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中图分类号TD801 论文编号2018301012 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 吕家坨煤矿吕家坨煤矿-950m 皮带巷大变形支护控制技术研究皮带巷大变形支护控制技术研究 作者姓名作者姓名张学强张学强 学科名称学科名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向采矿工艺理论与技术采矿工艺理论与技术 学习单位学习单位华北理工大学华北理工大学 学学制制3 年年 提交日期提交日期2018 年年 6 月月 5 日日 申请学位类别申请学位类别工程硕士工程硕士 导师导师 姓名姓名甘德清甘德清 教授教授 单位单位华北理工大学华北理工大学 矿业工程矿业工程学院学院 冯秀军冯秀军 高工高工 单位单位开滦吕家坨矿业分公司开滦吕家坨矿业分公司 论文评阅人论文评阅人匿名匿名 单位单位 匿名匿名 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期20182018 年年 9 9 月月 7 7 号号 答辩委员会主席答辩委员会主席李占李占金金 教授教授 关关 键键 词词大变形大变形；；支护支护；；数值模拟数值模拟；； 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2018 年年 9 月月 万方数据 万方数据 Research on the Large Deation Support Control Techniques of -950 Belt Roadway in Lujiatuo Coal Mine Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Zhang Xueqiang Mining Engineering Supervisor Professor Gan Deqing Ph. D Feng Xiujun September, 2018 万方数据 万方数据 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名 日期2018 年 9 月 7日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 自授予学位之日起 □ 自 年 月 日起 作者签名 导师签名 签字日期2018 年 9 月 7日 签字日期2018 年 9 月 7日 万方数据 万方数据 摘 要 - I - 摘 要 吕家坨煤矿开采深度大，地质条件复杂，随着采矿深度的增加，地应力显现愈 发明显，对巷道的支护和维护提出了更高的要求，尤其在深部巷道，围岩压力大， 巷道变形大，稳定性差，需要对支护经常翻修，严重影响矿井的安全生产。因此， 确定科学合理的巷道支护形式，日趋重要。 通过地层结构调查，了解各岩层和煤层物理力学性质，掌握了地应力分布规 律。对Ⅳ类围岩巷道和Ⅴ类围岩巷道支护现状进行分析，了解当前支护出现的问 题；测定围岩干燥状态和保水状态下抗压强度分别为 43.19MPa 和 32.59MPa，抗 拉强度为 3.16MPa。利用 BQ 法、RMR 法和 Q 系统法确定围岩稳定性等级为 V 级，在此基础上确定支护方式为锚喷网支护，注浆液选用水泥浆，注浆压力 1.5MPa。 利用 3DEC 软件，建立裂隙网络模型，分析确定巷道以张拉和剪切破坏为主， 并在顶板和底板均出现较大位移变形，累积变形量超过 8cm，确定未支护巷道不具 备作业条件。分析两种支护方案巷道稳定性，常规支护巷道能维持基本稳定，但底 板仍发生大变形，最大变形量超过 1.1cm，巷道仍有破坏的可能；而联合支护后巷 道能够保持稳定，最大累积变形量小于 0.15cm，能够使巷道维持长期稳定，满足 安全作业要求。 利用 UNWEDGE 软件分析-950 皮带巷中不稳定块体，通过研究不同结构面与 巷道断面形成的块体的稳定性，确定在巷道肩部和底板位置会形成不稳定块体，在 此基础上对不稳定块体采用联合支护进行数值计算，确定联合支护后巷道被有效保 护，能够取得可行、良好的支护作用。 图 44 幅；表 23 个；参 41 篇。 关键词关键词大变形；支护；数值模拟 分类号分类号TD801 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract Lvjiatuo coal mining depth is large, complex geological conditions, with the increase of mining depth, ground stress appeared more obvious, the roadway supporting and maintaining put forward higher requirements, especially in deep roadway, surrounding rock stress, deation of roadway is big, poor stability, supporting often need to overhaul, the serious influence of mine safety production. Therefore, it is increasingly important to determine the scientific and reasonable of