东海矿三采轨道下山底鼓控制研究.pdf

中图分类号 旦3 5 3学校代码 6 2 2 黑龙江科技大学 I I Y I I r l M 2 f l l 5 I I M l I J 4 M 1 2 J J I I I l 6 f I I M 5 工程硕士学位论文 东海矿三采轨道下山底鼓控制研究 S T UD YONT HEC ON T R O LL ING OF F L O ORHE A V E F O R T HET HIR D MININGSE C T IONT R A CKR O A D W A Y IN D O NGH A IMINE 作者 三墓麦 申请学位 王猩亟 工程领域芷些王猩 答辩委员会主席量渔逦 导师 陵渔速王会至 培养单位童返皇巫墟工猩堂陵 研究方向速部五墨堡途量撞鲞 评阅人塞9 丞童 二。一三年六月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人 所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 室、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致，论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 ⋯名趟沁⋯胳名弘够斟翩虢 少侈年6 月『7 日 A 峰6 窍17 B弘7 7 年f 月，7 日 ．童忍等 论文审阅认定书 研究生至甚生在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我 的指导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述 和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本 论文作为学位申请论文送专家评审。 校捌撇严‘够槲聊虢 乃，歹年多月，7 日 力J 净石月『7 日 ．忍嗡 致谢 本文是在导师陈海波副教授的悉心指导下完成的。在两年的研究生学习期 间，陈老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不致的关怀 和照顾。导师在论文的选题、研究方法、撰写等各个方面都倾注了大量的心血 和精力。特别是他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、精益求精 的科研作风，兢兢业业的工作精神深深感染和鞭策着我，使我受益匪浅。正是 导师及时的启发、帮助与鼓励，才使得论文得以顺利完成。 师恩似海，在此谨向导师致以深深的谢意和崇高的敬意 感谢黑龙江科技大学资源与环境工程学院的的各位老师，他们在我攻读硕 士学位期间的学习、生活中和论文开题过程中给予了极大的帮助。 感谢我的师兄吴祥业、姜海峰和师弟曹仁举在我论文的写作期间对我的极 大帮助。 感谢我的同学王洪波、时起磊、李留辉、刘刚等在我论文的写作期间对我 的帮助。 感谢我的父母，感谢他们在我近二十年的读书生涯中辛勤地养育着我，并 在精神上给予鼓励和鞭策。 向那些曾在学习和生活中给予关心和帮助的各位老师、同学和朋友们表示 衷心的谢意。 在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，在参考文献中已将作者列出， 但难以保证没有遗漏。在此，向所有的作者表示衷心感谢。由于水平和时间有 限，论文中难免有不当和不足之处，诚挚的恳请各位专家、教授给予批评、指 正。衷心的感谢各位专家、教授、评委在百忙之中审阅我的论文和参加答辩。 摘要 底鼓是煤矿深部开采巷道中最常见的现象之一，也是目前地下开采特别是 深部开采面临的急需解决的工程问题。本文针对鸡西东海煤矿三采2 3 绞车道发 生破坏性底鼓的问题，首先通过测试该条巷道的顶底板和两帮的岩样获得了该 条巷道顶底板和两帮围岩的力学强度并结合现场观察以及该采区实际地质环 境，分析了该条巷道产生破坏性底鼓的原因。然后在所收集到的地质资料和该 条巷道的围岩力学参数的基础上利用F L A C 3 D 数值模拟软件建立了该条巷道的 力学模型。运用数值模拟计算模拟所建立的巷道模型在未支护和原支护作用下 巷道围岩的应力和应变，并结合模拟的结果指出原支护对该条巷道产生的作用 和不足。再以分析的结果为基础提出优化原巷道支护参数的方案。因此决定对 巷道底板进行全长锚固。