学硕士学位论文 目录 6C o n c l u s i o n sa n dI n n o v a t i v eP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 6 3 6 .1M a i nC o n c l u s i o n ..................................................................................⋯.⋯⋯⋯.............................6 3 6 .2I n n o v a t i v eP o i n t s ............................................................⋯⋯⋯⋯.⋯...............................................6 4 6 .3 E x p e c t a t i o n ....................................................................................................................................6 5 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 A c h i e v e m e n t sd u d n gW o r k i n go nM a s t e rP a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 山东科技大学硕上学位论文 1 绪论 1 .1 课题研究背景与意义 济宁三号煤矿已有多条主要巷道进入到大埋深的范围,如西部辅运巷最大埋深己超 过9 0 0 m ,巷道掘进层位为煤3 下及顶板泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩,底板泥岩、粉 砂岩、细砂岩等软弱~中硬岩层,掘进过程中揭露出大量近似平行于巷道两帮的裂隙面, 造成围岩破碎严重。显然,这些巷道属于典型的深井破碎围岩巷道,较高的初始地应力 和较低的围岩强度/应力比将造成围岩碎裂大变形显著,破坏和破碎程度严重,受采动影 响的程度较浅埋深时更为明显 即受采动影响后,围岩的进一步破坏更为严重 ,从而 造成巷道支护困难,支护和后期维护成本均显著提高,且带来诸多安全问题。如位于十 六采区中部3 下煤层底板的泵房及其配电室处于高地应力环境中,同时遭受两个工作面 两次回采影响,喷层开裂,底板鼓起,两帮内移,该硐室已于2 0 0 6 年采用注水泥浆、锚 索加固,加固后不久,硐室又出现开裂破坏现象,2 0 0 8 年又采用R F 固邦特加固材料对 该硐室进行了注浆加固。加固后硐室稳定一段时问后,又出现了两帮内挤、底板隆起等 破坏。 从目前国内外类似工程案例米看,关于深井巷道围岩变形破坏规律和机理的研究还 很不充分,而沿用浅埋条件下的经验来进行深井巷道支护设计已经远不能保障安全要求。 同时,由于西部辅运巷等主要巷道将为济宁三号煤矿多个采区服务,服务年限长。因此, 深入研究和合理解决这些深井巷道支护设计问题是确保济宁三号煤矿目前和后续深井安 全开采和正常接续的一个关键问题。 因此,本论文将以济宁三号煤矿西辅巷、西胶巷和西回巷三条巷道的典型洞段为研 究对象,以确保这些深井巷道的安全性为基础,以改善巷道支护效果和控制支护成本为 目标,通过掘进过程中围岩和支护结构的多元信息动态监测、室内力学试验、理论分析 和数值仿真等综合研究手段,揭示深井巷道围岩的变形破坏演化特征、机理和规律及其 支护响应关系,确定西辅巷、西胶巷和西回巷及深部煤巷典型洞段的合理支护参数和技 术工艺。该项研究不仅可以保证济宁三号煤矿目前大埋深开采条件下的安全生产和正常 接续,而且对于保证该矿乃至兖矿集团类似条件下的深井安全开采也具有重要的借鉴和 推广应用价值,对于提升我国煤矿深井开采技术水平也具有积极的意义。 山东科技大学硕十学位论文绪论 1 .2 国内外研究现状综述 1 - 2 .1深井巷道开挖扰动区研究必要性 由于几十年来的大规模开采,浅部资源已走向枯竭,煤炭开采逐渐向深部延伸,国 内许多大型矿区的开采或开拓延伸的深度目前均已超过8 0 0 m ,有的甚至超过1 0 0 0 m 。 目前,煤矿采深正以8 ~1 2 m /a 的速度增加,东部矿井正以1 0 ~2 5 m /a 的速度发展,预计 未来2 0 年,很多煤矿将进入1 0 0 0 ~1 5 0 0 m 的开采深度。