义忠煤矿软岩避难硐室支护设计研究.pdf

论文题目 义忠煤矿软岩避难硐室支护设计研究 专业 安全技术及工程 硕 士 生 杨坦（签名） 指导教师 蔡周全（签名）________________ 摘要 煤矿井下紧急避险系统是煤矿安全生产系统“六大系统”的组成部分，而井下永久 避难硐室又是其中的重要设施，它的建设情况关乎到煤矿安全生产的正常进行。在软岩 富集地区进行避难硐室建设存在着较大的困难，主要体现在软岩的膨胀变形对避难硐室 的破坏，因此对软岩避难硐室的支护进行研究，控制围岩大变形显得尤为重要。 本文在借鉴软岩巷道大变形控制理论的研究成果的基础上，对软岩避难硐室变形失 稳演变机制进行了阐述，运用能量支护理论基本分析方法对半圆拱形断面软岩避难硐室 开挖支护后的能量再分配进行分析，并采用围岩塑性区理论和结构力学中的辛普生法对 避难硐室支护参数进行设计计算，初步确定义忠煤矿避难硐室的支护方式及其参数。同 时利用FLAC3D有限差分计算软件对初步制定的开挖方案进行数值模拟，结合硐室围岩现 场监测数据的分析结果，对初步设计方案进行了修正，修正后的支护形式及参数为一 次支护采用锚杆（索）联合支护，锚杆采用mm250022φ锚杆，间排拒为800800mm。 锚索采用φ17.8mm8000mm钢绞线锚索，间距1.5m；二次支护采用现浇模筑钢筋混凝土， 混凝土采用C30级，钢筋选用HRB335级钢，8Φ18钢筋，砌碹厚度250mm；三次支护采用改 性聚氨酯发泡填充物填充支护，填充材料为弹性模量193.65MPa，抗压强度5.76MPa的聚 氨酯-蒙脱石复合材料，并增添十涅二苯乙烯无卤阻燃剂，填充厚度150mm。同时本文还 提出了软岩避难硐室施工过程中的大变形控制技术。 关 键 词避难硐室；能量平衡；数值模拟；围岩变形控制； 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject S S S Studytudytudytudy onononon supportsupportsupportsupport designdesigndesigndesign ofofofof minemineminemine refugerefugerefugerefuge chamberchamberchamberchamber inininin Y Y Y Yizhongizhongizhongizhong coalcoalcoalcoal minemineminemine SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty SafetySafetySafetySafety technologytechnologytechnologytechnology andandandand EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NamNamNamName e e e YANGYANGYANGYANG TanTanTanTan（SignatureSignatureSignatureSignature） InstructoInstructoInstructoInstructor r r r CAICAICAICAI ZhouquanZhouquanZhouquanZhouquan（SignatureSignatureSignatureSignature）______________ ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Refuge chamber is an important installation of emergency system , which is a part of coal mine safety production part of the “six systems“ , and has a great influence on the safety production . Because of the expansion of the soft rock deation damage to the refuge chamber , building a refuge chamber in places full of soft rock has greater difficulties . So it is particularly important to study on support design of mine refuge chamber and control technology of large deation od surrounding rock . This dissertation expound the law of deation in a refuge chamber, basis on research results in the control theory of roadway deation . It also analysis redistribution of energy of refuge chamber in half-arch tunnel section after being excavated by using the energy support theory . The article preliminary clear up the support s support parameters of refuge chamber in Yizhong coal mine , by calculating support paraments using plastic ring theory and simpson s in structural mechanics . At the same time using FLAC3D finite difference calculation software to calculate the preliminary excavation scheme, Combining with the site monitoring data of the surrounding rock in refuge chamber to modify the support s support parameter of refuge chamber.that is First using anchor rod rope combined support ,the parameters of anchors are mm250022φ from 800800mm ; the parameters of rope are φ 17.8mm8000mm spacing 1.5m . Second using reinforced concrete support , the paraments are C30 