roadway support. Through the investigation of stratum structure, the physical and mechanical properties of each stratum and coal seam are understood, and the distribution law of geostress is mastered. For Ⅳ class surrounding rock of roadway and Ⅴ class surrounding rock roadway support the status quo analysis, understand the current supporting problems; The compressive strength of the surrounding rock was 43.19MPa and 32.59MPa respectively, and the tensile strength was 3.16MPa. The stability grade of surrounding rock was determined as V by BQ , RMR and Q system . On this basis, the supporting mode was determined as shotcrete network support. Slurry injection was selected as cement slurry and grouting pressure was 1.5mpa. The fracture network model was established based on 3 dec software, and analysis the roadway with tension and shear failure is given priority to, and in the roof and floor all appear larger displacement deation, cumulative deation more than 8 cm, not supporting roadway does not have homework conditions were determined. The roadway stability of the two supporting schemes was analyzed. The conventional supporting roadway was able to maintain basic stability, but the bottom plate was still greatly deed, with the maximum deation exceeding 1.1cm, and the roadway was still likely to be damaged. After combined support, the roadway can remain stable with the maximum accumulated deation less than 0.15cm, which can keep the roadway stable for a long time and meet the requirements of safe operation. Figure44; Table23; Reference 41 Keywords large deation; support; numerical simulation Chinese books catalogTD801 万方数据 目 次 - III - 目 次 引 言 ................................................................................................................... 1 第 1 章 绪论 ............................................................................................................. 2 1.1 研究意义 ...................................................................................................... 2 1.2 研究现状 ...................................................................................................... 2 1.2.1 巷道围岩大变形形成机理研究现状 .................................................. 2 1.2.2 巷道围岩大变形破坏机理研究现状 .................................................. 3 1.2.3 巷道围岩大变形控制理论研究现状 .................................................. 4 1.2.4 巷道围岩大变形控制技术研究现状 .................................................. 