深埋矿井全煤巷道围岩变形破坏特征与稳定性控制.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名垫丝坌 日期 鲨出I f 生 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签 名三去王型L 日期j 型垒』生二L 导师签名日期V 1 ◇6 ．27 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 深埋矿井全煤巷道围岩变形破坏特征与稳定性控制 摘要 本文以大同某矿6 。煤回采工作面运输巷为工程背景，结合高应力 全煤巷道围岩变形破坏特征、煤巷全断面锚杆索支护包络圈理论、高 应力全煤巷道围岩支护参数与方式，综合研究了高应力全煤巷道围岩 稳定性控制技术的影响因素。采用煤体原位力学特性试验测定、高应 力全煤巷道围岩支护相似模拟、数值模拟、工程应用等方法，对高应 力全煤巷道围岩稳定性控制的支护参数及其联合支护方案进行了研 究，并在工程施工中对高应力全煤巷道围岩稳定性进行了监测，研究 得出以下几点结论 1 、深埋高应力全煤巷道围岩，在高地应力及软岩煤体流变效应 的影响下，其巷道围岩煤体原位力学性能强度偏低、自稳能力较差， 在高地应力的作用下巷道围岩极易发生坍塌、冒落，高应力全煤巷道 围岩的稳定性维护极为困难。对大同某矿6 磲回采工作面全煤巷道围 岩煤样进行单轴压缩试验，巷道围岩在力学性质上主要表现为流变、 塑性性质，这是造成巷道掘进初期围岩变形量大以及变形速率快的根 本原因。 2 、针对高应力全煤巷道围岩特性，结合煤巷变形破坏特征，提 出全断面锚杆索包络圈支护技术，其巷道围岩完整性得到改善，巷道 T 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 围岩支护结构的承载能力得到提高；分析表明煤体原位力学性质、巷 道围岩支护参数及联合支护形式的合理选择直接决定高应力全煤巷 道围岩的稳定控制。 3 、针对高应力全煤巷道围岩稳定性控制，采用全断面锚杆 索 联合支护方式，高应力作用下的全煤巷道围岩仅发生较小的变形破坏， 随着载荷的不断增大，全煤巷道最终能保持一个良好的稳定状态，全 煤巷道围岩应力、变形基本上得到较为完善的控制，全断面锚杆 索 联合支护方式改善煤巷变形破坏效果较为显著。 4 、模拟试验研究表明，将改进方案与原方案普通锚杆索支护相 比，采用全断面锚杆 索 联合支护方式使得高应力全煤巷道围岩变 形得以有限控制，其中包括顶底板移近量、两帮相向移近量等方面。 相似模拟分析可知，采用改进方案与原支护方案相比，高应力全煤巷 道帮部相向移近量减小了4 2 ．6 ％，项底板相对收缩量减小了6 3 ．4 ％， 巷道断面收缩率减小了4 2 ．5 ％，由此说明针对高应力全煤巷道，采用 全断面锚杆索联合支护的方法，大大减小了巷道煤体的移动、变形、 破坏，高应力全煤巷道围岩的整体性和稳定性得到了较大程度的改善。 数值模拟结果表明，采用全断面锚杆索包络圈联合支护方式对其全断 面围岩煤体的支护效果良好，大大提高了高应力全煤巷道围岩的稳定 性。 5 、在工程应用的同时，对大同某矿6 8 煤高应力全煤巷道围岩应 力与变形进行监测。结果表明项底板最大移近量为5 0 ．6 m m ，锚索 最大载荷为1 2 2 ．5 K N ，且巷道断面收缩与顶板支护载荷均在l5 天以 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 后达到了稳定状态。表明高应力全煤巷道围岩采用全断面锚杆索包络 圈联合支护煤巷取得了良好的应用效果。 关键词高应力，煤巷，包络囤支护，力学特性，稳定性控制 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 R E S E A R C HO NS T A B Ⅱ．I T YC 0 | N T R o L O FT H E A L LM 【I N ES U R R O U D I N GD E E PR o A D W A Y R O C KD E F E R M 匕钔【 I o NC H A R A C T E R I sT 【C 6 群c o a lo fc o a lm i n ew o r k i n gf a c ei nD a t o n gk i l nI z a n s p o r t a t i o nl a n e a st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，c o m b i n e dw i t hh i g hs t r e s sc o a lr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，a l lo fw h o I c s e c t i o nc a b l ea n c h o rs u p p o r t i n gi nc o a lr o a d w a y , e n v e l o p i n gc i r c l et h e o r y , h i g hs t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa n d m o d e s ，c o m p r e h e n s i v es t u d yo f t h eh i g hs t r e s sa l lt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f c o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g y ．U s 如gi ns i t u d e t e r m i n a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s to fc o a l , l 蚺s t r e s sc o a l r o a d w a ys u r r o u n d i n g r o c k s u p p o r t i n ga n a l o gs i m u l a t i o n , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nm e t h o d s ，s u c ha sf u l lo fh i g h s t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yc o n t r o lc o m b i n a t i o n s u p p o r t i n gs c h e m eo fs u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa n di t s a r cs t u d i e d ，a n d 鼬l o fh i g hs t r e s si nt h ec o n s t r u c t i o no fc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k V 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 s t a b i l i t ym o n i t o r i n g , s t u d i e st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 ．