concrete level in adopts , 8Φ18 HRB335 steel reinforcement in grades , thickness ofconcrete-lined is 250mm , The third support adopt pu-montmorillonite composite material , whose modulus of elasticity is 193.65 MPa ,compressive strength is 5.76 MPa , DBDPO is added as flame retardant , the thickness of filler course is 150mm . Meanwhile the article also puts forward the technology of large deation control . KeyKeyKeyKey wordswordswordswords Refuge chamber ; Energy balance ; Numerical simulation ; Surrounding rock deation control ThesisThesisThesisThesis Application study 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 课题的研究背景和目的..............................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................1 1.3 研究思路和内容...........................................................................................................6 1.4 研究方法和创新点......................................................................................................7 2 软岩避难硐室变形失稳演变机制..........................................................................................9 2.1 软岩的概念..................................................................................................................9 2.2 软岩的工程力学特征................................................................................................10 2.3软岩大变形几何场理论..........................................................................................14 2.3.1 极分解定理.....................................................................................................14 2.3.2 S-R 和分解定理...............................................................................................14 2.4 软岩避难硐室变形失稳的力学机理及其变形规律.................................................15 2.4.1 软岩避难硐室发生变形失稳的力学原理......................................................15 2.4.2 软岩硐室发生变形失稳的规律......................................................................16 2.5 本章小结....................................................................................................................17 3 半圆拱形断面软岩避难硐室能量支护理论分析................................................................18 3.1 软岩避难硐室的能量平衡........................................................................................18 3.2 软岩避难硐室围岩变形能量再分配........................................................................18 3.2.1 围岩塑性区半径.............................................................................................19 3.2.2 避难硐室围岩施加荷载分析.........................................................................20 3.3 柔性材料弹性能计算................................................................................................22 3.4 本章小结....................................................................................................................22 4 义忠煤矿避难硐室开挖支护设计方案................................................................................23 4.1 义忠煤矿地质资料分析............................................................................................23 4.2 