近年来,我国主要国有煤矿大部 分矿井的采深已达5 0 0 ~1 0 0 0 m ,个别矿井深达1 l O O m 以上。 从围岩变形破裂特征、地温环境、煤与瓦斯突出性、承压水透水性等方面来看,煤 矿深部开采与浅部开采呈现出显著的差异。从目前国内外许多矿井的开采实践来判断, 一般当采深达到7 0 0 ~1 0 0 0 m 时即呈现明显的深部开采特征。即巷道开挖支护后,裂隙萌 生和扩展的速度很快,几天内一定厚度范围内的岩体即被次生裂隙切割成小碎块状,一 个月左右即出现严重破坏和大变形而失稳,导致锚杆拉断、喷层严重折断、u 型钢支架 严重扭曲等各种形式的支护失效,巷道底臌变形达到l 2 m 。由于巷道接连不断的失稳 破坏,各矿不得不投人大量精力进行翻修,然而收效甚微,往往是前面刚修好后面又破 坏,矿井生产运输受到严重影响,巷道维护成本大大增加,严重制约了整个矿区的煤炭 生产。 1 .2 .2 深部巷道支护理论研究 2 0 世纪9 0 年代初,我国学者以松动圈‘1 1 0 】作为衡量深部巷道围岩稳定性的指标, 并基于松动圈进行了广泛的研究。万串串等【1 ] 综合利用数值模拟、现场监测等手段得到 了层状岩体巷道的深度、半径、围岩抗剪强度与围岩松动圈的关系;邹红英等【4 J 根据围 岩松动的主要影响因素,结合实验研究成果,基于施工开挖的声波资料,在统计分析的基 础上给出洞室松动圈判别的数学模型;杨胜利【5 】等提出了基于围岩松动圈的锚杆支护理 论,并通过数值模拟进行了验证;檀远远f 8 】通过现场监测得到了围岩松动圈的影响因素, 并提出了相应的回采巷道支护对策;江权等‘1 0 1 采用弹脆塑性本构C W F S 模型,以分步开 挖引起的松动圈和位移增量监测信息为输入,首先通过参数敏感性分析确定待反演的参 数,再建立位移增量一松动圈深度的联合适应度函数,用进化神经网络一遗传算法求得待反 演参数的数值,基于这种方法对现场的围岩力学参数进行了数值反分析。 通过对千米深部按五水平、分岩性及是否受采动影响的岩巷围岩松动圈的实测分析, 着重探讨了围岩松动圈与采深及受采动影响下的变化规律。基于宏、微观裂隙对岩体稳 2 些查型垫奎兰堡主兰篁笙苎笙堡 定的重要影响,有人给出了深部巷道围岩中裂纹的形核过程及其损伤后形成“类板结构” 和“块体结构”的结论,研究了裂纹在二次应力作用下发生张性扩展破坏机理。 在分析总结深部巷道围岩稳定性特点的基础上,我国很多学者提出了深部煤巷支护 的高预应力强力锚杆进行了研究‘1 1 埘1 ,具体成果如下吴文平‘1 1 1 基于岩体的莫尔一库仑 M .c 屈服准则,推导锚杆一围岩复合结构体满足M C 准则的应力条件,并结合岩体劣化 本构模型,提出确定锚杆一围岩复合结构体力学参数的方法;乔燕国【l2 J 讨论了锚杆长度、 锚杆密度、锚杆预紧力等参数对于锚杆支护效果的影响;张伟【1 3 J 以节理岩体和锚杆为研 究对象,假定锚杆只对节理面产生加固作用,对岩体内部的影响忽略不计,基于这种假定, 建立了节理岩体锚杆加固模型,通过实验手段进行验证,并对其进行数值化;杨建辉[ 1 8 】等 通过离散元模拟、物理模拟表明,锚杆支护煤巷层状结构顶板形成组合拱梁结构,锚杆支 护机制相应称为组合拱梁作用,据此理论建立组合拱梁平均应力计算公式,该公式可综 合反映锚固拱梁厚度、巷道跨度、岩层厚度、完整系数对顶板稳定性的影响,并讨论它们 的影响规律,得到的结论符合工程规律;禁小林等【1 9 】利用奥地利岩土工程有限元分析 软件F I N A L ,考虑岩土的弹塑性性能,研究分析了通过提高锚杆区围岩参数模拟锚杆作 用的可行性及相关问题,得出了针对土质隧道提高围岩弹性模量和抗剪强度参数4 0 %左 右可起到模拟锚杆作用的结论;侯朝炯等【2 1 】通过实验室试验和理论分析,研究了巷道锚 杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后E 、c 值等力学参数的改善,分析了锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度。 1 .2 .3 深并巷道区别于浅埋巷道的特征分析 除德国和俄罗斯以外,国外其他主要采煤大国的开采深度都还远没达到我国中东部 地区的开采深度,所以直到2 0 世纪8 0 年代,英国、法国、俄罗斯、波兰等国家仍以金 属支架为主。2 0 世纪9 0 年代初,深度达到6 0 0 多m 的次深部开采阶段,美国、澳大利 亚大力发展高预应力高强锚杆支护技术,在次深部巷道支护中取得良好效果,从而该技 术在西方国家的煤矿开采支护中得到普遍应用。