最后提出了三个锚固底板的方案，并继续用数值模拟 一一模拟模型在这三个支护方案下的巷道围岩应力和应变，对模型在这些支护 方案下产生的效果进行经济和技术比较，进而选择最优的支护方案即每排一对 底角锚杆加三根垂直锚杆，底角锚杆角度与水平方向成4 5 。，锚杆长度为1 ．7 m ， 排间距均为6 0 0 m m 。最后再在最优支护方案的基础上进行新的支护设计以更好 的控制该条巷道底鼓和便于现场应用。 该论文有图4 5 幅，表3 个，参考文献5 3 篇。 关键词巷道底鼓；轨道下山；数值模拟；控制技术 A b s t r a c t F l o o rh e a v ei So n eo f 也em o s tc o m m o np h e n o m e n o ni nd e e pc o a lm i n e r o a d w a y ，a n dt h i se n g i n e e r i n gp r o b l e mi sc u r r e n t l yn e e d e dt ob er e s o l v e d f o r u n d e r g r o u n dm i n i n ge s p e c i a l l yf o rd e e pu n d e r g r o u n dm i n i n g ．T h i sp a p e rc o n t r a r yt o t h ep r o b l e mt h a tt h et h i r dm i n i n gs e c t i o n2 3T r a c kR o a d w a yi nd o n g h a im i n eh a v e e m e r g e dd e v a s t a t i n gf l o o rh e a v e ．C o l l e c t i n gt h er o c ks a m p l e so ft h er o o f , f l o o ra n d s i d e so ft h a tr o a d w a y , a n do b t a i n i n gt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h es a m p l e sb y t e s t i n gt h es a m p l e si nt h el a b o r a t o r y ．A n da n a l y z i n gw h yt h er o a d w a ye m e r g e d d e v a s t a t i n gf l o o rh e a v eb yo n s i t eo b s e r v a t i o na n dt h ea c t u a lg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t i nt h a tm i n ea r e a ，U s i n gt h eF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et Ob u i l dt h e m e c h a n i c sm o d e lo ft h a tr o a d w a yw i t ht h ec o l l e c t e dg e o l o g i c a ld a t aa n dt h er o c k m e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft h a tr o a d w a y ，S i m u l a t i n gt h er o c ks t r e s sa n ds t r a i no ft h e b u i l d e dr o a d w a ym o d e lw i t hn o t h i n gs u p p o r t i n ga n do r i g i n a ls u p p o r t i n gb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ．A n dI n d i c a t i n gt h ee f f e c ta n ds h o r t a g eo ft h e o r i g i n a ls u p p o r t i n gt ot h er o a d w a y ．