镇里煤矿软岩巷道围岩变形监测与预测研究.pdf

中图分类号TD801 论文编号2017301042 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 镇里煤矿软岩巷道围岩变形监测与预测研究镇里煤矿软岩巷道围岩变形监测与预测研究 作者姓名作者姓名李超李超 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 学制学制 3 3 年年 提交日期提交日期2012016 6 年年 1212 月月 3 3 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 姓名姓名陈陈 超超 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 张晋生张晋生 高工高工 单位单位山煤集团左云韩家洼煤业有限公司山煤集团左云韩家洼煤业有限公司 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2012017 7 年年 1 1 月月 1717 日日 答辩委员会主席答辩委员会主席张云鹏张云鹏 教授教授 关关 键键 词词软岩软岩巷道；围岩变形；巷道；围岩变形；EMDEMD- -ARIMAARIMA 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2012017 7 年年 3 3 月月 万方数据 万方数据 Research on the Blasting Seismic Wave Propagating along Research on the Blasting Seismic Wave Propagating along Step TopographyStep Topography Dissertation ted to North ChinaNorth China UniversityUniversity of Science and Technologyof Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of MasMaster of Engineeringter of Engineering byby Mining EngineeringMining Engineering SupervisorSupervisor Ph. DPh. D Chen ChaoChen Chao Zhang JinshengZhang Jinsheng MarchMarch, , 2012017 7 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2017 年 2 月 27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2017 年 2 月 27 日 签字日期2017 年 2 月 27 日 万方数据 万方数据 摘 要 - I - 摘 要 煤炭一直是国民经济建设中占有举足轻重的地位，随着煤炭开采越来越向深部 发展，矿井软岩巷道的变形监测以及支护与维护问题显得越来越突出。能否解决好 软岩巷道的监测和预防等问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键，迫切需 要深入的研究和探索。 本文系统的论述了软岩的特征及其力学属性，软岩巷道变形机理。对镇里煤矿 软岩巷道工程地质概况和生产技术条件进行分析的基础上，通过室内试验、现场监 测和数值模拟手段测定了软岩巷道围岩物理力学性质、巷道两帮及顶板在有效支护 条件下的变形规律。 镇里煤矿对一条长约 250m，埋深 600m 左右的胶带下山巷道采用“锚网梁索 喷”支护体系支护，并通过收敛计对该巷道的顶板和两帮变形进行了实地测量。巷 道变形监测后 10d 左右，巷道位移变形速率明显降低，变形量有 10d 前的 4050mm 降低为 10mm 左右，变形量趋于稳定；两帮和顶板的变形速率同样降低 为 0.71.4mm/d。由此可知，使用“锚网梁索喷”支护体系支护，巷道围岩的位移 得到有效控制。随后进行了巷道变形数值模拟实验，通过无支护和有支护条件下巷 道变形的数值模拟计算对比，同样可以得到“锚网梁索喷”支护体系对该巷道围岩 变形起到了良好的控制作用。 图 40 幅；表 18 个；参 41 篇。 关键词关键词软岩巷道；围岩变形；EMD-ARIMA； 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 Coal has been a significant role in the construction of national economy, along with coal mining becoming more and more deep, the mine deation monitoring and support and maintenance of soft rock tunnel excavation problem is increasingly outstanding. Solving the problems in the monitoring and prevention of soft rock tunnel is the key to coal mining development of further deep and safety in production, tese problems is an urgent need to the research and the explore. System in this paper discusses the features and the mechanical properties of soft rock and the deation mechanism of soft rock roadways. Based on the analysis of engineering geological conditions and production technical conditions of soft rock roadway in the town coal mine, it determined the physical and mechanical properties for soft rock roadway surrounding rock and law of roadway’s sides and apical plate under effective support throughing indoor testing and on-site monitoring and numerical simulation means. Coal mining town support a 250 m long and 600 m depth of the tape down the mountain tunnel using “beam metal net spray” support system, and it determined the roadway roof and roadway’s by convergence meter. The displacement of roadway deation rate significantly decreased after roadway deation monitoring about 10 d, and the deation has 10 d before 40 50 mm decreased to about 10 mm, and deation become stability; Two sides and roof deation rate also reduced to 0.7 mm to 1.4 mm/d/d. Thus we can see, using “beam metal net spray” support system, the displacement of the roadway surrounding rock is effectively controlled. After numerical simulation experiment of roadway deation by no support and the support conditions of roadway deation numerical simulation comparison, the same we can see “beam metal net spray” supporting system which has a good control effect on the deation of the roadway surrounding rock. Figure 40; Table 18; Reference 41 KeywordsKeywords Soft rock roadways; surrounding rock deation; EMD-ARIMA Chinese books catalogChinese books catalog TD801TD801 万方数据 引 言 - 1 - 目 次 引 言 ....................................................................................................................... 3 第 1 章 绪论 ................................................................................................................. 4 1.1 研究意义 ......................................................................................................... 4 1.2 研究现状 ......................................................................................................... 4 1.2.1 软岩巷道围岩变形监测研究 ............................................................... 4 1.2.2 软岩巷道围岩变形预测方法研究 ....................................................... 6 1.3 研究内容 ......................................................................................................... 8 第 2 章 软岩巷道围岩变形机理研究 ......................................................................... 9 2.1 软岩的定义 ..................................................................................................... 9 2.2 软岩的分类 ..................................................................................................... 9 2.3 软岩巷道围岩的弹塑性变形 ....................................................................... 10 2.4 软岩巷道围岩的流变性 ............................................................................... 11 2.5 本章小结 ....................................................................................................... 12 第 3 章 镇里煤矿软岩巷道围岩特性研究 ............................................................... 