岩巷底鼓机理及控制技术的力学分析.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 王振义 指导教师 邹正盛 学位类别 工学硕士 专业名称 力学 研究方向 矿山工程力学 河南理工大学河南理工大学土木工程土木工程学院学院 二○一二○一五五年年六六月月 岩巷底鼓机理及控制岩巷底鼓机理及控制技术的力学分析技术的力学分析 中图分类号中图分类号TU456 密密 级级公开公开 UDC 单位代码单位代码10460 岩巷底鼓机理及控制技术的力学分析 Mechanics Analysis of Floor Heave Mechanism and Control Technology of Rock Roadway 申请人姓名申请人姓名 王振义王振义 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 力学力学 研 究 方 向研 究 方 向 矿山工程力学矿山工程力学 导导师师 邹正盛邹正盛 职称职称 教授级高工教授级高工 提 交 日 期提 交 日 期 20152015 年年 6 6 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 20152015 年年 6 6 月月 河南理工大学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文岩巷底鼓机理及控制技术的力学分 析，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 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。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 I 致致 谢谢 本文是在导师邹正盛教授的细心指导下撰写完成的，从论文的选题、研究思 路、论文撰写直至论文修改的每个环节到最后的定稿都凝聚着导师的心血。导师 渊博的学识、严谨的治学态度、谦逊正直的为人以及在科研上表现出的一丝不苟 的精神都给我留下了很深的印象，每时每刻都在影响和激励着我。导师在学业上 对我严格要求，生活上也给予了我细致的关怀和帮助。在科研上，更是给予了我 全力的支持，精心的指导，真诚的帮助和谆谆的教诲。在本论文的开题和论文撰 写过程中，导师给我提供了大量的相关文献，并且对我所遇到的每一个问题都给 予了明确的解答。导师质朴谦和的学者风范和严谨求实的治学态度令人敬佩,是本 人学习的楷模和榜样,将并对本人的学习和工作产生长久的影响。在此,谨向恩师 表示衷心的感谢。 感谢我的同门高卫亮、莫云波、在论文的撰写过程中给予了我莫大的帮助， 感谢室友陈晓东、王栋、毕伟他们生活上给了我鼓励和帮助。感谢我的研究生同 学们，是他们陪我度过了快乐的三年时光 最后，深深感谢对我的学习全力支持的家人和身边给予我热心帮助和鼓励的 朋友们。特别感谢贤妻张妮、爱女王乐馨的理解、支持和帮助。我的每一次进步 和收获都浸透着他们的汗水和心血，我再次向他们致以最衷心的感谢 I 摘摘 要要 岩巷底鼓是煤矿中司空见惯的巷道破坏现象， 目前 80以上巷道的破坏是由于 底鼓引起的。为了解决巷道底鼓问题，近几十年来科技工作者们投入了大量的心 血，开发了不少底鼓防治技术。然而，科技工作者们对底鼓机理的认识也不完全 一致，底鼓防治技术的工程应用也并未都取得良好的效果。目前工程实践表明， 深部巷道底鼓频现。为了更好地认识底鼓和底鼓防治技术，提高底鼓防治技术工 程应用的成功率，有必要对其开展力学研究。 煤矿岩巷围岩是由层状岩层构成，层理面、层面是其一大特点。本文采用岩 石力学、材料力学、复合材料力学、对具有层状结构面发育的底板进行力学分析， 探索底板的力学行为特点。在此基础上，利用 RFPA 2D数值软件对具有这种特点的 巷道分析其在地应力下的底鼓特征，探索底鼓的规律性。进而依此，对目前广泛 应用于工程的底鼓防治技术进行力学分析，探讨其防治底鼓的作用和局限性。通 过研究，取得了如下成果 1．不论是自重应力场还是构造应力场作用下，底板岩层受力复杂，是多种力 的复合作用，其中水平应力（平行于层理面居主要地位。由不同层理构成的底板 尤如层合板，在单一应力（拉压剪）作用下会产生剥离、脱层、劈裂，而在复合 应力作用下，底板沿层理方向的脱开将更容易。 2．层状岩层巷道的底板在巷道开挖后原岩应力进行重分布，在底板岩层形成 以强大水平应力为主体的复合应力状态，层状底板在强大水平应力为主体的复合 应力作用下，出现沿层理面或层理方向的劈裂、剥离、脱开，形成薄板，并压曲 或褶曲破坏。层理发育的底板，沿层理脱开容易，因而底鼓强烈；层理不发育的 底板，沿层理脱开不易，如果其沿层理方向的完整性好，则不易发生底鼓；只有 当作用于底板的应力水平高时才能形成底鼓。 3．RFPA2D数值模拟实验表明，自重应力场和构造应力场均能引起岩巷底鼓。 在自重应力场下，随着原岩应力水平的增大，巷道底板的破坏形状由倒梯形向梨 形发展，底板挠曲的深度范围大；在构造应力场作用下，随着原岩应力水平的增 大，底板破坏形状由倒梯形向倒三角形发展，底板挠曲的深度范围较自重应力场 小。虽然都有表现为倒梯形的情形，但自重应力的倒梯形底边远宽于构造应力场 的。对于复合的原岩应力场，则这种特征也呈现过渡特性。 4．不同应力场下底鼓的这种特性，可以辅助判定原岩应力是属于自重应力场 II 为主还是构造应力场为主。 5．底鼓的防治，应从削减作用于底板上的水平应力、提高底板岩层的完整性 （抗劈裂能力）角度考虑。目前的单一防治技术多只顾及其一，如底板锚杆、底 板注浆等只顾及后者，而底脚锚杆（索） 、切缝、桩则只起到前者作用，所以作用 发挥受限。可重复注浆技术兼顾两者较好，性价比较高。 6．应力水平也是底鼓防治中的一个关键因素。RFPA2D数值模拟实验表明，应 力水平对底鼓破坏区的形状也产生影响，同时加重底鼓程度。应力水平增高，底 鼓破坏区范围加深，目前的单一技术在削减作用于底板上的水平应力、提高底板 岩层的抗劈裂能力就显现其缺陷（力不从心） 。可重复注浆技术，由于可实现定期 或不定期不断给底鼓破坏的底板注入固化材料进行底板加固，注浆管和其周围的 围岩联合构成粗而起到削减作用于底板上的水平应力作用，在防治岩巷底鼓方面 具有良好的应用前景。 关键词关键词岩巷；底鼓；机理；层理；劈裂；脱层； III Abstract Rock bottom drum is commonplace roadway damage phenomenon in coal mine, at present more than 80 of the destruction is due to floor heave of roadway. In order to solve the problem of floor heave of roadway, science and technology workers devoted a lot of effort in recent decades, having developed a lot of floor heave control technology . However,science and technology workers that understand the mechanism of bottom drum is not entirely consistent,the prevention of bottom drum and control technology of the engineering application did not have good effect. At present engineering practice shows that deep roadway floor heave appear frequently. It is necessary to carry out their mechanics study to better understand the floor heave、prevention of