避难硐室开挖方案....................................................................................................25 4.2.1 微台阶法施工方法.........................................................................................26 4.2.2 微台阶法施工流程.........................................................................................26 4.3 避难硐室支护方案....................................................................................................26 4.3.1 初始支护.........................................................................................................27 目录 II 4.3.2 二次支护.........................................................................................................28 4.3.3 三次支护.........................................................................................................38 4.4 本章小结....................................................................................................................39 5 避难硐室变形规律的数值模拟............................................................................................40 5.1 有限差分法简介........................................................................................................40 5.2FLAC 的基础理论...................................................................................................41 5.2.1 FLAC 程序的求解流程...................................................................................41 5.2.2 FLAC 算法的基本原理..................................................................................41 5.2.3 FLAC3D 的求解流程......................................................................................44 5.3 义忠煤矿避难硐室模型的求解................................................................................45 5.3.1 义忠煤矿避难硐室计算范围的确定.............................................................45 5.3.2 义忠煤矿避难硐室初始状态模拟.................................................................45 5.3.3 义忠煤矿避难硐室开挖方案数值模拟.........................................................46 5.4 本章小结.....................................................................................................................49 6 义忠煤矿避难硐室围岩监测成果及变形控制分析............................................................50 6.1 义忠煤矿避难硐室围岩监测....................................................................................50 6.1.1 监测目的.........................................................................................................50 6.1.2 量测项目.........................................................................................................50 6.1.3 量测方法和要求.............................................................................................50 6.2 义忠煤矿避难硐室监测成果分析............................................................................52 6.2.1 义忠煤矿避难硐室断面位移监测结果分析.................................................52 6.2.2 义忠煤矿避难硐室围岩压力监测结果分析.................................................54 6.3 软岩避难硐室围岩变形控制....................................................................................55 6.4 本章小结....................................................................................................................56 