王家寨煤矿深井复合型软岩巷道围岩控制技术研究.pdf

分类号分类号 TD32TD32TD32 TD32 密密级级公公开开 U U U U D D D D C C C C 单位代码单位代码104241042410424 10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 王家寨煤矿深井复合型软岩王家寨煤矿深井复合型软岩王家寨煤矿深井复合型软岩 王家寨煤矿深井复合型软岩 巷道围岩控制技术研究巷道围岩控制技术研究巷道围岩控制技术研究 巷道围岩控制技术研究 高高 相相 佐佐 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域名称领域名称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名秦秦 忠忠 诚诚职职称称教教授授 副指导教师姓名副指导教师姓名苏苏 德德 国国职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年十月二零零六年十月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 王家寨煤矿深井复合型软岩王家寨煤矿深井复合型软岩王家寨煤矿深井复合型软岩 王家寨煤矿深井复合型软岩 巷道围岩控制技术研究巷道围岩控制技术研究巷道围岩控制技术研究 巷道围岩控制技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 高高 相相 佐佐入学时间入学时间入学时间 入学时间 200420042004 2004 年年 5 5 5 5 月月 领域名称领域名称领域名称 领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 矿山压力与控制矿山压力与控制 指导教师指导教师指导教师 指导教师 秦秦 忠忠 诚诚职职职 职 称称称 称 教教授授 副指导教师副指导教师副指导教师 副指导教师 苏苏 德德 国国职职职 职 称称称 称 高高 级级 工工 程程 师师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200620062006 2006 年年 9 9 9 9 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200620062006 2006 年年 101010 10 月月 292929 29 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 SURROUNDINGSURROUNDINGSURROUNDING SURROUNDING ROCKROCKROCK ROCK CONTROLCONTROLCONTROL CONTROL TECHNIQUETECHNIQUETECHNIQUE TECHNIQUE ABOUTABOUTABOUT ABOUT DEEPDEEPDEEP DEEP MINEMINEMINE MINE COMPLEXCOMPLEXCOMPLEX COMPLEX SOFTSOFTSOFT SOFT ROCKROCKROCK ROCK ROUNDWAYROUNDWAYROUNDWAY ROUNDWAY INININ IN WANGWANGWANG WANG JIAZHAIJIAZHAIJIAZHAI JIAZHAI COLLIERYCOLLIERYCOLLIERY COLLIERY A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF EngineeringEngineeringEngineering Engineering fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by GaoGaoGao Gao XiangzuoXiangzuoXiangzuo Xiangzuo SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor QinQinQin Qin ZhongchengZhongchengZhongcheng Zhongcheng CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering OctoberOctoberOctober October 200200200 200 6 6 6 6 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，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。于其它任何学术机关作鉴定。 工程硕士生签名工程硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertationdissertationdissertation dissertation , , , , tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementrequirementrequirement requirement forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of engineeringengineeringengineering engineering ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been submisubmisubmi submi ttedttedtted tted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDate 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 摘摘要要 深井开采是国内外目前部分矿区面临的主要问题，也是煤炭工业可持续发展中需要 十分重视和研究的课题。而深井矿压显现规律及其控制技术，特别是深井软岩支护问题 已成为我国煤矿深井开采中越来越突出的问题，是目前煤矿深井开采迫切需要解决的技 术难题。 本文从煤矿软岩巷道工程的力学及变形特性分析出发，在已有的深井软岩巷道支护 基本理论的基础上，通过运用围岩力学分析、数值模拟及现场试验等方法，就软岩巷道 工程的变形力学机制，煤矿软岩巷道工程围岩控制，煤矿软岩巷道工程锚网索耦合支护 技术等方面进行了研究，结合王家寨煤矿-510 南翼总回风巷软岩巷道工程具体特点，探 索出了有效的软岩巷道锚网索耦合支护技术，并在现场进行了工业性试验，取得了较好 的应用效果，为下一步矿井软岩巷道工程围岩有效控制奠定了基础。 