A n dt h e nt a k i n gt h ea n a l y s i sa sb a s i ct or a i s e p r o g r a mf o ro p t i m i z i n gt h eo r i g i n a ls u p p o r t i n g t ot h er o a d w a y ．S Ot h r e en e w s u p p o r t i n gp r o g r a mt os u p p o r tt h ef l o o ro fa l l t h er o a d w a yh a v eb er a i s e d 。 C o n t i n u i n gs i m u l a t et h es t r e s sa n ds t r a i no ft h er o a d w a yr o c k w i t ht h et h r e e s u p p o r t i n gp r o g r a mo n eb yo n e ．a n dt h em o d e le f f e c t w h i c he m e r g e db yt h o s e s u p p o r t i n gp r o g r a mh a v eb e e nc o m p a r e d E c o n o m i ca n dt e c h n i c a l ，a n dt h eb e s t s u p p o r t i n gp r o g r a mh a v eb e e ns e l e c t e d ．A se a c hr o w h a so n ep a i rb o t t o mc o r n e r a n c h o ra n dt h r e ev e r t i c a la n c h o r , t h ea n g l eo ft h eb o t t o mC o r n e ra n c h o ri s4 5 0 ，t h e l e n g t ho ft h ea n c h o ri s1 ．7 m ，t h es p a c i n g 谢t he a c hr o w i s5 0 0 m m ．A tl a s td e s i g n i n g an e ws u p p o r t i n gp r o g r a mb a s e do nt h eb e s ts u p p o r t i n gp r o g r a mt oc o n t r o l l i n gt h e f l o o rh e a v eb e t t e ra n dm o r ee a s eu t i 】i z e d ． K e y w o r d s f l o o rh e a v e ；T r a c kR o a d w a y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；C o n t r o lt e c h n o l o g i e s I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的依据和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究概况及发展⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．3 1 ．3 研究内容、方法、技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 巷道底板稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 巷道底鼓的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 巷道底鼓的力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 基于一个上限分析方法的巷道底板隆起稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 工程背景及围岩力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．1 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．⋯1 8 3 ．2 三采2 3 绞车道围岩力学参数测定⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 ．