垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究.pdf

分类号分类号 TD265 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究 刘刘 武武 阁阁 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温温 兴兴 林林 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二零一二二年年六六月月 论文题目论文题目 垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究 作者姓名作者姓名 刘刘 武武 阁阁 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向开采沉陷与环境保护开采沉陷与环境保护 指导教师指导教师 温温 兴兴 林林 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2012 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2012 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 NUMERICAL SIMULATION RESEARCH ON SAFE DISTANCE OF VERTICAL OVERLAP ROADWAY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Liu Wuge Supervisor Associate Professor Wen Xinglin College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 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。 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 work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 煤矿井下巷道数量众多，相互之间关系错踪复杂，巷道之间有的直接相交连通，有 的空间交错，为了保证巷道施工和煤矿生产的安全，常常需要知道空间两个相邻巷道之 间的距离，尤其当相邻巷道之间距离较短时，准确地确定两巷之间的最短距离对生产和 安全更是意义重大。 论文基于山西焦煤霍州煤电集团汾河公司三交河煤矿北区下组煤开采所面临的主要 问题，根据采区的基本情况、水文地质特征等，分析采区下部皮带巷开挖的可行性。通 过理论分析，分析了前人理论的不足之处，对巷道围岩的结构特征及应力环境的研究还 不够深入，研究工作也不够系统；不同的围岩结构和应力状态，有着显著的变化，其巷 道支护的要求也不同。根据文章研究的具体内容利用数值模拟的方法，模拟不同推进度 下围岩的应力、位移变化规律及塑性区分布规律，分析了不同推进度下围岩的应力、位 移变化规律及塑性区分布规律的不同，以确定合理的安全的巷道垂直间距。利用理论计 算的方法设计了锚杆支护参数，并结合矿井现有的支护方式及巷道施工工艺，设计了皮 带巷的施工工艺。 最后，为了验证理论分析和数值模拟的结论，以垂直于皮带巷的上部北区石门为研 究对象，利用现场实测的方法对其两帮及顶底板移近量和顶板离层进行研究，确定文章 研究的安全错距及支护方案是十分有效的。这种综合分析确定垂直重叠巷道的方法，具 有较高的可靠性和较好的应用价值，为其它类似地质和开采条件的矿区提供了重要的参 考价值。 关键词关键词垂直重叠巷道；安全距离；数值模拟；矿压观测 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT There are lots ofroadyway in coal-mine,the position relations between them is very complex,between the intersection of some direct connectivity,some space crisscross,in order to guarantee,the construction and coal mine production of safety,we often need between two roadway relatively is short,accurately determine the shortest diastance between two lane on production and safety is great significance. Based on the main problems of San Jiaohe coalmine which of coal electricity group of Shanxi Huozhou,according to the basic situation of the mining ,hydrogeology features,etc.Analysis the roadway deficiency of previous theory which on the features of the stracture of the surrounding rock and the stress environment study is not well,the research work and not enough system;different rock mass structure and stress state,has a significant change,the requirement of roadwy surrounding rock is different also. According to the specific content of the study of numerical simulation, the simulation of degree of different surrounding rock stress, displacement variation rules and the plastic zone distribution law, analyses of degree of different surrounding rock stress, displacement variation rules and the distribution laws of the plastic zone is different, to determine reasonable safety of vertical spacing. Using the of the design theory of bolt support parameters, and combined with the existing supporting and mine roadway construction technology, the design of the belt lane construction technology. Finally, in order to verify the theory analysis and numerical simulation