6 1.3 研究内容 ...................................................................................................... 7 第 2 章 吕家坨煤矿巷道支护工程概况 ................................................................... 8 2.1 -950 皮带巷地层结构 ................................................................................... 8 2.2 -800 皮带巷支护现状 ................................................................................. 10 2.2.1 IV 类围岩巷道 .................................................................................. 10 2.2.2 V 类围岩巷道 ................................................................................... 11 2.3 本章小结 .................................................................................................... 11 第 3 章 -950 皮带巷大变形支护方案 ..................................................................... 12 3.1 结构面信息采集 ........................................................................................ 12 3.1.1 结构面数据采集............................................................................... 12 3.1.2 结构面信息分析............................................................................... 15 3.2 岩石力学性质试验 .................................................................................... 19 3.2.1 抗压强度试验 .................................................................................. 19 3.2.2 抗拉强度试验 .................................................................................. 21 3.3 围岩稳定性分级评价 ................................................................................ 23 3.3.1 常用的分级方法............................................................................... 25 3.3.2 岩体质量分级评价 ........................................................................... 27 3.4 大变形控制支护方案 ................................................................................ 30 3.5 本章小结 .................................................................................................... 34 第 4 章 -950 皮带巷大变形支护方案数值模拟 ..................................................... 36 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 4.1 3DEC 离散元数值模型的建立 ................................................................... 36 4.1.1 3DEC 软件简介 ................................................................................ 36 4.1.2 模型材料参数 .................................................................................. 36 4.2 3DEC 数值模型计算结果分析 ................................................................... 