1 岩样物理力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 ．2 岩体物理力学参数确定．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯2 2 3 ．2 ．3 垂直原岩应力的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯2 3 3 ．3 本章小结⋯⋯．．．⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．2 4 4 巷道底鼓数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 模拟目的⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2F L A C 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．3 模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．2 5 4 ．3 ．1 数值模型的建立⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．4 数值模拟计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．2 7 4 ．4 ．1 原支护模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．4 ．2 原支护破坏因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．3 新支护数值模拟分析⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 I I I 5 工业性支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1 支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．4 3 5 ．1 ．1 锚注控制与参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯4 3 5 ．i ．22 3 绞车道支护参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．2 巷道支护施工顺序及要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．2 本文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 I V 1 绪论 1 绪论 1 ．1 选题的依据和意义 底鼓是煤矿巷道特别是深井巷道中最常见的现象之一，也是目前地下开采 特别是深部开采面临的急需解决的工程问题，底鼓表现为底板鼓起使巷道断面 缩小、阻碍运输、通风和人员行走。其中最突出的是阻碍运输，因为底板鼓起 通常使轨道严重变形，给电车的安全运行带来严重的威胁。面对底鼓为了保证 煤矿的安全高效生产，不得不每隔一段时间起底，不仅浪费了大量的人力物力， 也严重的制约了煤矿的高效生产。 我国煤炭资源埋深在1 0 0 0 m 以下的为2 ．9 5 万亿吨，占煤炭资源总量的 5 3 ．2 ％t 1 1 。而浅部资源由于近些年的大规模开采已经所剩无几了，为了保证煤炭 的供应，很多矿井都进入了深部开采。随着开采深度的增加巷道围岩的变形也 越来越严重，因此深部巷道围岩支护问题也越来越受到关注。当煤矿进入深部 开采后巷道底鼓是普遍存在的，有的是极其严重的。甚至出现综掘机在掘完巷 道后由于底鼓太大无法退出巷道的情况。可以说底鼓是制约深部开采最主要的 问题之一。 深部巷道围岩的矿压显现及力学特征表现为以下几个方面 1 巷道围岩及其支持体系所承受的压力大 由于原岩应力与围岩所处的深度呈线性增长，因此深部巷道的围岩的原岩 应力必然比浅部的要大，再加上深部岩体的构造应力要比浅部的大，水平应力 多大于垂直应力，而且深部巷道围岩的应力集中一般要比浅部的高。这几个因 素的叠加导致深部巷道围岩所承受的压力都大大的高于其自身的强度。 2 巷道产生严重变形 深部开采巷道围岩的一个显著特点是巷道变形量大，这甚至成为了限制深 部煤炭资源开采的主要问题。