conclusion, in a vertical belt in the upper portion of the alley northern shimen as the research object, using the of field measurement of the two help and top floor of roof abscission layer and closer study, this paper studies to determine the safety of the distance and wrong support plan is very effective. The comprehensive analysis to determine the of vertical overlap, has a high reliability and good application, for other similar geological and mining conditions of mining area provides important reference value. Keywords Vertical overlap roadway;Safety distance; Numerical simulation; Mine pressure observation 山东科技大学硕士学位论文 目 录 目目 录录 1 绪绪 论论 ................................................................................................................ 1 1.1 课题研究的目的和意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................ 2 1.3 课题研究的主要内容及技术路线 ............................................................................ 6 2 巷道围岩的控制理论研究巷道围岩的控制理论研究 .............................................................................. 9 2.1 工程概况 .................................................................................................................... 9 2.2 巷道围岩稳定性理论研究 ...................................................................................... 11 2.3 锚杆支护机理研究 .................................................................................................. 12 2.4 小结 .......................................................................................................................... 20 3 垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究垂直重叠巷道安全距离数值模拟研究 ........................................................ 21 3.1 模拟软件选择 .......................................................................................................... 21 3.2 数值模型的建立及参数选取 .................................................................................. 21 3.3 数值模拟结果分析 .................................................................................................. 23 3.4 小 结 ........................................................................................................................ 36 4 下部皮带巷支护方案及施工工艺研究下部皮带巷支护方案及施工工艺研究 ........................................................ 38 4.1 支护方案设计 .......................................................................................................... 38 4.2 施工工艺 .................................................................................................................. 40 4.3 小结 .......................................................................................................................... 43 5 垂直重叠巷道矿压显现规律研究垂直重叠巷道矿压显现规律研究 ................................................................ 44 5.1 现场实测目的和内容 .............................................................................................. 44 5.2 监测方法 .................................................................................................................. 45 5.3 矿压观测结果与分析 .............................................................................................. 46 5.4 小结 .......................................................................................................................... 50 6 主要结论及研究展望主要结论及研究展望 .................................................................................... 