38 4.2.1 未支护巷道稳定性分析 ................................................................... 38 4.2.2 常规支护巷道稳定性分析 ............................................................... 40 4.2.3 联合支护巷道稳定性分析 ............................................................... 42 4.3 UNWEDGE 不稳定模型的建立 ................................................................ 44 4.4 UNWEDGE 不稳定模型计算结果分析 ..................................................... 49 4.5 本章小结 ................................................................................................... 53 结 论 ..................................................................................................................... 54 参考文献 ................................................................................................................. 55 致 谢 ..................................................................................................................... 58 导师简介 ................................................................................................................. 59 作者简介 ................................................................................................................. 60 学位论文数据集 ..................................................................................................... 61 万方数据 引 言 - 1 - 引 言 随着煤矿开采深度的逐渐增加，巷道围岩的大变形在煤矿生产经营中愈发常 见。传统固体力学中，研究的大变形问题，材料的应变相对较大，大变形时仍处在 弹性变形状态，去掉外力后仍能恢复到初始状态，并且在变形过程中固体体积保持 不变；而巷道大变形问题与之存在一定区别，主要体现在巷道大变形时围岩的变形 已经超出弹性变形阶段，属于由巷道开挖以及开挖后回弹引起的围岩破坏、体积膨 胀增加的一种现象。 吕家坨煤矿开采深度大，地质条件复杂，随着采矿深度的增加，地应力显现愈 发明显，水平应力逐渐起到主要作用，对巷道的支护和维护提出了更高的要求，尤 其在深部巷道，围岩压力大，巷道变形大，稳定性差，需要对支护经常翻修，严重 影响矿井的安全生产；为此，寻找适宜的深部巷道大变形支护控制技术，是工程技 术人员所做的主要技术工作。 因此，本文通过现场调研、室内试验、理论分析和数值模拟的方法，对吕家坨 矿大变形巷道进行岩石质量分析，确定巷道围岩大变形的支护方案，并其支护前后 稳定性分析，验证支护方案的合理性，最终得到可行、良好的支护方案。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 研究意义 开滦股份吕家坨矿始建于 1960 年，与 1968 年投产，矿山原设计生产能力 150 万 t/a[1]。井田面积 39.7km2，开采深度 1251200m，随着开采深度的增加，深部岩 层越来越呈现出巷道大变形的现象，因此掌握深部巷道岩石性质，解决巷道支护以 及使用维护等问题愈发至关重要。 吕家坨煤矿开采深度大，地质条件复杂，随着采矿深度的增加，地应力显现愈 发明显，水平应力逐渐起到主要作用，对巷道的支护和维护提出了更高的要求，尤 其在深部巷道，围岩压力大，巷道变形大，稳定性差，需要对支护经常翻修，严重 影响矿井的安全生产；为此，寻找适宜的深部巷道大变形支护控制技术，是工程技 术人员所做的主要技术工作。由此在多年深部大变形巷道支护经验的基础上，运用 现场实测、科学统计、室内试验，并结合理论分析等研究手段，得到科学合理的巷 道支护形式，以确保吕家坨煤矿进入深部的巷道稳定性和安全生产，是当务之急。 基于上述分析，本论文重点研究吕家坨煤矿-950m 皮带巷大变形支护。 1.2 研究现状 1.2.1 巷道围岩大变形形成机理研究现状 随着煤矿开采深度的渐增加，巷道围岩大变形在煤矿生产经营中愈发常见[2]。 