深部开采中巷道之所以发生大变形主要是与深部 围岩的应力大和深部围岩的力学特征共同作用的结果【2 J 。由于深部岩体在长时 间的高应力环境以及自身形成因素的影响下一般其节理极为发育，滑裂面多， 这造成了深部巷道围岩的岩体强度低。当巷道开挖后，新开挖的岩体周围迅速 产生高应力集中，形成大量的裂隙，围岩强度继续降低，破碎的巷道围岩在高 应力作用下大量的向巷道空间内挤入。同时由于深部巷道围岩的地温较高，由 于岩石的蠕变与温度的升高呈正比例关系，客观上也增加了巷道围岩的变形【3 J 。 3 巷道围岩长时间不稳定变形长期蠕变 由于深井巷道围岩所受到的压力大，围岩非常破碎，破碎面积大，这些都 硕士学位论文 会影响巷道围岩变形趋于稳定所需要的时间。所以导致深井巷道围岩长时间以 较高的速率向巷道空间内挤入。并且深部岩石在温度与地质因素的共同作用下 会长期发生流变【4 1 。 4 巷道底鼓量大 深部开采中井下巷道的另一个显著特点是巷道底鼓量大，而且在深井巷道 中是普遍存在的。对此前苏联的学者对一部分深井资料作了统计，统计结果显 示 a 随着开采向深部的延伸，即使巷道底板岩石强度不是很弱但是在在深 部高围岩应力作用下，巷道依然会产生严重性底鼓【5 ] ； b 巷道的底鼓量占到 了巷道在使用过程中巷道顶底板移进量的绝大部分。从中国目前的中东部煤矿 的统计资料可以看出目前我国深部矿井很多巷道有严重型底鼓。这主要是目前 底板大都不采用任何支护措施，而巷道的项板和两帮都作了较强的支护，造成 了底板是整个巷道的最薄弱面，从而导致两帮及底板岩体由巷道底板向巷道空 间挤压流动。 5 冲击地压发生的频率和强度随着开采深度的增大而增大 经大量的研究和资料记载，深部开采比浅部开采更容易引发冲击矿压，而 且冲击矿压发生的强度也比浅部的要强。经岩石力学研究证明煤、岩体因变形 所集聚的能量与煤、岩体所处的深度呈平方的关系[ 6 ] ，由于深部原岩应力大， 因此深部巷道围岩集聚了大量的能量，同时深部巷道周边应力集中系数也比浅 部的大，更加大了巷道周边围岩集聚的能量。一旦由于开采活动导致的岩体能 量释放速度比岩体自身裂碎所消耗的能量速度大时，就有可能引发冲击矿压， 从目前的统计资料可以看出在中东部煤岩体发生突出的几率和强度明显比过去 发生的高，有的甚至引发了地震，严重威胁井下和地面的人员和设施安全，这 也是制约深部开采的一个重要问题。 6 地温增高 从目前的中东部矿井的实测资料可以看出目前中东部的深部矿井的热害非 常严重，工作面和巷道等工作人员的工作场所温度都超过了3 0 度局部地区温度 5 0 度，某些机电硐室和机电巷道温度更高。工作人员中暑现象极为常见，这主 要是温度与距地表的深度呈线性关系，表达式为Y 戤【9 】，Y 为升高的温度， 工为开采深度的增加量，a 取0 ．0 3 ～0 ．0 5 。温度的增高将会导致巷道内水蒸气的 增大，水蒸气的增大更会加重工作人员的工作的不舒服，这些都影响工作人员 的工作效率，会导致工作人员意识的模糊，并可能会引发安全事故。另一方面 由于岩石的蠕变量和温度呈直接关系，温度的升高必然会导致巷道变形的加大。 7 瓦斯含量和水压力升高 开采深度的增加还会导致瓦斯含量和水压力的升高，这主要是温度的增加 2 1 绪论 必然导致有些吸附状态的瓦斯向游离状态的瓦斯转化，同时深部煤层的特性也 决定了深部开采井下瓦斯含量更高。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡 超过1 0 人的煤矿事故中约有7 0 ％出现在采深6 0 0 m 以下的矿井【l 0 1 。 其中巷道维护成为了深部开采的瓶颈问题，严重制约了深部煤炭资源的开 采。这是由于岩石本身的特性和深部围岩的应力环境决定的，深部的高应力环 境导致岩石本身存在大量的裂隙和节理，单个岩块强度较高但是岩体强度较低， 在受到采动影响后更加重了岩体的破碎性，在深部围岩的高应力作用下必然会 导致巷道周边岩体的大面积破碎，强度降低，在深部高应力作用下向巷道空间 内挤入，使巷道严重收缩。 巷道底鼓作为巷道变形的一个方面，有这自己本身的特点。底鼓作为巷道 围岩稳定性课题当中的特殊问题，长期以来前人对巷道围岩的变形机理作了大 量的探索和研究，先后形成了古典压力拱理论、塌落拱理论以及支护一围岩共 同作用理论等。这些理论的研究主要集中在控制巷道的项板和两帮的变形，对 于巷道底鼓未给予重视。这主要是过去开采大部分都处于浅部开采，底鼓发生 的几率很小，即使发生了其底鼓量也很轻微，不影响巷道的使用。