51 6.1 主要结论 .................................................................................................................. 51 6.2 论文中的不足及研究展望 ...................................................................................... 52 致致 谢谢 .................................................................................................................... 53 山东科技大学硕士学位论文 目 录 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 54 攻读硕士期间的主要研究成果攻读硕士期间的主要研究成果 .......................................................................... 59 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction......................................................................................................1 1.1 Raising of project and research significance..1 1.2 Current research situation of Domestic and Oversea.2 1.3 Main research contents and s.6 2 Study the surrounding rock control theory9 2.1 Project summary ....9 2.2 Study the stability of surrounding rock of theoretical..11 2.3 study the bolt support theory.12 2.4 Chapter Conclusion..20 3 Vertical overlap safe distance of numerical simulation..21 3.1 Introduction of Numerical Simulation Software .....21 3.2 Establishment of numerical calculation model and Selection of parameters22 3.3 Analysis the result of numerical simulation...23 3.4 Chapter Conclusions...36 4 The lower belt lane and the construction technology support scheme....38 4.1 Support scheme design ..38 4.2 Construction technology ..40 4.3 Chapter Conclusions....43 5 Vertical overlap roadway mine pressure regularity study appeared 44 5.1 Contents and s of the Actual measurement...44 5.2 Detection 45 5.3 Mine pressure observation results and analysis ....46 5.4 Chapter Conclusions50 6 Conclusions and View.51 6.1 Main conclusions51 6.2 Shortages of the dissertation and research prospect52 Thanks53 Main Reference Documents..54 Main Work Achievement of the Author during Studying on Master Paper.59 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 煤炭在我国一次能源结构消耗中占 60以上[1-4]，而且根据有关专家预测在未来几十 年内，我国以煤为主的能源结构不会改变，煤炭所占比例仍在 50以上[4]，煤炭不仅是 重要的工业原料而且可以从煤炭中提取很多种工业产品，这些工业产品都是我国现代化 建设和人民生活所必须的。因此煤炭工业在国民经济中的基础地位将是长期稳固的。随 着我国综采技术的广泛应用和矿井向深部延伸，出现了一系列的复杂困难条件，因此研 究垂直重叠巷道的安全距离对合理开发和充分利用地下资源，改善煤矿地下工作环境， 促进煤炭企业的健康发展都具有重大意义。 煤矿井下巷道数量众多，相互之间关系错踪复杂，巷道之间有的直接相交连通，有 的空间交错，为了保证巷道施工和煤矿生产的安全，常常需要知道空间两个相邻巷道之 间的距离，尤其当相邻巷道之间距离较短时，准确地确定两巷之间的最短距离对生产和 安全更是意义重大。 为了北采区运输石门安全，保证起在服务年限内的正常使用，在开拓下部西区皮带 巷时，应对其与北石门的垂直间距进行确定，以免上部石门受到破坏影响运输，同时避 免下部北区西皮带巷因应力集中导致的严重破坏，对矿井生产造成影响。目前，如何确 定下组煤西皮带巷与正上方北石门安全距离成为首要问题。因此，应根据北区石门和北 区西皮带巷的地质采矿条件，确定合理的安全距离实现合理有效的控制顶板破坏是本文 的重要研究内容。 虽然国内外进行了大量的关于巷道错距方面的研究，取得了丰富的实践经验，但是 上下重叠巷道安全距离的研究实例还不多，所以结合三交河煤矿北采区实际情况研究垂 直重叠巷道安全距离是很有必要。本课题正是基于这种理论和实践的需要选定的。 许多矿井煤层间距比较小或者煤层厚度比较大需要分层开采，在开采下部煤层时如 果巷道布置在围岩松动圈内使巷道支护就比较困难。因此针对北采区的实际情况研究垂 直重叠巷道的安全距离，并最大限度的保证两条巷道在服务年限内的安全，对实现矿井 的安全高效生产具有很重要的意义。 本论文根据北石门与北区西皮带巷的预想位置关系，对其进行安全距离的确定是首 要问题，在广泛调研的基础上，通过围岩松动圈理论、煤巷围岩的变形破坏机理、巷道 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 支护设计原理等理论分析，研究巷道破坏因素，通过巷道破坏应力分布分析，得到合理 的安全距离，不仅可以提高三交河煤矿巷道支护水平，维护运输系统巷道的良好工作状 态，确保掘进巷道的安全性，提高矿产资源的利用率，延长矿井的服务年限都有着深远 的意义，而且为同类矿井类似情况的施工技术提供了参考依据。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 巷道围岩破坏机理的研究巷道围岩破坏机理的研究 国内外采矿专家学者从各个方面对巷道围岩变形破坏机理做了长期深入细致的研 究，这些巷道围岩破坏机理主要是从岩巷到煤巷、静压巷道到动压巷道，然后逐步深入 到在煤矿各个方面，并对遇到的各种情况做了深入细致的分析[5-16]；而采用的方法也从 弹性、弹塑性方法发展到流变，现阶段弹塑性分析方法与流变分析方法仍是主流，但损 伤、断裂、扩容等也逐渐成为人们研究的热点[17-29]。 岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程，如地下井巷、 隧道等，而条件最为复杂、规模最打的地下工程主要是采矿工程中涉及到的如巷道、硐 室等岩石地下工程。 井下岩体在巷道开挖之前处于三向应力平衡状态，由于在岩体中开挖巷道（硐室） ， 从而破坏了巷道围岩原有的稳定性，巷道围岩在自身应力场的作用下出现应力的重新分 布，在巷道围岩周围一定范围内产生了应力集中现象，使在岩体中开挖的巷道（硐室） 产生裂隙或者围岩产生变形。不管开挖的巷道（硐室）围岩最终的状态是达到新的平衡 还是围岩破坏失稳，巷道的开挖都会产生一种不以人的意志为转移的巷道围岩的应力变 化而产生应力集中现象，巷道围岩的应力集中现象是巷道围岩通过自身重力的作用自行 组织以求达到稳定状态的可靠方法。 巷道围岩稳定性的研究成果主要是在 20 世纪中期以 来形成的，其中包括巷道围岩的弹性、弹塑性分析结果，利用复变函数来解围岩的弹性 平面问题，现代块体力学的围岩稳定性分析，软岩支护与新奥法理论技术，以及巷道或 者硐室稳定问题的各种数值模拟方法等。 从上世纪六十年代开始到现在又出现了许多的方法和理论用于巷道围岩稳定性的评 价， 其中包括考虑支护与围岩共同作用的弹塑性理论解和考虑围岩节理、 裂隙的计算解， 这些方法既可以用有限元法得到的，也可以通过运用解析解进行计算得出。范文、俞茂 宏、孙萍等人基于弹塑性理论，利用统一强度推导了巷道围岩压力的计算公式[30]。可以 根据不同的力学实验得出不同岩石材料的 b 值，从而计算得出巷道围岩压力及巷道围岩 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 塑性区半径的大小，而从公式中可以看出 b 值的大小对巷道围岩塑性区半径的大小影响 不大，与围岩塑性区半径关系较为密切的因素是巷道围岩的应力大小，因此在巷道支护 中应选择合理的支护形式和支护强度，使巷道围岩有一定的给定变形，产生一定范围的 围岩塑性区，使巷道长期处于稳定状态，而且达到效益最大化。虽然本次计算是在摩尔- 库伦强度准则的基础上进行的计算，但是其结果还是有一定程度的可信性。 李明远、王连国教授等[31]从软岩巷道围岩的特点出发，利用相关的理论分析及现场 实测数据，将岩石全应力应变曲线分段线性化，并运用摩尔-库伦准则，得出了轴对称软 岩巷道的弹塑性应力及位移的解析解， 将巷道划分为弹性区、 塑性软化区及残余强度区， 并得出各个区间内的位移及应力函数，并对注浆加固后的软岩巷道进行了讨论，得出了 巷道注浆加强支护后的应力位移的解析解。 翟所业[32]运用德鲁克-普拉格准则并考虑巷道围岩屈服受中间主应力的影响等因素 的条件下，推导出了深埋圆形巷道塑性区半径及应力的解析解，并且比较全面的分析了 影响巷道围岩塑性区半径及巷道围岩位移的各种因素，并对各种塑性区半径计算公式进 行了系统的分析和对比，最终说明了中间主应力对于巷道围岩稳定性的影响。 蒋斌松、张强、贺永年[33]等主要研究了巷道围岩应力及位移随采深变化的关系，深 埋巷道在高地应力的作用下，巷道围岩的破裂范围比浅埋煤层的破裂范围大，而且往往 围岩变形破坏的时间比较长。并且根据长圆形巷道围岩的破坏特点将巷道围岩分为破裂 区、塑性区和弹性区，而且根据摩尔-库伦准则和非关联弹性分析的方法获得了应力与变 形的封闭解析解。并且通过利用在弹性区和塑性区交界处应力连续性和径向应变连续性 的条件，通过理论分析得出了塑性区和塑性半径的表达式，并且在分析具体工程的基础 上说明巷道支护对围岩稳定性的影响。 在长期的岩体工程实践中，人们注意到工程岩体的应力场、物理力学性质、变形破 坏特征等均具有显著的时间效应。在井下巷道特别是软岩巷道和复制困难巷道的重要特 点就是持续变形，也是巷道控制的难点之一。在部分软岩巷道和复杂困难巷道的底板鼓 出的岩石有时会是巷道掘进量的几十倍，利用现有的围岩变形理论是很难解释的，因此 就需要我们引入岩石流变的概念对巷道围岩的变形计应力变化进行研究。 随着 20 世纪流 变学的成熟[34-43]，E.H.Lee 和中国的陈宗基教授等率先开展了流变学在岩土工程领域的 研究。陈宗基教授运用岩石流变的概念研究了金川矿区巷道围岩稳定性问题，认为地下 任何岩体受压时都会产生缓慢的流变， 但在各向应力的作用了地下岩体仍处于平衡状态， 而当巷道开挖后破坏了地下的原岩应力场，巷道围岩会随着时间向巷道空间缓慢移动； 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 巷道围岩长期的强度的变化影响着开挖后巷道的长期稳定性。在陈宗基研究围岩稳定性 理论的基础上，我国学替他的学者应用流变理论对巷道的变形破坏又进行了新的论述 [44-53]。 梁先发[54]通过研究围岩应变软化的圆形巷道受水力作用的情况得出了粘弹性解析 解，并运用理论分析和现场实测的方法分析验证了不同围岩应力残余强度对巷道围岩变 形的影响，通过分析认为可以通过适当听过巷道围岩残余强度的方法来可以成倍的减小 巷道支护体的受力情况，因此认为通过提高支护体的强度可以有效的控制巷道围岩的变 形量，改变巷道被动支护的强度要求。卢爱红、茅献彪、彭维红[55]等认为软岩巷道具有 一般巷道不同的性质，从而导致了巷道围岩具有较长时间的流变特性，巷道围岩的稳定 性问题较其他的巷道会变得更加复杂，软岩巷道的围岩稳定性问题就成为复杂的岩石力 学问题，利用巷道围岩与支护体相互作用的条件，运用弹黏塑性理论对软岩巷道的围岩 位移、支护体阻力和黏性系数和时间的关系进行了深入细致的研究，认为黏性系数与时 间成负相关的关系，可以通过减小巷道围岩的黏性系数来控制巷道围岩的变形。 焦春茂[56]、王汝嘉[57]等利用线性粘弹性的对应原理得出了关于粘弹性岩石中井筒的 井壁压力及位移的理论解，这个理论解可以用于不规则形状的井筒或者巷道，将解决弹 性问题的边界元法或其它任一种数值方法结合 Laplace 变换的数值方法来求得粘弹性接 触问题的数值解，并通过具体的实例进行分析对比，而且结果证明数值方法可推广到处 理围岩与衬砌两者都具有粘弹性的不均质情况。 李忠华、潘一山[58-60]等认为由于井下巷道的掘进而改变了巷道围岩的应力状态，使 巷道围岩为了达到新的平衡状态而发生应力重新分布，在巷道围岩周围就会产生应力集 中区，由于应力集中区的存在而使得巷道围岩发生变形，如果巷道布置在高应力围岩的 应力集中区内巷道的围岩会发生更大的变化，因此必须准备的得到巷道围岩的应力集中 区及应力分布规律，为巷道围岩变形破坏及巷道围岩稳定性分析提供理论依据。 1.2.2 巷道支护理论研究巷道支护理论研究 国内外许多的专家学者对巷道围岩的稳定性做了系统理论的分析，研究表明，巷道 位置、围岩性质及顶与煤层底板的垂直间距影响着巷道围岩的稳定性。砌碹支护和金属 支架支护等属于被动支护，在支护的初期不受采动的影响而不承受较大的支撑压力，而 在采动影响范围内会承受较大的支护，往往是很难控制巷道围岩的大变形。通过实践和 理论证明，无论是主动支护还是被动支护都运用了以下两点一是最大程度的运用巷道 围岩的自承能力，二是最大程度的发挥巷道支护体的支护性能。国内外专家学者对巷道 山东科技大学硕士学位论文 绪论 5 支护理论进行了大量的研究，并在支护领域形成了几种最具代表性的理论。 1.2.2.1 新奥法理论[30] 新奥法是 60 年代奥地利专家 LVRabcewicz 在总结前人经验的基础上提出来的一套 隧道设计、施工新技术。新奥法理论是建立在岩石的刚性