7 结论和展望............................................................................................................................57 致谢...................................................................................................................................59 参考文献...................................................................................................................................60 附录...................................................................................................................................64 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景和目的 在我国一次性能源生产和消费结构中，煤炭占70左右，预计未来五十年内，煤炭 仍将作为我国的主要能源[1]，目前我国原煤产量位居世界第一位。与此同时，我国煤矿 事故频发，矿难不仅造成了社会资源的浪费，影响了国家经济发展，更给人民留下了永 不磨灭的痛苦和记忆。长期以来，我国煤矿安全投入普遍不足、安全设施老化严重，这 些都是造成我国煤矿事故频发的重要原因。 为了改善煤矿灾害条件下矿工避险条件， 2010 年1月25日， 国家安全生产监督管理总局以及国家煤矿安全监察局共同发布了煤矿井下 紧急避险系统建设管理暂行规定 ， 由此拉开了我国煤矿紧急避险系统建设的序幕。 针对 煤矿井下紧急避险系统重要组成部分的避难硐室的研究也相继展开，由于避难硐室的特 殊功能（隔绝有毒有害气体） ，在建设中除了要求有足够的强度以外，也要求硐室具有一 定的气密性和隔水性[2]。 西南地区是我国重要的煤炭产地，为我国煤炭供应及带动当地社会经济发展做出了 巨大贡献。该地区地质条件与其他煤炭产地的地质条件相比，具有特殊性，具体表现在 大量存在着强度低、胶结差、易风化、遇水泥化的软岩[3]，同时该地区降水丰富，在该 地区建设避难硐室易出现软岩遇水膨胀导致硐室两帮及顶底板位移量大，变形严重等情 况，这些都直接影响避难硐室的正常使用。目前，针对软岩地质条件下的避难硐室支护 研究还处于空白阶段。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 软岩巷道围岩稳定性理论的研究现状 对于软岩巷道稳定性理论的研究，多年来各国学者从不同领域出发，提出了一系列 理论予以评价和解释。前苏联采用γH/σc其中σc为岩石单向抗压强度，MPa；γ为上覆 岩层平均容重，MN/m3；H为巷道埋深，m指标来评价深井巷道围岩稳定性。并指出， 当γH/σc＜0.5时， 巷道围岩稳定； 当0.25＜γH/σc＜0.4时， 巷道围岩中等稳定； 当0.4＜γH/σc ＜0.65时，巷道围岩不稳定[4]；波兰工程师在巷道设计中采用综合考虑围岩强度、巷道深 西安科技大学硕士学位论文 2 度、巷道开挖宽度、围岩受采动工作影响等因素的方法计算岩石的稳定性系数，并用以 指导井巷支护设计，根据波兰煤矿的深部开采经验开采深度大于800m、巷道开挖宽度 超过4.7m、底板变形量超过500mm的深井巷道，应采用封闭式可缩性支架进行支护[4]； 英国采矿专家提出了巷道围岩失稳的极限深度理论[4][5]（式1.1）用以围岩稳定性的评价 和支护方式的选择。 γησ2/ maxcv kH＞ （1.1） 式中Hmax围岩失稳的极限深度，m； η围岩载荷影响系数； kv围岩裂隙影响系数，kv（ν/υ）2，其中ν、υ分别为声波在为岩体和岩石 中的传播速度。 围岩稳定性除了和开采深度有关外，还和围岩松动圈有关。中国矿业大学的董方庭 等从现场研究地下工程附近岩体的状态－松动破裂入手，在现场大量实测围岩中的松动 圈，提出用围岩松动圈厚度值Lp来对巷道围岩进行分类。围岩松动圈厚度是围岩应力P 和围岩强度R的复杂函数，即 ,RPfLp ，它的大小反映了围岩支护的难易程度[6][7]。 因此，降低围岩中的集中应力和提高围岩强度均可实现控制围岩松动圈的过度发展。 软岩巷道的稳定性还和软岩蠕变性质和岩性转化性质有密切关系。1939年，Griggs 在对在对砂岩、 泥板岩和粉砂岩等进行大量蠕变实验时发现， 当荷载达到破坏荷载的12.5 ％80％时，岩体发生蠕变[8]。关于岩石蠕变的研究目前已有许多可供选择的模型被建立 起来，大体上可以分为三类，即经验公式、组合模型和积分模型[9]，并已广泛应用于工 程实践；20世纪60年代我国岩土工程专家陈宗基院士提出巷道的岩性转化理论，认为同 样矿物成分、同样结构形态，在不同工程条件下，会产生不同的应力、应变，形成不同 的本构关系[10]； 冲击地压对软岩巷道的稳定性也有着较大影响。南非岩爆问题专家W.D.Ortlepp 指 出支护系统不仅要像常规巷道支护一样提供一定程度的静抗力，同时还要具有适当的 屈服和让压特性，吸收煤岩体突然破坏过程中释放的动能[11][12]；黄庆享、高召宁建立了 煤层平巷冲击矿压的断裂损伤力学模型[13]，应用 Griffith 能量理论[14]和能量判据，考虑 了材料的损伤积累，把裂纹扩展与材料损伤过程耦合起来，分析了巷道煤壁中预存裂纹 尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳屈曲变形压裂失稳形成冲击矿压，确定 了冲击矿压发生的临界应力，并分析了其影响因素。 1 绪论 3 水对软岩的腐蚀作用是影响软岩巷道围岩稳定性最大的因素。1987年PBak 和 C.Tang提出了“自组织临界性”理论[15]，该理论用来解释广延耗散动力学系统的行为特 征，这种耗散动力学系统的大量组元间存在的作用，使系统自然朝向临界状态演变。该 理论很好的解释了软岩泡水软化现象的一条很好的途径；中南大学汪亦显指出在水岩 相互作用的时间域内，软岩膨胀变形呈锯齿形，横向应变和纵向应变具有相似性，水的 腐蚀作用是影响岩体断裂强度的关键因素，且水岩作用有时间依据性[16]。 综上所述，国内外对软岩巷道围岩稳定性的理论研究大体上是从以下几点入手进行 研究的①开采深度；②围岩松动圈；③软岩蠕变特性；④围岩岩性转化；⑤冲击地压； ⑥水对软岩的腐蚀作用。 1.2.2 软岩巷道的支护理论研究 关于软岩巷道的支护理论研究，国内外有很多不同的观点，在不同观点下，产生了 不同的支护理论。其中具有代表性的理论主要有三个，即支撑理论、加固理论和能量支 护理论。 （1）支撑理论[17] 支撑理论是建立在结构力学的基础上一种支护理论， 在我国的采矿工程和地下工程 中时最具有影响力的一个理论。我国煤矿巷道支护中常见的锚杆支护、组合梁支护和组 合拱支护都属于支撑理论的范畴。 （2）加固理论[18] 该理论是以工程地质力学和岩体力学为基础发展起来的一种理论。该理论认为，井 巷工程和地下工程开掘之后，应在围岩变形和位移到一定程度，发生塌方前进行加固， 限制变形和位移的发展，以改善围岩的受力状态，提高围岩的强度和自稳能力。 （3）能量支护理论[19] 能量支护理论是建立在能量守恒和能量转换的基本规律的基础上的一种新理论。该 理论认为围岩在采动及其他因素的影响下，会产生大量的能量，通过“让、放、躲、支” 的办法（即围岩释放一部分有害能量，支护吸收一部分能量，围岩和支护进行能量补偿 和再分配） ，可以有效地抑制软岩巷道的过大变形和围岩的破坏。 西安科技大学硕士学位论文 4 1.2.3 计算机技术在软岩巷道支护设计中的应用 随着计算机技术的不断发展，以及煤矿行业对新技术的不断应用，计算机科学在煤 矿行业的应用越来越广泛。目前，在巷道围岩压力分布规律、巷道开挖后的围岩变形、 支护参数的优化、围岩破坏机理、支护阻力对巷道变形的影响以及在水作用下软岩软化 与损伤断裂效应的时间性等方面的研究中，计算机技术起到了很重要的作用。 岩体不仅为一般材料，更重要的是一种地质结构体，它具有非均质、非连续、非线 性以及复杂的加载、卸荷条件和边界条件[20][21]，这使得应用解析方法分析岩石力学问题 困难较大， ；相比之下，利用数值分析方法却具有较为普遍的适用性。它不仅能模拟岩体 的复杂力学与结构特性，也可很方便地分析各种施工过程和边值问题，并对工程进行预 测和预报。因此，数值分析方法是解决巷道工程问题的有效工具之一。 目前较为常用的方法有有限元法、有限差分法、边界元法、加权余量法、离散元 法、不连续变形分析法、刚体元法、流形方法等[21]。其中前四种方法是基于连续介质力 学的方法，随后三种方法是基于非连续介质力学的方法，而最后一种方法具有这两大类 方法的共性。 有限元法是是Turner和Martin等人提出的并广发应用于岩土力学的数值方法， 将连续 的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解 域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值 函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题[22]。有限元 对以非均匀、各向异性和非线性为特征的岩土地质介质有良好的适应性，因此已成为计 算岩土工程领域的主流方法。 边界元法以表述Berti互等定理[17]的积分方程为基础，将岩土力学中的微分方程的定 解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解 的数值方法。边界元法是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法 在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元，用 满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少， 数据准备简单等优点。但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积 分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。 有限差分法是岩土力学中将求解微分方程问题转化为求解差分方程的一种数值解 法。例如FLAC程序在岩石力学问题中的广泛应用。 1 绪论 5 离散单元法是Cundall于1971年提出来的，它是一种显示求解的数值方法。该方法 与在时域中进行的其他显示计算相似。离散单元法也像有限单元法那样，将区域划分成 单元。但是单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离， 即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。单元之间相互作用的力可以根据力和 位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大 小按牛顿运动定律确定。该方法是继有限元法、计算流体力学（CFD）之后，用于分析 物质系统动力学问题的又一种强有力的数值计算方法[23]。自20世纪80年代中期引入我国 后，在边坡工程、巷道工程、采矿工程及基础工程等方面都有重要应用。 流形方法[24]以拓扑学中的拓扑流形和微分流形为基础，在分析域内建立可相互重 叠、相交的数学覆盖和覆盖材料全域的物理覆盖；在每一物理覆盖上建立独立的位移函 数覆盖函数，将所有覆盖上的独立覆盖函数加权求和，即可得到总体位移函数，然后， 根据总势能最小原理，建立可以用于处理包括非连续和连续介质的祸合问题、小变形、 大位移、大变形等多种问题的求解格式，它是一种具有一般形式的通用数值分析方法， 有限元法和不连续变形分析法都可看是它的特例。 所有这些数值方法的共同特点是 将带有边值条件的常微分方程或偏微分方程离散 为线性代数方程组，采用适当的求解方法解方程组，获得基本未知量，进而根据几何方 程和物理方程，求出研究范围的其他未知量。 1.2.4 巷道施工监测技术研究现状 巷道施工监测技术通过相对简单的仪器和方法， 及时地获取围岩稳定性和支护结构 受力与变形的动态信息，分析其变化趋势评价围岩与支护结构系统可靠性，以达到及时 调整支护参数和进行施工决策的目的[25]。 （1）施工监测的主要内容 巷道施工监测的内容涵盖了巷道围岩支护结构力学体系的各个方面，包括位移、 应力、应变、压力等，量测项目主要包括地质描述、拱顶沉降、周边收敛、地表沉降、 围岩内部位移、围岩压力、支护结构应力、锚杆轴力和抗拔力等[26]。目前较常用的监测 项目有巷道地质观察、拱顶沉降、周边收敛等。 （2）监测手段 西安科技大学硕士学位论文 6 巷道施工监测仪器设备精度高低、自动化程度、环境适应能力、可操作性等性能决 定了监测在施工中的应用程度。虽然监测技术在不断发展，但国内外巷道施工监测仪器 的开发较缓慢。目前国内外普遍采用的量测仪器有 ①位移方面水准仪、塔尺、经纬仪、钢尺、收敛计等仍然是主要设备，全站仪、 巷道断面仪等自动化程度较高的仪器在巷道施工中应用范围相当有限。 ②压力、应力量测方面各种压力、应力量测设备根究其传感器的种类分为电测类 和机械类，其中电测类又有电阻式、电感式、电容式及新型的压电式和压磁式；机械类 主要为钢弦式。 ③锚杆轴力、抗拔力量测方面锚杆轴力量测主要采用量测锚杆进行，其量测原理 与压力、应力量测原理上基本上相同。 （3）量测数据的处理及应用 量测数据的处理和应用， 是发挥巷道监测作用的关键， 不进行数据处理或不具备数 据处理、应用能力是当前巷道施工量测的主要问题。由于巷道结构分析的复杂性，对巷 道应力、压力量测数