bottom drum and control technology, improve the success rate of the floor heave control technology application research. Coal rock tunnel surrounding rock is composed of layered rock. bedding plane and the plane is one of major characteristics. Based on the rock mechanics, material mechanics, mechanics of composite materials, with layered plate mechanics analysis of the development of structural planes to explore the mechanical behavior characteristics of the floor. On this basis, using the RFPA2D numerical software to explore the regularity of the bottom drum that has the features of under ground stress analysis of roadway floor heave characteristics. And accordingly, to analy the current widely used in engineering technology to prevent and control the floor heave, to study the effect of the prevention and control of the bottom drum and limitations. Through the research has obtained the following results 1. Both gravity stress field and tectonic stress field, the floor strata stress is complex and the compound action, a force of horizontal stress parallel to the bedding plane is in the major position. Composed of different bedding floor such as laminated plates, especially under the single stress compressive shear will produce stripping, delaminating, splitting, and under the effect of complex stress, the bottom plate along the direction of the bedding release will be easier. 2. Layered rock roadway floor in the original rock stress redistribution after tunnel excavation, in floor strata ed by strong horizontal stress as the main body of the IV complex stress state, layered slab in strong horizontal stress under complex stress as the main body, along the bedding plane or bedding direction of cleavage, stripping, release, sheet ing, and buckling or fold. Floor of the development of bedding along the bedding off easily, so the bottom drum; Floor of the development of bedding is not along the bedding off not easily, if the direction along the bedding the integrity of the good, is not easy to occur the bottom drum; Only as used in the bottom of high stress levels to the bass drum. 3. The RFPA2D numerical simulation experiments show that gravity stress field and tectonic stress field can cause rock bottom drum. Under the gravity stress field, with the increase of the original rock stress level, the destruction of the roadway floor by inverted trapezoidal shape to pear-shaped, the depth of the slab deflection range is large; Under the action of tectonic stress field, with the increase of the original rock stress level, the floor damage by inverted trapezoidal shape to triangle development, the depth of the slab deflection range is relatively inferior to gravity stress field. Although have show the inverted trapezoidal situation, gravity stress of inverted trapezoidal remote wide bottom in tectonic stress field. To compound the original rock stress field, the characteristics also presents the transition characteristics. 4. The characteristics of the floor heave under different stress field, can help to determine the original rock stress belongs to gravity stress field and tectonic stress field. 5. Prevention and control of floor heave should be cut on the floor of the integrity of the horizontal stress, improve the floor strata ability to resist splitting perspective. Now you want to do more and a single control technology, such as backplane anchor, floor grouting, only care about the latter, and the foot bolt cable, slitting, pile is only the er effect, so play a limited role. Both good repeatable grouting technology, high cost perance. 