同时也由于 底鼓机理的复杂性，又由于过去岩石力学的局限性也导致了底鼓在六十年代以 前的研究成果较少。但是随着浅部资源的枯竭，必然导致开采向深部发展，而 深部围岩应力环境的变化和围岩自身特性的变化导致了巷道底板底鼓成为了深 部巷道变形最为严重的区段，在开放式底板的情况下，底鼓约占巷道项底板移 进量的2 ／3 3 ／4 【1 5 】。 在很多矿井底鼓己成为了困扰矿井生产的重要问题。孔庄矿．7 8 5 轨道巷， 由于埋深很大，局部地区底鼓量达7 0 0 m m 。使电车轨道严重弯曲，严重影响矿 井的生产。淮南矿业集团丁集矿1 1 ．2 采区水泵房埋深为1 0 0 0 多米再加上此水 泵房所处的围岩地质条件较为复杂，顶底板围岩的岩层构造较为复杂。造成该 水泵房严重变形，原支护体系大面积失效，由于巷道变形过大造成水泵房的三 台水泵无法工作，使采区一度停止生产。鸡西东海矿三采2 3 绞车道由于巷道埋 深较大，并为煤层巷道，再加上此巷道处于上山保护煤柱之内，长期处于采区 应力集中区域并受采区采动的影响，导致该条巷道底鼓非常严重，最大底鼓量 为9 0 0 m m ，使巷道内铺设的轨道严重变形扭曲，为了保证采区的正常生产该矿 不得不组织了多次拉底，耗费了大量的人力物力。 1 ．2 国内外研究概况及发展 前苏联和德国由于自身煤炭开采量大和较早进入深部开采所以对于底鼓机 理的研究成果也最多，其中秦巴列维奇认为，底鼓现象的力学本质与松散土体 3 ⋯’‘一。 硕士学位论文 在由两个压模传给底板的荷重作用下压出的现象是一致的，应用极限平横理论 计算底鼓岩层作用在巷道支架上的压力【4 】；切尔尼亚克收集了大量底鼓的资料 并在这些实测数据的基础上用于数理统计的方法得到了一个预测巷道底鼓的经 验公式【_ 7 1 。R o c k w a yD ．J ．也通过大量的现场观测分析得出了巷道底板下6 米内的 岩层的岩体岩性对巷道底板是否发生底鼓具有重要影响u 引。 随着我国很多矿井进入深部开采，巷道底鼓也困扰了这些矿井的日常生产， 因此巷道底鼓也越发引起了国内学者的注意，并对此作了大量的研究工作，在结 合国外学者的成果也得出了很多自己的研究成果。其中姜耀东、陆士良提出了依 据底板岩层挤入巷道空间的方式、底板围岩的应力状态、底板围岩的岩性和巷道 围岩的地质环境将底鼓分为四个类型【4 ] 。姜耀东还通过对目前受底鼓困扰比较严 重的矿区比如淮南、龙口和平项山的现场观测，并在此基础上分析得出了在不同 的地质条件下煤矿巷道底鼓的规律和特征【2 1 1 ，康红普提出严重性底鼓主要是巷道 底板岩层首先发生失稳破坏，进而底板岩层将向巷道空间内弯曲。由于底板岩层 已经失稳，所以底板岩层将几乎不受限制的向巷道空间内挤入。对于微弱底鼓主 要是由于底板岩层在巷道两帮的压力作用下向巷道空间发生弹塑性弯曲变形，这 样的变形一般发生在开挖的初期，一段时间后底鼓量将不再增加。 王卫军和侯朝炯研究了回采巷道的底鼓与工作面超前支撑压力的关系，并以 此提出回采巷道之所以发生底鼓是因为巷道底板岩层在受超前支持压力作用后 底板岩层将会由于受拉产生离层，进而各个分层在水平应力的作用下向巷道空间 内压曲变形。王卫军还通过数值模拟软件模拟了巷道两帮煤体的强度对巷道底鼓 量的影响，得出了巷道两帮煤体力学强度越大巷道底鼓量会越小。并因此提出了 治理深井巷道底鼓可以通过加固巷道两帮的煤体的治理措施。而李学华则研究了 巷道的项板岩层的力学强度对巷道底鼓量的影响，通过数值模拟可以看出巷道顶 板岩层的力学强度对巷道的底鼓程度、巷道塑性区范围和巷道围岩的应力分布状 态有着重要影响。并由此提出了加固顶板岩层可以有效控制巷道的底鼓[ 1 3 ‘1 4 1 。 贺永年和何亚男主要通过现场观测的方法研究了茂名矿区软岩巷道的底鼓 全过程，并以此提出了该矿区的软岩巷道的底鼓全过程两帮和底板附近岩体在 顶板压力作用下一起下沉，导致底板岩层向巷道空间方向严重弯曲变形，进而底 板岩层发生断裂，最后底板鼓起。潘一山利用有限元软件和相似模拟实验相结合 的方法研究了巷道底板底鼓岩石的来源，并由此提出了巷道底鼓的岩石来源于巷 道两帮岩石，巷道两帮底部岩石。和底板岩石这三个部分【1 ‘卜1 8 】。李树清和一些学 者经研究认为加固底板岩层如对底板岩层支护将会大大的改善深部巷道的两帮 和顶板岩层的应力状况和变形【l 9 1 。 