B u r i e dd e e p 嘞s t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k , a l li nh i g h s t r e s sa n ds o Rr o c kr h e o l o g i c a le f f e c to fc o a li su n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e i n t e n s 时o fc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c sp r o p e r t i e si ns i t u O i lt h el o ws i d e , t h es t e a d ya b i l i t yi s p o o r e r , r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k u n d e rt h ea c t i o no fh i g hg r o u n ds t r e s s ，e a s yt oc o l l a p s e ，t a k ea f a l l ，h i g h s t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ym a i n t e n a n c ea l le x t r e m e l y d i f f i c u l t ．6 4c o a lm i n i n gw o r k i n gf a c ei nD a t o n gk i l nm i n et h ec o a l r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ko fc o a ls a m p l e su n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t , o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a yi s m a i n l yc h a r a c t e r i z e db yr h e o l o g i c a l , p l a s t i cp r o p e r t i e s ，t h i si st h ec a u s eo f r o a d w a yd r i v a g ce a r l yl a r g ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt h er o o t c a u s eo ft h ed e f o r m a t i o nr a t ei sf a s t ． 2 ．I nv i e w o ft h eh i 曲s t r e s sc o a lr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c kf e a t u r e s ， i nc o m b i n a t i o nw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lr o a d w a yd e f o r m a t i o na n d f a i l u r e ，t h ec i r c l eo fw h o l es e c t i o nb o l tr o p ee n v e l o p e s u p p o r t i n g t e c h n o l o g y , t h ei n t e g r i t yo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gm e ki si m p r o v e d ，t h e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h er o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks u p p o r t i n gs t r u c t u r e w a s i m p r o v e d ；A n a l y s i ss h o w st h a tc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k s u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i ns i t uc o m b i n e d s u p p o r ti nt h ef o r mo f ar a t i o n a ls e l e c t i o nd 概t l yd e c i d e dt h eh i g hs t r e s s c o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k s t a b i l i t yc o n t r o l V I 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 3 ．I nv i e wo ft h eh j g l ls t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y c o n n D l ，t h ew h o l es e c t i o n 1 i n e 。a n c h o rs u p p o r t i n gw a y , f u l lo fc o a lu n d e r t h ea c t i o no fh i g hs t r e s sO C C U l So r a ys m a l ld e f o r m a t i o no fr o a d w a y s u r r o u n d i n gm c kd a m a g e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d ，t h ec o a lr o a d w a yc a n m a i n t a i nag o o ds t a b l e s t a t e ，e v e n t u a l l yt h ew h o l ec o a lr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s a n dd e f o r m a t i o na r em o s t l ym o r ec o m p l e t e c o n t r o lo fw h o l es e c t i o nb o k c a b l e c o m b i n e ds u p p o r t i n gm e t h o dt o i m p r o v e t h ec o a lr o a d w a yd e f o r m a t i o nd a m a g ee f f e c ti ss i g n i f i c a n t ． 4 ．S i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a tw i l li m p r o v ec o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lp h nc o m m o nc a b l ea n c h o rs u p p o r t i n g ，w h o l es e c t i o n 1 i n e a n c h o rs u p p o r t i n gw a ym a k e sa l lh i g hs t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o nc a nc o n t r o lC O ．