关键词关键词深井开采复合型软岩巷道工程围岩控制耦合支护 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT The deep mine mining is the main question which the domestic and foreign present partial mining areas face, and it is also the research topic in the coal industry sustainable development needs to take extremely with. But the appearance rules and the control technique of the deep mine ground pressure, specially the deep mine soft rock support problem has become the more and more prominent problems in deep mine mining in our country, and it is the difficult technical problem which needs to be solved urgently in present deep coal mine extraction. Based on the elementary theory in the deep well soft rock roadway support, this article embarks from the mechanics and the distortion characteristic analysis of coal mine soft rock project, by using the s of surrounding rock mechanics analysis, numerical simulation and field test, the following aspects were studied, such as, the soft rock roadway engineering deation mechanics mechanism, the surrounding rock control of the coal mine soft rock roadway engineering, the anchor wire rope coupling support technique of the deep coal mine soft rock roadway project. According to concrete characteristics of the -510 south wing main return airway projects inWangJiazhai coal mine, the effective anchor wire rope coupling support technique has been presented. It has been carried on the industrial experiment in the scene, obtained good application result. The research result has laid the foundation for the next step of surrounding rock control of the coal mine soft rock roadway engineering. KeyKeyKey Key wordswordswords words deep mine extraction, complex soft rock, roadway engineering, surrounding rock control, coupling support 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 1 1 1 1.1 课题的提出及意义1 1.2 研究现状综述2 1.3 研究内容及方法5 2 2 2 2 煤矿软岩巷道工程分类煤矿软岩巷道工程分类煤矿软岩巷道工程分类 煤矿软岩巷道工程分类 综述综述综述 综述 7 7 7 7 2.1 软岩的概念7 2.2 软岩的基本力学属性9 2.3 软岩的工程分类体系11 2.4 软岩的工程力学特性14 3 3 3 3 软岩巷道工程的变形力学机制软岩巷道工程的变形力学机制软岩巷道工程的变形力学机制 软岩巷道工程的变形力学机制 171717 17 3.1 物化膨胀型的变形力学机制18 3.2 应力扩容型的变形力学机制19 3.3 结构变形型的变形力学机制20 4 4 4 4 煤矿软岩巷道围岩控制煤矿软岩巷道围岩控制煤矿软岩巷道围岩控制 煤矿软岩巷道围岩控制 对策对策对策 对策 2 2 2 2 1 1 1 1 4.1 煤矿巷道锚杆支护基本理论21 4.2 煤矿软岩巷道工程支护原理24 5 5 5 5 煤矿软岩巷道工程锚网索耦合支护技术煤矿软岩巷道工程锚网索耦合支护技术煤矿软岩巷道工程锚网索耦合支护技术 煤矿软岩巷道工程锚网索耦合支护技术 292929 29 5.1 锚网索耦合支护概述29 5.2 锚网索耦合支护原理30 5.3 锚网索耦合支护设计程序34 5.4 锚网索耦合支护设计内容34 5.5 锚网索耦合支护的施工38 6 6 6 6 王家寨煤矿软岩巷道工程支护实践王家寨煤矿软岩巷道工程支护实践王家寨煤矿软岩巷道工程支护实践 王家寨煤矿软岩巷道工程支护实践 414141 41 6.1 工程概况41 6.2 岩体结构42 6.3 原有支护及破坏情况42 6.4 锚网索耦合支护设计43 6.5 应用效果49 7 7 7 7 主要主要主要 主要 结论结论结论 结论 505050 50 参考文献参考文献参考文献 参考文献 525252 52 致致致 致 谢谢谢 谢 555555 55 山东科技大学硕士学位论文目录 C C C C ontentsontentsontents ontents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction 1 1 1 1 1.1Topic statements and the significance1 1.2 Present situation of study in home and abroad2 1.3 Research contents and the s5 2 2 2 2 C C C C oaloaloal oal mineminemine mine softsoftsoft soft rockrockrock rock roadwayroadwayroadway roadway classificationclassificationclassification classification andandand and mechanicsmechanicsmechanics mechanics characteristiccharacteristiccharacteristic characteristic 7 7 7 7 2.1 Concept of soft rock7 2.2 Basic mechanics attributes of the soft