传统固体力学中，研究的大变形问题，材料的应变相对较大，大变形时仍处在弹性 变形状态，去掉外力后仍能恢复到初始状态，并且在变形过程中固体体积保持不 变；而巷道大变形问题与之存在一定区别，主要体现在巷道大变形时围岩的变形已 经超出弹性变形阶段，属于由巷道开挖以及开挖后回弹引起的围岩破坏、体积膨胀 增加的一种现象。 巷道围岩变形机理主要分为两种第一种是因为巷道开挖后，原始应力重新分 布，使得应力超过围岩强度，从而导致巷道围岩产生塑性变形，当根据变形速度分 类，又可分为挤出变形（变形速度慢）和岩爆（瞬间变形）[3]；第二种是因为围岩 中的矿物成分暴露在空气或水中时，发生物理化学反应，导致围岩出现膨胀。 Terzaghi 于 1946 年首次提出了挤压岩石和膨胀岩的概念[4]。通过研究，认为 万方数据 第 1 章 绪论 - 3 - 挤压岩石是在岩石侵入道路之后。体积变化不大，膨胀岩是指膨胀时侵入巷道的岩 体。Anognostou 认为，能够形成膨胀变形的岩体，其自身强度相对较高，开挖后 随着时间增长，逐渐显现出变形，一般将变形分为巷道底部的底鼓。何超超提出将 软岩的变形和破坏机理分为 3 大类 13 小类[5]。陈宗基教授认为，围岩变形机制细 分为塑性楔，流动变形，围岩膨胀，膨胀和挠曲[6]。 为了更好的了解围岩破坏的机理，专家学者在前人研究的基础上，提出岩石损 伤力学。该观点认为，岩石破坏首先是由于存在原生缺陷，受外力而产生宏观节理 裂隙，并最终断裂，将岩体内部的弱结构面看作原生损伤，岩石对力场的响应则是 岩体内损伤的发展、累积及演化，通过分析岩体损伤去描述岩体的特征。 根据最大水平应力理论，巷道围岩受垂直应力和水平应力的影响，随着采矿深 度的增加，最大水平应力可能大于垂直应力[7]。这使得最大的水平应力对巷道顶 板，地面和两个舷梯的稳定性起着决定性的作用[8]。最大主应力具有方向性。当巷 道方向和最大主应力为 0α90时，巷道围岩破坏是由最大主应力方向确定 的，随着夹角增大，损伤程度增大，当道路方向与最大主应力方向之间的夹角为α 90时，最大主应力对巷道影响最为显着，巷道围岩稳定性最差[9]。 国内外专家学者分析认为，随着采矿深度的增加，巷道围岩变形的概率和程度 也随之增加。根据统计结果，深度 600m 后，深度增加 100m，巷道围岩变形增加 近 10％。 采动对巷道围岩变形同样具有影响，在采动影响下，会使得弱结构面和节理裂 隙发展，随着空气、水和岩体应力的作用，增加巷道出现大变形的概率。 构造应力也是导致巷道围岩大变形的一个重要因素，目前主要体现在应力测量 方面[10]。 1.2.2 巷道围岩大变形破坏机理研究现状 巷道围岩的破坏是由于围岩塑性区的产生和发展导致的[11]。因此，研究巷道 围岩大变形破坏的本质是研究巷道围岩塑性区的产生机理以及随时间因素的发展规 律。 20 世纪前半页，学者主要采用弹性变形和弹塑性变形理论分析巷道围岩的变 形破坏及其稳定性。国外学者芬纳等将围岩看作理想的弹塑性体，假设岩石破坏前 后体积相等，推导得出圆形硐室围岩弹塑性区关于应力和半径的 Kastner 方程[12]。 20 世纪 60 年代，国内陈宗基教授首先提出了岩性转化理论，该理论认为巷道围岩 的本构模型是基于多种变形理论耦合形成[13]。20 世纪 90 年代，国内学者将流变理 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 论纳入到岩石力学研究体系中，并进行了一系列研究[14]。20 世纪 90 年代中后期， 董方庭教授结合多年工程实践经验，提出了围岩松动圈支护理论，当巷道围岩受到 的应力超过其承受能力，巷道周围的岩体发生松动破坏[15]。进入到 21 世纪，随着 矿山开采深度的增加，越来越多的深井矿山出现，发现了围岩分区破坏，并对其陆 续开展了研究。 现阶段，对于圆形巷道的研究主要以弹塑性力学和粘弹性力学为出发点，重点 研究围岩应力及其弹塑性分区，同时引入其他领域的破坏准则，例如 MC 准则、 DP 准则等。国内学者李明等，根据自身的研究成果，结合前人的理论，推导得出 了巷道围岩受到均匀围压时，圆形巷道围岩塑性区半径的统一解，但对于其他形状 的巷道断面只推导得到巷道周边应理解和塑性区分区裂化。国外学者 C. Q. Zhang，对巷道围岩塑性区的范围进行建模计算，得到风险接近指数模型，对矿山 地下开采等地下岩土工程进行稳定性分析。Reza R. Qsgoui 将围岩巷道视为均质岩 体，研究并分析了巷道围岩支护中注浆锚杆的作用机理。基于等效塑性区理论，将 等效塑性区按照范围的大小，分为小屈服区、中间屈服区和过屈服区。潘义文学者 认为，当道路横断面为圆形时，只有当应力比 K1 时才存在对称塑性区。由于围 岩的初始应力分布易于分布静水压力，因此塑性区初始应力分量相对较小。当道路 横断面为椭圆形时，沿长轴方向的最小主应力状态将导致塑性区分布不均匀，塑性 区会沿着初始主应力方向扩展。马丁学者研究了岩石裂纹尖端的塑性分布并得出结 论[16]岩体中塑性区的形成是岩石吸收裂缝流时产生的多余能量，当发生塑性变 形时，岩体中的裂缝难以发育和生长。王洪涛学者，通过对巷道围岩进行模拟分 析，研究了巷道断面在圆形和矩形时塑性区的分布规律，得到结论在非均质岩石 的情况下，塑性区的分布就像一个椭圆形的蝴蝶。 1.2.3 巷道围岩大变形控制理论研究现状 巷道围岩大变形的控制，在矿山生产运行中至关重要，对此国内外专家学者提 出各种理论方法，以找到合理的支护方法，使得巷道围岩发生大变形得到有效控 制，来保证巷道的稳定性。 1）国外巷道围岩大变形控制理论研究现状 （1）古典压力理论 由 A. Haim、W. J. M. Rakine 和 A. H. NNK 等人提出，古典压力理论认为地 下工程中，挖开空间中支护物体受到的作用力即为上覆岩土的重力。 （2）塌落拱理论 万方数据 第 1 章 绪论 - 5 - 由太沙基和普氏提出，其认为地下工程开挖后，上覆岩体能够随之产生塌落 拱，地下空间内部的支护结构收到的作用力为塌落拱区域内岩体的重力。太沙基提 出塌落拱的形状为矩形，而普氏则认为塌落拱的形状为抛物线形状，在这点存在不 同观念，但塌落拱理论第一次提出巷道围岩自身存在承受能力[17]。 （3）新奥法 由奥地利 L. V. Rabcewicz 在工程实践和学习中总结提出的巷道设计施工新技 术。其核心内容是最大程度的利用巷道围岩本身的承受能力，将其与人工支护组成 统一整体，达到控制围岩变形的目的[18]。该理论的特点是对地下工程开挖后的围 岩进行动态监测，在此基础上对巷道进行支护设计和施工方案改进。 （4）能量支护理论 由 M. D. Salamon 等人在这个过程中，支撑结构会发生变形，即围岩的释放能 量与支撑结构吸收的能量之间存在相互作用，从而节约能源。 （5）应力控制理论 由前苏联研究者提出，该理论的核心内容是优化巷道围岩的应力分布状态，使 得巷道围岩处于稳定状态[19]。通过对岩体切缝、对围岩打钻泄压、爆破不稳定岩 体、预留支护泄压矿柱等措施，使得巷道围岩的强度降低，降低应力集中区域应力 或转移至其他区域，进而达到稳定巷道围岩的目的[20]。 （6）应变控制理论 日本学者 Hiroshi Yamada 和 Sakurai Springs 提出，巷道围岩的应变幅度与支护 结构的复杂性成反比，巷道围岩的许用应变是成比例的。因此，增加支撑的复杂度 对提高巷道的稳定性更有利[21]。 （7）悬吊理论 由 Louis Apanek 提出，其基本思想为地下矿山开挖巷道后，巷道顶部上覆低 强度或软岩层会发生松动甚至破坏，使得形成破坏区，而软弱岩体上部高强度掩体 能够形成自然平衡拱，利用锚杆或者锚索能够将软弱岩体和坚硬岩体锚固再一起。 （8）组合梁理论 由德国学者 Jacobin 提出，该理论认为巷道顶板是由多层较薄的且岩性连续的 岩层上下叠加构成，利用顶板端部的锚杆或者锚索，提供垂直与顶板的轴向拉应 力，将顶板多个岩层连结到一起，增加各个岩层之间的横向摩擦力，同时和锚杆产 生的抗剪切力一起作用，降低各个岩层之间的滑动，使得顶板的整体抗剪能力和内 部摩擦力增加，有效的提高巷道中顶板的强度值和抗折能力[22]。 2）国内巷道围岩大变形控制理论研究现状 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - （1）轴变论理论 由于学馥学者提出，其基本内容是当地下开采巷道施工完毕后，利用弹性力学 去研究巷道围岩的大变形破坏理论。当巷道形成后，在四周会形成分布不均匀的应 力场，随着围岩逐渐破坏，水平方向的最大主应力和最小主应力随时间渐变成均匀 应力场，使得巷道围岩处于稳定的应力状态，此时巷道断面形状趋于圆形或者椭圆 形[23]。 （2）联合支护理论 由郑雨天、陆家梁和封豫等人提出，其针对对象是软岩巷道，基本内容是先 软化后，使软化适度，稳定支撑，不过分强调支撑结构的强度，使围岩发生一定程 度的变形，释放巷道围岩中的应力。 （3）围岩松动圈理论 由董方庭学者提出，其主要内容是地下矿山在巷道施工结束后，巷道围岩在局 部会产生应力集中现象，而围岩的破坏即是应力超过其自身强度的表现，从而形成 局部区域的松动破坏，称为松动圈，松动圈的大小与巷道围岩自身强度有关[24]。 （4）关键部位耦合支护理论 由何满潮教授提出，其主要内容是地下矿山巷道围岩的破坏属于非线性破坏， 因此针对不同的破坏形式需采用不同的支护结构，当支护结构的强度和刚度能够与 巷道围岩的变形较好的耦合，才会得到理想的支护效果。 （5）围岩强度强化理论 由侯朝炯等学者提出，其主要内容是利用锚索和锚杆等支护结构，改善支护区 域内的围岩性能，从而增强巷道围岩自身强度和承压能力，并且与锚杆和锚索耦合 作用，提高巷道围岩稳定性。 （6）刚性梁理论 由郭颂等学者提出，其主要内容是锚杆或者锚索预应力作为巷道围岩稳定性的 决定性因素，合适的预应力能够使得巷道顶板围岩成为“刚性”顶板，使得巷道顶 板具有承压能力，提高顶板的稳定性[25]。 （7）围岩波动性理论 由杨双锁教授提出，该理论核心思想是锚杆和锚索支护能够有效解决巷道围岩 大变形问题，锚固结构和巷道围岩的耦合作用符合波动性平衡规律。 1.2.4 巷道围岩大变形控制技术研究现状 矿山地下巷道开挖由于地质条件和围岩性能的复杂性，使得巷道围岩大变形控 万方数据 第 1 章 绪论 - 7 - 制技术具有多样性。国内外常用的支护方式包括被动支护、主动支护、联合支护 等，每一种都具有各自的应用领域和优点。 1）被动支护 地下矿山被动支护分为喷射混凝土支撑，棚架支撑和砌体。喷射混凝土支护 主要针对新开挖的巷道围岩，能够有效的隔绝新开挖的围岩接触空气和水，降低膨 胀岩体泥化破坏的可能，阻碍其对围岩的破坏作用，使得围岩自身强度不被破坏， 混凝土层也可以起到支撑作用。根据支撑结构的不同材料，货架支撑可分为木结构 支撑，钢筋混凝土结构支撑和金属结构支撑[26]。目前，金属结构通常用于支撑， 根据巷道是否允许变形，分为刚性支撑和可收缩支撑。当巷道围岩发生较大变形 时，巷道压力迅速增加，支撑结构破坏时支撑能力丧失；可挤压支撑结构具有大量 的压缩变形，并且当道路变形时，其工作阻力在一定量的压缩下增加，或者不变。 目前金属结构支护主要应用于巷道围岩松动、巷道区域地压较大、围岩变形量大的 硐室及巷道。砌碹支护由于工程材料成本大、工人劳动强度大以及效率低，目前应 用较少，
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