，L T D ．，i n c l u d i n gt h er o o fa n df l o o r , t w o o p p o s i t en e a r e rt h ea m o u n tc l o s e r , e t c ．A n a l o gs i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w s t h a tw i t ht h ei m p r o v e ds c h e m ei sc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls u p p o r t s c h e m e ，t h eh i g hs t r e s sc o a lr o a d w a ya l lh e l pm u t u a U yt o n e a r e rt h e a m o u n tr e d u c e d4 2 ．6 ％，r o o fa n df l o o ri sr e l a t i v e l yr e d u c e d6 3 ．4 ％ s h r i n k a g e ，r e d u c t i o no f a r e ao fr o a d w a yr e d u c e d4 2 ．5 ％，S Of o rh i g hs t r e s s c o a lr o a d w a y , a d o p tt h em e t h o do fw h o l es e c t i o na n da n c h o rr o p e c o m b i n e ds u p p o r t , g r e a t l yr e d u c i n gt h em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no f r o a d w a y , d e s t r u c t i o n , h i g hs t r e s s t h ei n t e g r i t ya n ds t a b i l i t yo fc o a l r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka r ei m p r o v e dg r e a tb 『．N u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tu s i n gw h o l es e c t i o na n c h o rr o p ee n v e l o p el 印j o i n t V I I 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 s u p p o r tm o d ef o rt h ew h o l es e c t i o nr o c kc o a ls u p p o r t i n ge f f e c ti sg o o d ， g r e a t l yi m p r o v i n gt h eh i 曲s t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k s s t a b j l i t y ． 5 ．A tt h es a m et i m eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h eD a t o n gk i l n6 群 c o a lo fc o a lm i n eh i g hs t r e s sc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n d d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er o o fa n df l o o r m a x i m u mn e a r e rt o5 0 ．6m m ，m a x i m u ml o a do f12 2 ．5K N b yp r e s t r e s s a n c h o rc a b l e ，a n dc r o s ss e c t i o no fr o a d w a yr o o fs u p p o r tl o a da n d c o n t r a c t sa r er e a c h e ds t e a d ys t a t ea f t e r1 5d a y s ．S h o wt h a th i g hs t r e s s c o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka l l u s i n gw h o l es e c t i o nc o m b i n a t i o n s u p p o r t i n gc o a lr o a d w a ya n c h o rr o p ee n v e l o p ec i r c l eh a so b t a i n e dt h e g o o da p p l i c a t i o ne f f e c t ． K E YW O R D S h i g hs t r e s sc o a l r o a d w a y , e n v e l o p er i n gs u p p o r t , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t a b i l i t yc o n t r o l V I I I 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．、f 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I X 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 深埋全煤巷道围岩稳定性控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 高应力全煤巷道变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国外高应力全煤巷道支护理论的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．