rock9 2.3 Enginnering classification system of the soft rock11 2.4 Engineering mechanics characteristics of the soft rock14 3 3 3 3 D D D D eationeationeation eation mechanicsmechanicsmechanics mechanics mechanismmechanismmechanism mechanism ofofof of thethethe the softsoftsoft soft rockrockrock rock roadwayroadwayroadway roadway enginneringenginneringenginnering enginnering 171717 17 3.1 Transation inflate deation mechanics mechanism18 3.2 Stress dilatancy deation mechanics mechanism19 3.3 structure degeneration deation mechanics mechanism20 4 4 4 4 SurroundingSurroundingSurrounding Surrounding rockrockrock rock controlcontrolcontrol control ofofof of coalcoalcoal coal mineminemine mine softsoftsoft soft rockrockrock rock roadwayroadwayroadway roadway enginneringenginneringenginnering enginnering 2 2 2 2 1 1 1 1 4.1 Basic theories of bolting support in coal mines21 4.2 Support principles of coal mine soft rock roadway enginnering24 5 5 5 5 A A A A nchornchornchor nchor wirewirewire wire roperoperope rope couplingcouplingcoupling coupling supportsupportsupport support techniquetechniquetechnique technique ininin in coalcoalcoal coal mineminemine mine softsoftsoft soft rockrockrock rock roadwayroadwayroadway roadway 292929 29 5.1 anchor wire rope coupling support 29 5.2 principle of anchor wire rope coupling support30 5.3 Design procedure of anchor wire rope coupling support34 5.4 design content of anchor wire rope coupling support34 5.5 construction of anchor wire rope coupling support38 6 6 6 6 SupportSupportSupport Support practicepracticepractice practice ofofof of softsoftsoft soft rockrockrock rock roadwayroadwayroadway roadway enginneringenginneringenginnering enginnering ininin in WangWangWang Wang JiazhaiJiazhaiJiazhai Jiazhai collierycollierycolliery colliery 414141 41 6.1 enginnering introduction41 6.2 rock mass structure42 6.3 The situation of the original support and destruction42 6.4 anchor wire rope coupling support designs43 6.5 application effect49 7 7 7 7 MainMainMain Main ConclusionsConclusionsConclusions Conclusions 505050 50 MainMainMain Main referencereferencereference reference documentsdocumentsdocuments documents 525252 52 ThanksThanksThanks Thanks 555555 55 山东科技大学硕士学位论文绪论 - 1 - 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 课题的提出及意义课题的提出及意义课题的提出及意义 课题的提出及意义 1.1.11.1.11.1.1 1.1.1 课题提出课题提出课题提出 课题提出 软岩工程是指与塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，如软岩边坡问题、软岩隧道 及软岩巷道工程等，其支护问题从 20 世纪 60 年代起就作为一个世界性的难题被提了出 来。煤矿软岩巷道工程作为软岩工程中的一个主要组成部分，由于其所处的复杂地质条 件，其支护问题也一直是困扰我国煤炭生产的一个主要难题。目前，我国原煤产量达 24 亿 t/a，居世界之首。每年掘进的巷道量达 8000 余千 m，其中 10％以上的矿井巷道为软 岩巷道。另外，在我国随着煤炭的持续开采，浅、中部煤炭资源越来越少，煤炭生产不 得不逐步往深部转移。我国井工开采的煤矿开采深度平均每年以 8～12m的速度递增， 并且随着开采规模的扩大和机械化水平的提高，煤炭生产矿井向深部发展的步伐正在加 快。随着开采深度的增加，软岩矿井的数量也在不断增加。从中国北方的内蒙古大雁矿 区到南方的广西那龙矿区，从西部的新疆九道岭矿区到东部的山东龙口矿区，从古生代 石炭二叠纪的煤系地层逐步发展到中生代侏罗纪煤系地层，以及涉及到新生代第三纪煤 系地层，都出现了软岩工程问题。据不完全统计，我国有软岩的单位有黑龙江的鹤岗、 鸡西，吉林的辽源梅河矿区、通化、舒兰、珲春，辽宁的抚顺、阜新、铁法、沈阳，内 蒙古的大雁、平庄，河北的开滦、邢台、邯郸、峰峰，山东的龙口、新汶，河南的平顶 山、郑州，江苏的徐州、大屯，浙江的长广，安徽的淮南、淮北，江西的萍乡，湖南的 涟邵，四川的芙蓉、松藻，贵州的盘江、水城、六枝，云南的田坝、小龙潭、邵通，广 东的茂名，广西的那龙、右江，陕西省的铜川、韩城，甘肃的靖远、华亭、阿干，新疆 的乌鲁木齐，宁夏的石嘴山，青海的大通等等。