目前,西欧大多数国家各类不同类型的 锚杆、组合锚杆及锚索支护约占支护总量的9 0 %。德国是目前世界上煤矿采深最大的国 家,主要矿井都已达到1 2 0 0 m 以深,深部巷道支护采用的是锚杆、锚索、注浆和封闭型 的钢构混凝土衬砌 由重型U 型钢支架和厚度达到5 0 0 m m 以上的现浇混凝土充填形成 的多重高强联合支护,导致开采成本十分昂贵。因为经济效益低,德国目前已经基本上 停止深部煤炭开采了。中国的国情则不同,一方面,中国的煤炭储量居世界第一位,煤 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 炭是中国的主要能源,占一次能源的7 0 %左右,工业生产和人民生活必须依靠煤炭能源; 另一方面,必须把开采成本控制在能够承受的范围内,因此不能照搬德国那种成本高昂 的支护形式,必须发展经济有效的支护技术。 由上述可见,由于深部开采的现实必要性,国外从2 0 世纪8 0 年代开始深部巷道围 岩稳定性控制理论与支护技术的研究,我国从2 0 世纪8 0 年代末开始这方面的研究。根 据目前已有的初步研究和认识,在深井条件下,受高应力作用,巷道围岩的变形破坏特 征和机理及其与支护之间的相互关系 支护响应关系 与浅部条件下相比具有显著的不 同,目前国内外对此尚缺乏系统深入的研究,严重制约了深井煤巷支护设计的可靠性和 科学性。 1 在浅部条件下,掘进过程中对巷道围岩的损伤破坏主要来源于围岩应力集中和 爆破振动作用;而在深部条件下,由于较高的初始地应力,开挖卸荷引起的动力作用 即 爆破开挖瞬间在开挖面处形成的卸荷应力波一拉应力 对围岩的破坏己不容忽视。在较 高的初始地应力条件下,这种卸荷应力波对围岩的破坏甚至会超过爆破振动作用,从而 造成传统意义上的“围岩松动圈”深度显著增大,且松动圈内的围岩破坏程度更严重。 2 在深埋高应力、爆破振动和开挖卸荷应力波【2 4 2 7 1 的综合作用下,会导致巷道 围岩出现大量近似平行于开挖面的板裂化现象,再加上原生的地质结构面、岩层界面 和 层理面 、裂隙面的组合切割,围岩松动圈深度将更大,松动圈内的围岩破坏程度更为 严重,支护更困难。并且1 高应力导致的板裂化现象可能会进一步诱发巷道冲击地压 或岩爆 ,往往是发生这些动力灾害现象的先兆之一;2 近似平行于开挖面的板裂面 和裂隙面破坏了维持围岩自稳的“结构效应”,是围岩稳定性最不利的因素之一,而目前 对于这种裂隙面/结构面支护原则、方法和支护机理的研究和认识还很不充分。 3 已有的研究经验表明在高应力下,掘进过程中产生的围岩松动圈越深,围岩 越破碎,在服务年限内巷道围岩产生的时效变形就会越大,时效性破坏越严重,受采动 影响的程度越显著 即受采动影响后,围岩的进一步破坏更为严重 ,巷道维护越困难。 这时,若初期的一次支护刚度和强度不足,造成挤压承载加固圈厚度、强度、刚度和承 载能力不足,往往会导致围岩突然发生失稳破坏 塌方、片帮或冒顶 ,且这种失稳破 坏往往没有任何前兆,很难进行事先预防和主动防护。 这些问题的解决对于深部煤炭资源的安全高效开采至关重要,亟待开展系统深入研 究,以提高我国深部煤炭资源的开采技术水平。 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 .3 研究内容与方法 本论文拟针对兖矿集团公司济三煤矿西部回风巷地质及工程条件,采用室内试验、 理论分析和数值模拟、现场监测相结合的方法,开展以下研究 1 室内试验通过室内试验,揭示不同岩性围岩在不同应力水平下的基本力学性 质与变形破坏特征; 2 理论分析通过综合分析不同埋深下巷道典型洞段围岩的变形破坏特征和机理, 建立围岩力学模型,并获得相应的模型参数; 3 数值仿真采用正交设计获得更多可能的支护方案和参数进行数值仿真,并与 监测结果进行对比等;根据数值仿真和监测结果,建立深井巷道典型洞段围岩的支护响 应关系,为支护设计优化提供依据。 4 现场监测通过现场监测,获得不同埋深和不同岩性条件下深井巷道典型洞段 围岩的变形破坏特征、机理及其支护响应。 5 山东科技大学硕士学位论文工程概况 2 工程概况 本章简单介绍兖矿集团公司济三煤矿西部回风巷地质及工程条件、岩性特征、巷道 支护及施工方案,为后续研究提供工程背景。 2 .1 西部回风巷 西段 概况 西部回风巷位于井田西翼,七采区 正开拓 北部、八采区 未开拓 南部北距 西部胶带巷 西段未施工 约3 5 m ,南距西部辅运巷约4 5 m ;西部回风巷 西段 通过紧 急避险硐室、西区变电所与西辅相连,通过西辅一西胶联络巷与西辅、西胶相连。西部回 风巷 西段 原停掘位置位于西辅西回7 抖联络巷以西约3 5