6. Stress level is also a key factor in the prevention and control of floor heave. RFPA2D numerical simulation experiments show that the stress level is an impact on the shape to the floor heave area, at the same time increase the bottom drum. Higher stress level, the bottom drum damage zone deepens, the current single technology in the cutting of horizontal stress acting on the floor, which improve the splitting resistance of floor strata is defect puff. Repeatable grouting technique, because it can realize V regularly or irregularly to constantly destruction of floor heave of bottom slab reinforcement on injection curing material, grouting pipe and the surrounding rock mass joint coarse and have cut the level of stress acting on the floor, in the aspect of prevention and control of rock bottom drum has a good application prospect. Keywords Rock; The bass drum; The mechanism ;Bedding;Splitting; Take off a layer; VI VII 目目 录录 摘摘 要要 .............................................................................................................................. I I 目目 录录 ........................................................................................................................ VIIVII 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1 1.1 选题的依据和意义 ................................................. 1 1.2 底鼓发生的力学机理研究现状 ....................................... 2 1.3 底鼓防治技术研究现状 ............................................. 5 1.4 研究现状评价 ..................................................... 7 1.5 主要研究内容及方法 ............................................... 8 1.5.1 主要研究内容 ............................................................. 8 1.5.2 研究方法 ................................................................. 9 1.6 创新点 ........................................................... 9 2 2 煤矿岩巷围岩的物理力学特征煤矿岩巷围岩的物理力学特征 .............................................................................. 1111 2.1 煤矿巷道围岩物理特征 ............................................ 11 2.2 围岩的应力特征 .................................................. 13 2.3 本章小结 ........................................................ 16 3 3 巷道底鼓机理的力学分析巷道底鼓机理的力学分析 ...................................................................................... 1717 3.1 力学模型的建立 .................................................. 17 3.2 薄岩层组成的底板破裂分析 ........................................ 17 3.2.1 底板脱层 ................................................................ 17 3.2.2 单层岩层受力分析 ........................................................ 21 3.3 厚岩层底板破裂分析 .............................................. 27 3.4 本章小结 ........................................................ 28 4 4 岩巷底鼓发生机理的数值岩巷底鼓发生机理的数值实验实验 .............................................................................. 2929 4.1 数值计算软件 .................................................... 29 4.1.1 RFPA 2D基本概述........................................................... 29 4.1.2 RFPA 2D方法要点........................................................... 29 4.1.3 RFPA 2D研究的问题 ......................................................... 29 4.1.4 软件基本原理 ............................................................ 30 4.2 数值实验模型建立 ................................................ 32 VIII 4.3 数值实验结果及分析 .............................................. 33 4.3.1 薄岩层底板巷道底鼓的数值实验结果 ....................................... 