综上所述，国内外在底鼓机理研究方面取得的成果综合起来有 4 1 绪论 暑暑i 置罩暑宣暑置i 宣暑曩宣皇暑薯| 暑叠置■宣i 宣暑宣暑嗣宣i l- i 薯 1 巷道掘进后围岩应力发生变化造成巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷 道内鼓起； 2 巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，从而使底板受水平应力作用向巷道 内鼓起； 3 在上面两个方面的应力作用下底板破碎后产生体积扩大； 4 底板围岩的流变导致底鼓量随时间延长而增加； 5 巷道底板出现拉应变和两帮下沉从而导致底鼓； 6 水理作用，底板中含有某些粘土矿物如蒙脱石、伊利石等遇水后体积膨胀， 并使围岩强度降低，结构松散，易崩解，破碎。 1 ．2 ．1 底鼓控制技术研究现状 为了保证矿井的安全高效生产，尽量消除底鼓对生产的干扰，前人在经过很 多的研究和实践的基础上提出了一些限制底鼓发生及限制底鼓量的方法。这些方 法按照各自机理的不同分为支护加固法、卸压法和联合支护法。 1 支护加固法 支护加固法就是提高底板的围岩强度，用以抵抗底鼓的变形量。该方法是最 常用的控制底鼓量的方法。该方法主要有采用全封闭式巷道支架、混凝土反拱、 底板桁架、增加底板锚杆、底板注浆。这类方法一般适用于开拓巷道，其特点是 支护强度较高而且对巷道底板围岩的作用力也比较平均。 a ．全封闭式巷道支架、混凝土反拱、底板桁架 该方案的作用是通过这些支护结构的底梁来抵抗巷道底板向上的作用力， 从而控制底板岩层的离层、变形、鼓起。而且所施加的反作用力还可以在一定程 度上控制底板岩层的扩容和弯曲。混凝土反拱和底板桁架的支护强度非常高，但 是支护成本会很高，所以不能大范围应用，所以这两种支护方式一般用于永久性 巷道。 b ．底板锚杆、底板注浆 锚杆支护体系的力学机理能很好的限制巷道的顶板和两帮的变形，同样其 也能控制底板岩层的变形，其作用机理有两方面，一是将靠近底板的破碎岩层 和离底板较远处的未经破坏的岩层连接在一起，限制破碎岩层向巷道内移动。 另一方面可以形成组合梁从而增加围岩的强度。 2 卸压法 卸压法也可以有效的控制巷道底鼓，并且其机理与加固法还有所不同。加 固法是通过加固围岩的强度来抵抗巷道围岩及其支护体系所受到的应力，这必 然会降低巷道底板围岩的变形。而巷道底板卸压法则是通过改变巷道底板围岩 5 硕士学位论文 的应力状况，使巷道底板围岩处于应力降低区，所受到的应力小了也必然会降 低巷道底板围岩的变形。卸压法可分为卸压煤柱、切缝、打钻孔和松动爆破。 前苏联和美国等一些国家通过这些方法收到了一定的支护效果。 a ．切缝 在巷道底板切缝会产生两个效果一个是可以将巷道底板围岩所受到的最大 主应力转移至离巷道底板较远地方，这必然会加大围岩的支撑面积，支撑面积增 大了必然会加大巷道围岩抵抗变形的能力；另一个效果是切缝切出来的空间会给 巷道底板变形预留一部分空间，这也可以有效的控制巷道的底鼓量。切缝的形状、 深度、形状和切尔的时间把握都会影响切缝的效果，因此必须掌握好以上因素。 b ．打钻孔 在底板岩层打钻孔其力学机理与切缝一样使巷道底板围岩所受到的最大主 应力向深部岩层转移，并可以给巷道底板变形预留一定空间从而控制底鼓。 C ．松动爆破 在底板和底板两角进行松动爆破后，底板围岩会出现众多人为裂隙，从而造 就了一个卸压区，使应力转移到围岩深部。另外，爆破后巷道形状也发生了变化， 以矩形巷道为例，当未进行松动爆破时，其巷道基角处会有一个应力集中区。松 动爆破后，巷道形状变会倒的半圆拱，改善了巷道受力状态，减小了底鼓。 d ．卸压煤柱 这是在回采巷道中使用的一种控制底鼓的方法。卸压煤柱的作用主要是起到 传递应力的作用，而不是承受应力。当卸压煤柱压碎以后，可将作用在其上的应 力传递到较远的煤体上，降低对底板的压力，从而减小了巷道的底鼓量。 其实上面的几个方法控制底鼓的机理均在于将高应力向深部围岩转移，使巷 道围岩处于应力降低区。 3 联合支护法 其实现场实践中常把上面所述的控制底鼓的方法联合起来使用，即联合支 护法，一般将两种方法相组合来使用。而且各个组合还有其各自的适用范围， 如在底板围岩较为软弱并且地应力较大的情况下可以使用爆破 封闭式支架联 合支护法，在高应力巷道如深部及受采动影响强烈的巷道通常使用切缝 底板锚 杆联合支护法，而只是因为底板岩层较为软弱而产生底鼓的巷道则可使用底板 爆破 注浆联合支护法。 1 ．3 研究内容、方法、技术路线 本文以鸡西东海矿三采区绞车道为工程背景，研究深部巷道底板围岩变形破 坏规律及底鼓控制技术，其研究内容为 6 1 绪论 1 实地调查东海矿三采2 3 绞车道底鼓的状况。 2 对三采2 3 绞车道的围岩进行取样，并在学校实验室进行围岩力学参数测 ，- 疋o 3 对该巷道底鼓进行机理性分析。 