3 国内高应力全煤巷道支护理论的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 深埋高应力全煤巷道围岩存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 论文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 论文研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 第二章深埋全煤巷道围岩力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，9 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 单轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第三章深埋全煤巷道变形破坏特征研究与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 深埋全煤巷道围岩变形破坏影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 深埋全煤巷道围岩变形破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 ．1 全煤巷道围岩性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 ．2 围岩变形破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯1 6 3 ．3 深埋全煤巷道高强联合支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．3 ．1 全煤巷道支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．3 ．2 全煤巷道支护理论力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第四章深埋全煤巷道围岩稳定控制模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．1 相似模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．2 3 4 ．1 ．1 相似模拟理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．1 ．2 试验原型条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．1 ．3 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．2 模型制作与测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 5 4 ．2 ．1 模型制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 ．2 测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 ．3 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．3 两种方案巷道煤体移动变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 ．1 顶板煤体移动对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．3 ．2 底板煤体移动对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．3 两帮煤体移动对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．4 断面收缩对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯3 7 4 ．4 两种方案巷道煤体应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．4 ．1 顶板煤体应力对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 I X 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 4 ．4 ．2 底板煤体应力对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．3 两帮煤体应力对比分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．4 3 第五章深埋全煤巷道围岩稳定控制数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．1 巷道模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．1 ．1 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．2 计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．3 巷道围岩参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．1 ．4 计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 高应力全煤巷道支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．3 两种不同支护方案模拟计算研究分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．1 原支护方案论证分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．3 ．2 全煤巷道改进支护方案模拟计算研究分析⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3 ．3 两种支护方案综合对比分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．6 9 第六章工程应用监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l 6 ．1 高应力全煤巷道围岩控制措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．2 矿压观测实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。7 1 6 ．2 ．1 观测仪器布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．2 ．2 观测实旋⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 观测数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 6 ．4 巷道围岩变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯7 3 6 ．5 围岩应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 7 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 攻读硕士期间发表的学术论文及参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 X 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 1 ．