33 4.3.2 厚岩层底板巷道底鼓的数值实验结果 ....................................... 34 4.3.3 底板岩层厚度对底板破坏深度的影响 ....................................... 35 4.3.4 自重应力场为主下底板鼓起的数值实验 ..................................... 36 4.3.5 构造应力场为主下底板鼓起的数值实验 ...................................... 39 4.3.6 不同巷道位置布置下底板鼓起的数值实验 .................................... 43 4.3.7 在两帮支护下底板鼓起的数值实验 ......................................... 45 4.4 本章小结 ........................................................ 46 5 5 底鼓现象的力学解释底鼓现象的力学解释 .............................................................................................. 4949 5.1 底板的楔形破坏区 ................................................ 49 5.2 底板的楔形破坏区变为窄“V”形 ................................... 49 5.3 倾斜岩层底板的非对称性底鼓 ...................................... 52 5.4 直立岩层底板的弱底鼓 ............................................ 53 5.5 低强度岩层底板的圆穹形底鼓 ...................................... 54 5.6 回采巷道底鼓 .................................................... 54 5.7 本章小结 ........................................................ 56 6 6 巷道底鼓治理方法的力学分析巷道底鼓治理方法的力学分析 .............................................................................. 5757 6.1 对具体的底鼓防治技术进行分析 .................................... 57 6.1.1 锚杆（索）技术 ......................................................... 57 6.1.2 注浆技术 ............................................................... 58 6.1.3 垫层技术 ............................................................... 60 6.1.4 切缝治理底鼓技术 ....................................................... 61 6.1.5 深部爆破或打孔 ......................................................... 64 6.1.6 支架支护 ............................................................... 64 6.1.7 微型碎石管注桩支护 ..................................................... 64 6.1.8 可重复注浆加固巷道围岩的方法 ........................................... 65 6.2 本章小结 ........................................................ 65 7 7 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 6767 7.1 主要结论 ........................................................ 67 IX 7.2 不足与展望 ...................................................... 68 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... 6969 作者简历作者简历 ...................................................................................................................... 7373 学位论文数据集学位论文数据集 .......................................................................................................... 7575 X 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的依据和意义 我国石油资源相对比较贫乏,但是我国却是煤炭大国,煤炭产量排名为世界第 一,所以我国工业发展所需的能源主要是依靠煤炭资源。现阶段,我国经济飞速发 展,对矿产资源尤其是煤矿资源的有很高的需求，因此煤炭逐渐转入深部开采。随 着煤炭埋深的增加,巷道断面的不断加大以及煤质巷道的广泛使用使得巷道围岩 应力状态有了很大的改变,巷道底鼓现象日益增多,在底板为软弱、破碎岩体的情 况下尤其严重和普遍[1]。 目前，中国原煤年产量已突破 15 亿 t，位于世界首位。但随着浅部可开采煤 炭资源日益枯竭，迫使我国大部分矿区转入深部开采。据有关统计数据显示，我 国煤矿采深总体上以 8～10m/a 的速度增加， 许多矿井的开采或开拓延伸深度截至 到目前已达到 700m，有些甚至超过 1000m，如新汶、淄博、开滦、徐州等矿区。 伴随深部地质环境的复杂化，煤矿巷道工程受高地应力、高地热、高孔隙水压影 响严重，导致巷道大变形、难支护的问题日益突出，深部开采中冒顶与垮塌、底 鼓、底板突水及环境破坏等工程灾害事故频发 [2]。 岩巷底鼓是煤矿中司空见惯的巷道破坏现象，目前工程实践表明深部巷道底 鼓频现， 80以上巷道的破坏是由于底鼓引起的。为了更好地认识底鼓和底鼓防治 技术，提高底鼓防治技术工程应用的成功率，有必要对其开展力学研究。 长期以来，巷道底鼓一直是煤矿开采等地下工程中难以解决的问题之一，为 了解决巷道底鼓问题，近几十年来科技工作者投入了大量的心血，开发了不少底 鼓防治技术。然而，科技工作者们对底鼓机理的认识也不完全一致，底鼓防治技 术的工程应用也并未都取得良好的效果。现有的底鼓机理并不能够全面细致的分 析出底鼓的真正原因,从而不能对症下药有效的解决底鼓问题。 因此本文在现有研究成果的基础上，采用数值实验与理论分析相结合的方法 对岩巷底鼓力学原理进行分析研究，煤矿岩巷围岩是由层状岩层构成，层理面、 层面是其一大特点。本文采用岩石力学、材料力学、复合材料力学、对具有层状 结构面发育的底板进行力学分析，探索底板的力学行为特点。在此基础上，利用 RFPA 2D数值软件对具有这种特点的巷道分析其在地应力下的底鼓特征，探索底鼓的 规律性。这对于全面认识巷道的底鼓机理及有效治理底鼓、维护巷道稳定有重要 河南理工大学硕士学位论文 2 意义。 1.2 底鼓发生的力学机理研究现状 在浅部开采时，裸巷具有较好的稳定性。随着深度的增加或地应力的增加， 巷道的不稳定表现在顶邦，而底板变形很小，处于较稳定状态。同时由于在巷道 底上要布设轨