然而，由于多年来关于软岩的概念、软 岩工程设计等理论问题，国内外尚无定论，给工程应用带来了诸多不便，特别是科技力 量的不足、研究手段的简单、软岩巷道设计与施工理论的陈旧，不能满足基建生产单位 实践指导的需要，大部分基层生产单位处理软岩问题时，仍处在经验支护状态，盲目性 大、针对性差、成功率低，给煤炭安全生产带来了危害，延误了工期，造成了大量的资 金浪费，严重影响了企业经济效益。可以说，煤矿软岩巷道支护已经成为世界上大多数 主要采煤国家目前面临并须及时解决的问题之一。 山东科技大学硕士学位论文绪论 - 2 - 1.1.21.1.21.1.2 1.1.2 研究目的及意义研究目的及意义研究目的及意义 研究目的及意义 软岩问题给煤炭工业的生产和经营带来的困难不断增加，需要采取一系列相应的技 术措施，由此提出和形成的深井开采技术，既是国内外当前一部分矿区和矿井面临的问 题，也是煤炭工业在长远发展中需要十分重视和研究的问题。矿压控制技术是煤矿深井 开采的主要技术之一，深井矿压显现规律及其控制技术是我国煤矿深井开采迫切需要解 决的课题，而作为深井巷道控制的难点，解决深井软岩巷道的围岩控制技术，是解决深 井矿压显现规律及其控制技术问题中的重中之重，也是对我国煤炭工业的持续发展有着 极其重要意义的研究之一。 另外，随着矿井开采深度的逐渐增加，软岩支护问题暴露的更加突出。近年来，虽 有诸多科技工作者在不同地质条件矿区开展了多种形式的课题研究，但终因各方面的原 因，目前仍难以形成具有广泛推广应用价值的研究成果。而在软岩巷道围岩条件下的岩 层控制技术研究，在国内外文献资料中也亦为少见。随着煤炭资源开采强度的加大和时 间的延长，地质条件相对简单的浅部煤层资源在逐步减少，尤其在我国的东部地区，已 越来越少，许多煤矿特别是地方煤矿的煤系地层已经不可避免的出现了软岩问题，地 质条件及开采技术条件越来越复杂，巷道及采场顶板支护成本越来越高，而安全生产保 障程度也越来越低，造成了矿井安全技术管理难度的增大和矿井经济效益的降低。本课 题的研究，是根据软岩工程的基本理论、软岩巷道工程特点、软岩的工程力学特性、变 形力学机制等因素，提出巷道破坏的一般规律并提出其解决的方法、途径和手段。 1.21.21.2 1.2 研究现状综述研究现状综述研究现状综述 研究现状综述 1.2.11.2.11.2.1 1.2.1 国外研究现状国外研究现状国外研究现状 国外研究现状 ⑴古典压力理论 20 世纪初发展起来的以海姆A.Haim、朗金W.J.M.Rankine和金尼克理论为代表的 古典压力理论认为 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量H。 其不同之处在于 海姆认为测压系数为 1，朗金根据松散体理论认为是 tan245-φ/20，而金尼克根据弹性理 论认为是μ/1-μ，其中μ、φ、分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质量。 ⑵坍落拱理论 随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论存在着许多方面都不符合实际之处， 山东科技大学硕士学位论文绪论 - 3 - 于是坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基K.Terzaghi和普氏理论坍落拱理论认为坍 落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则 认为坍落拱形状呈抛物线性。 坍落拱理论的最大贡献在于提出了巷道围岩具有自承能力。 ⑶新奥法 20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 在总结前人经验的基础上，提出了一 种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法。 1980 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为在岩体或土体中设置 的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法 的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道， 促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分， 是围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支撑环。 ⑷应变控制理论 日本山地宏和樱井春提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为巷道围岩的应 变随支护结构的增加而减小，而允许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过增加 支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。支护结构的设计则是在由工 程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 ⑸能量支护理论 20 世纪 70 年代，萨拉蒙等又提出了能量支护理论，该理论认为支护结构吸收一 部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围 岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 1.2.21.2.21.2.2 1.2.2 国内研究现状国内研究现状国内研究现状 国内研究现状 ⑴岩性转化理论 中国著名岩土专家陈宗基院士在 20 世纪 60 年代从大量工程实践中总结出岩性转化 理论。该理论认为同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境工程条件下，会产 生不同应力应变，以形成不同的本构关系。坚硬的花岗岩，在高温高压的工程条件下， 产生了流变、扩容，并指出，岩块的各种测试结果与掩体的工程设计应有明显的区别。 强调岩体是非均质、 非连续的介质， 岩体在工程条件下形成的本构关系绝非简单的弹塑、 弹黏塑变形理论特征。 ⑵轴变论理论 山东科技大学硕士学位论文绪论 - 4 - 于学馥教授等提出轴变论理论认为巷道坍落可以自行稳定，可以用弹性理论进行 分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道轴比，导致应力 重新分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展， 直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。今年来， 于学馥教授等运用系统论、热力学理论提出开挖系统控制理论。该理论认为开挖扰动 破坏了岩体的平衡，这个布平衡系统具有自组织功能。 ⑶联合支护理论 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发 展