4 对巷道在各种支护参数下的数值模拟结果进行分析，寻找治理该巷道底 鼓的合理的支护参数。 ‘ 5 确定符合现场实际的工业性支护方案 为了使上述研究内容得以完成因此制定了以下研究方案 1 建立巷道底鼓的力学模型，用运前人获得的理论来解释和分析底鼓的机 理 2 使用F L A C 3 D 软件的M o h r C o u l o m b 模型对巷道模型在原支护作用下，支护 条件下进行模拟分析，选择最优的支护方案。 3 根据现场实际以及结合模拟的结果，并根据相关工程经验，确定治理三 采2 3 绞车道巷道底鼓的巷道支护参数。 其技术路线为 图1 - 1 技术路线图 F i g1 1T h em a po ft e c h n i c a lr o u t e 1 ．4 本章小结 本章通过对部分矿区岩石巷道发生底鼓的情况分析，介绍了国内外专家学 者对于底鼓产生的原因和控制所取得的成果，并提出了本论文的研究内容和研 究方法与技术路线。 7 硕士学位论文 2 巷道底板稳定性分析 2 ．1 巷道底鼓的类型 底鼓在目前煤矿生产中特别是深部矿井中是常见的现象，并呈现出多种类 型。根据巷道底板的向巷道空间内的挤入量大小以及对巷道正常使用的影响程度 可以将巷道底鼓分为轻微性底鼓 1 0 0 m m - - - 2 0 0 m m 、明显底鼓 2 0 0 r a m , - - , 3 0 0 r a m 、 严重底鼓 3 0 0 m m - - - 5 0 0 m m 和破坏性底鼓 5 0 0 m m - - 8 0 0 m m ，其中后三种底鼓若 不及时维修讲会影响巷道的正常使用，甚至引发安全事故。 根据破坏形式和形成的机理又可以将底鼓划分为以下几种类型 1 挤压流动性底鼓 当底板为泥岩等软弱岩层时常发生此种类型的底鼓，由于两帮以及顶板的围 岩的岩体强度都比底板围岩的岩体高，在两帮岩柱的压膜效应作用下，底板破碎 岩块向巷道内挤出。还有就是整个巷道都处在破碎岩层中，如深部开采中，由于 原岩应力过大，整个巷道的围岩塑性区过大，在原岩应力重新分布及远场地应力 的双重作用下，底板岩层会向巷道内挤压流动。其力学模型如图2 1 a 、 b 。 2 挠曲褶皱性底鼓 挠曲褶皱性底鼓常发生在底板岩层分层较为明显，如页岩中，在复合型底板 中发生的概率最大【删。其力学机理是底板岩层在平行层理方向的压力作用下向巷 道内挠曲进而失稳。其力学模型如图2 - 1 c 。 3 剪切错动性底鼓 剪切错动性底鼓常发生在底板岩层较为完整，并且较为坚硬的深部巷道中。 虽然底板岩层较为坚硬，但是在高水平原岩应力和巷道基角应力集中下，产生很 高的剪应力，使巷道底板遭受剪切破坏。其力学模型如图2 - 1 d 。 4 遇水膨胀性底鼓 遇水膨胀性底鼓常发生在底板岩层含有较多蒙脱石的情况下产生的。因为蒙 脱石这类粘土矿物在吸水后体积会膨胀数倍，这些矿物遇水膨胀后一方面增大了 体积，另一方面加速了底板围岩完整性的破坏，从而导致了底鼓的产生。遇水膨 胀性底鼓的底鼓量的计算公式U 为【4 8 】 U r d k 。口 1 1 0 9 只／l o g 咒 2 一1 式中忽一自由膨胀率； 彦一巷道宽度； 尸口一完全阻止膨胀性底鼓性所需的支护阻力； 尸厂实际的支护阻力； 8 2 巷道底板稳定性分析 卜系数； 由于现场工程环境很负载，所以现场的底鼓并不是以上类型底鼓的单独作用 下的结果，往往都是各种类型底鼓的综合作用下的产物，大部分都是两种以上类 型的底鼓的综合。 ‘o 。 ●● ● ● ● ● ● { 彩滁 Q I ’ ‘ I t。 a 挤压流动型底鼓 ● ●-●●● ● ’6 4。 ‘ ● ● ●’● ‘ ， ． 石念 ●● ● ● 三三善裂三三 一一一∑∑一～ c 挠曲褶皱性底鼓 b 挤压流动性底鼓 d 剪切错动性底鼓 图2 - 1 巷道底鼓类型图 F i g ．2 - 1T y p e m a p so ff l o o rh e a v eo fr o a d w a y 2 ．2 巷道底鼓的力学模型 巷道底鼓的现象与岩土工程中的深基坑基底隆起现象较为类似，而对于深基 坑基底隆起这一现象的研究较为彻底，理论也较为成熟。因此本文借鉴已获得的 深基坑基底隆起的理论成果并结合土和岩石的差别对理论中的一些东西作了必 要的修改。 2 ．2 ．1 基于一个上限分析方法的巷道底板隆起稳定性分析 巷道底板之所以发生隆起的根本机理在于由巷道两帮岩体向底板岩体传递 的应力以及底板深部岩体向其传递的应力的叠加超过了巷道底板岩体所能承受 的应力，底板岩体将会破碎并形成一个滑裂面，底板岩体将在应力的作用下沿这 个滑裂面向巷道空间内挤入，从而导致底鼓的