1 选题背景与意义 第一章绪论 煤炭资源是我国社会经济发展中必不可少的“粮食”，随着当今社会经济水 平的不断发展以及人民生活质量的不断提高，煤炭资源越来越被重视。据预测， 2 0 5 0 年我国煤炭消费需求量将达到4 2 亿t ，占我国能源需求的7 0 ％以上，因此， 煤炭矿井开采向地下深部发展为当今的大势所趋，煤炭作为我国的主要能源，在 国民经济建设中具有重要的战略地位，提升煤炭开采科技水平，保证煤炭工业安 全、持续发展意义重大l l - 3 J 。 近年来，随着煤矿开采深度的变化，锚杆支护技术快速发展，高强度、高延 伸率、高预应力、低密度锚杆支护系统已称为锚杆支护的发展趋势[ 4 】。但也应该 看到，由于全煤巷道地质条件的复杂性与多变性，对锚杆支护作用机理的认识还 有待全面系统地深入研究，对深部高应力全煤巷道、极破碎围岩巷道等困难条件 的锚杆支护理论研究还很不够。 近年，煤矿巷道围岩支护技术较为显著的成果，但针对高应力全煤回采工作 面巷道，其支护技术与方法仍存在许多缺点和不足p ～，是目前亟待解决的软岩 支护难题。目前煤炭资源供需的紧张局势迫切需要扩大生产规模，急需开采埋深 大、赋存条件恶劣的煤炭资源成为必然趋势。在煤炭开采过程中。高应力全煤巷 道变形失稳破坏对该类巷道的施工产生巨大灾害。本文通过研究深埋矿井回采工 作面全煤巷道围岩变形破坏机理，分析高应力全煤巷道围岩的变形破坏特征，进 而研究高应力全煤巷道围岩稳定性控制技术，以此研究得出的支护参数指导工程 实践，为高应力全煤巷道围岩稳定性控制提供一种新的思路。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 1 ．2 深埋全煤巷道围岩稳定性控制研究现状 1 ．2 ．1 高应力全煤巷道变形特征 早在2 0 世纪中期针对高应力全煤巷道围岩的支护，国内外学者通过大量的 研究与分析，仍然不能找出一个较为合理、完善的支护理论解决这个难题。经过 几十年的不断研究，人们对高应力全煤巷道围岩的变形特征及其围岩稳定性控制 方法有了较为全面的认识【8 】。其变形特征主要表现在以下几个方面 1 巷道围岩变形量大由深埋高应力全煤巷道围岩特性影响所致，目前 已知的深埋高应力全煤巷道，其围岩变形所能产生的巷道断面收缩率高达8 0 ％， 其变形破坏主要出现在顶底板和两帮煤体上，形成项板垮落、高应力性底鼓破坏、 煤体剪力片帮等较为严重的矿山压力显现[ 9 1 。 2 巷道断面变形速率大由于巷道全断面围岩均为性质较软的煤体。在 高地应力的作用下，巷道围岩所产生的水平构造应力要大于其所产生的垂直应力， 因此流变速度始终存在，即使巷道达到稳定以后【1 0 1 。 3 巷道变形的时效性高应力全煤巷道其围岩的变形同时存在着时间与 空间的效应。在巷道开挖完成后，全煤巷道围岩移动变形始终不能达到一个稳定 的状态，而是随着时间的推移，围岩在慢慢的沿着各个方向移动变形，其过程持 续时间较长，少则数月，多则数年。例如峰峰矿区牛儿庄矿二采区的高应力全煤 巷道的全断面围岩变形量高达3 m ，变形时间长达两年[ 1 1 1 。 1 ．2 ．2 国外高应力全煤巷道支护理论的发展 2 0 世纪初期古典压力理论较为流行，得到了广大专家学者的一致认可，其 代表人物主要有、A ．H a i l I l 和A ．H ．H ．H H k ，他们共同认为支护体的压力主要来自覆 盖在其上方的岩层，其大小让I ；但他们在侧压系数认定上有所区别八H a i n l 指 出侧压系数大小为1 ，W ．J ．M ．1 R j l n k i n e 认为侧压系数大小为t a n 2 4 5 ．Q 忍 ’，其值 是依据松散体理论得出的，A ．H H ．H H k 认为侧压系数大小为I ．d 1 ．肛 ，其值受围岩 自身属性肛 泊松比 、9 内摩擦角 和体积质量的影响[ 1 2 】。 随着技术的进步，人们对围岩认识的更加全面。出现了许多古典压力理论 难以解决的现象，人们逐渐对古典压力理论产生了质疑，由此更为全面和先进 2 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 的坍落拱理论随之而生，其代表人物主要有K ，T e r z a 曲i 和M ．M ，r I p o t o 卿说丈D h o b ， 该理论认为围岩坍落所产生的坍落拱的高度是受围岩自身特性所影响，其地下 工程跨度也是如此。但他们的见解也略有不同，K ．T e 磁曲i 认为坍落拱的形状为 矩形，M ，M ，r I p o t 0 坪班l 乏o h o b 则认为其形状为抛物线形。该理论提出巷道围岩自 身也具有承载能力，为今后巷道围岩支护打开了新思路，提供新理念【1 3 】。 2 0 世纪中，弹塑性力学的发展日益成熟，人们开始尝试用弹塑性力学的方 法解决巷道支护难题，其中主要代表人物有芬那和卡斯特纳，他们分别推到出 适用于巷道围岩弹塑性力学计算的RF e n n e r 公式【2 4 l 和H ．K a s t e m e r 公式【1 4 1 。 2 0 世纪6 0 年代，巷道围岩支护方法得到了飞速发展，其主要代表有新奥法 n e wA u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，N A T M 等，该方法是在前人研究的基础上， 由奥地利工程师L ．VR a b e e w i e z 提出的一种较为先进的巷道支护方法，简称新奥 法。该方法得到了广大专家学者的一致认可，在当时的巷道设计施工中得到了 广泛的应用。 2 0 世纪7 0 年代，人们开始引入能量学来解释分析巷道变形失稳机理，其主 要的代表人物有M ．D ．S a h m o n 等，研究巷道围岩变形破坏规律并提出能量支护理 论㈣。该理论认为能量是不发生变化的，巷道围岩在变形过程中能量是有不 同支护结构即支护体分担的，在巷道围岩产生变形的过程中，围岩变形所产生 的能量有围岩自身和支护体两部分共同承担，围岩自身结构可以分担一部分能 量，支护体分担一步分能量。因此该理论主张设计合理的支护结构，均衡围岩 与支护体分担能量比，允许巷道围岩变形，充分发挥围岩自身强度特性，达到 优化支护的目的。 近一个世纪的研究，巷道支护技术日渐成熟，数值计算的引入使得巷道支 护技术更加趋于完善，如数值计算中常用的有限单元计算方法、边界元计算方 法、离散元计算方法等，并以此计算方法为基础的数值计算软件也大量涌现， 如A D I N A 、N O L M 、F I N A L 、U D E C 、S A P 、F L A C 等程序【1 司都在当前巷道支护 中得到了广泛的推广和使用，并取得了良好的效果。 1 ．2 ．3 国内高应力全煤巷道支护理论的发展 我国煤矿巷道的支护经历了木棚支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫 3 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 长过程，实践经验表明，针对高应力全煤巷道锚杆支护是现阶段煤巷支护中最经 济有效的支护形式。 纵观我国全煤巷道围岩支护研究发展史，我国对全煤巷道的研究起步较晚， 首次研究于2 0 世纪5 0 年代末开始。随着我国能源需求的不断加大，煤炭资源赋 存分布影响，引起我国各科研单位及专家学者的高度重视，并进行深入的研究探 索。到上世纪8 0 年代我国在高应力全煤巷道支护方面取得了较大的研究成果。 其研究成果主要有以下几个方面①理论研究，在煤体自身属性等方面进行分析， 研究煤体巷道围岩控制基础理论②工程实践，对高应力全煤巷道支护工程实践 方面进行深入探讨研究，研究其工程设计参数、工艺以及巷道围岩变形监测手段 等。其中较为成熟的理论和方法主要有 1 锚喷弧板支护理论。该理论的主要代表人物有郑雨天教授、孙钧教授 和朱效嘉教授【1 7 】等，对于煤体巷道，即不采用