13 3.1 矿井地质概况 ............................................................................................... 13 3.2 矿井生产技术条件 ....................................................................................... 16 3.3 围岩物理力学参数 ....................................................................................... 16 3.3.1 围岩岩性特征 ..................................................................................... 17 3.3.2 岩石密度实验 ..................................................................................... 18 3.3.3 岩石单轴压缩实验 ............................................................................. 19 3.3.4 岩石劈裂实验 ..................................................................................... 21 3.3.5 围岩物理力学性质分析 ..................................................................... 22 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 22 第 4 章 镇里煤矿软岩巷道围岩稳定性研究 ........................................................... 23 4.1 巷道围岩概况及支护 ................................................................................... 23 4.1.1 巷道围岩概况 ..................................................................................... 23 4.1.2 巷道支护方式 ..................................................................................... 23 4.1.3 巷道支护参数 ..................................................................................... 25 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 4.2 围岩结构面调查 ............................................................................................25 4.2.1 巷道结构面调查方法 ..........................................................................25 4.2.2 岩体情况及测点位置 ..........................................................................26 4.2.3 结构面信息获取 ..................................................................................26 4.2.4 岩石质量评价及强度参数 ..................................................................31 4.3 巷道围岩变形监测 ........................................................................................32 4.3.1 位移监测仪器 ......................................................................................32 4.3.2 位移监测方法 ......................................................................................32 4.3.3 数据处理分析 ......................................................................................33 4.4 巷道稳定性数值分析 ....................................................................................37 4.4.1 Unwedge 程序分析原理.......................................................................37 4.4.2 数值模拟参数确定 ..............................................................................37 4.4.3 模拟结果分析 .......................................................................................38 4.5 本章小结 ........................................................................................................44 第 5 章 镇里煤矿巷道围岩位移的时序预测模型研究 ............................................45 5.1 位移时序预测模型 ........................................................................................45 5.1.1 EMD 算法 .............................................................................................45 5.1.2 ARIMA 模型.........................................................................................46 5.1.3 EMD-ARIMA 预测模型 ......................................................................47 5.2 EMD-ARIMA 模型在镇里煤矿的应用 ........................................................48 5.3 本章小结 ........................................................................................................52 结 论 ..........................................................................................................................53 参考文献 ......................................................................................................................54 致 谢 ..........................................................................................................................57 导师简介 ......................................................................................................................58 企业导师简介 ..............................................................................................................58 作者简介 ......................................................................................................................59 学位论文数据集 ..........................................................................................................60 万方数据 引 言 - 3 - 引 言 煤炭这类资源是社会发展和经济建设的基础，国内能源利用比重超过了百分之 七十。浅部煤炭资源开发殆尽，开采深度逐渐加深，进入深部的软岩巷道的变形、 冲击地压问题逐渐显现。能否改善煤矿软岩巷道大变形、以及解决支护难题成为当 前亟待研究与探索的课题。 矿山巷道稳定性特别是煤矿巷道变形及破坏是必须重视的问题。围岩变形通常 是由于外在扰动作用使巷道的形状以及大小发生变化，破坏则是发生围岩结构改变 或结构联合丧失。围岩巷道发生变形破坏时必然造成运输停滞、支护装置损坏，甚 至造成人员伤亡，极大的影响着矿山安全生产。所以对软岩巷道进行变形监测，及 时控制破坏的发展，工程意义重大。 工程研究人员已经对巷道变形监测的方法进行了多年的探索，总结了很多的成 果，但是仍存在着很大不足。一次测量存在测点数量少，范围小的缺陷，很难实现 区域性测试，而且测试消耗的时间较长，实时性较差。在目前的方法中很难对围岩 的非连续变形或者突变进行准确测试，不能判断变形破坏的位置，然而这样的信息 对围岩安全性判定至关重要。 因此，本文以巷道变形监测为基础，研究岩体变形预测模型，实现对巷道变形 的监测与预警，为矿山的安全生产提供可靠、科学的理论依据与实际指导。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 第 1 章 绪论 1.1 研究意义 随着国民经济的提升，对煤资源需求日益增长，2008 年，煤炭的生产规模达 到了 27 亿 t，随着需求量的增加，埋藏浅的资源开采殆尽，矿山开采深度逐渐加 深，进入深部开采阶段。煤矿所处的地质条件复杂，深部状态带来的难题越来越 多。很多矿区都出现了巷道围岩失稳、难以用普通方法维护的难题。国内已经有超 过 30 个矿区出现了软岩难控制问题，影响矿山生产进度和人员安全。采矿深度的 不断增加只能是软岩难题越来越凸显，巷道的支护方式、维护技术成为制约生产的 主要难题。 总结各种软岩工程的特点，主要是岩体本身的结构特点以及外界环境状况，其 表现为软、碎、散等特征，巷道受到的外力强烈，岩体形变表现出了四周来压和 时间效应，初期快，形变大，初步稳定以后仍然会持续很长时间的发生变形，围岩 的稳定性很难有效控制。 软岩问题在我国被列入了我国重大科研课题，多年来对软岩巷道围岩的支护控 制技术以及理论研究收获了众多成果。例如在巷道支护技术中，逐步形成了锚杆锚 索、喷射混凝土联合支护的方式，以及其他针对特殊地质条件的支护技术。巷道维 护效果的好坏，支护仅仅是一方面，巷道所在的地质环境、地应力状态也起着重要 作用。目前情况，软岩巷道维护呈现出的问题主要是达不到支护效果和投入成本过 高，不能实现矿山生产的高效要求。 因此，本文以镇里煤矿软岩巷道这典型的工程为研究背景，对软岩巷道的变形 研究，并在软岩巷道围岩变形监测的基础上提出新的软岩巷道变形预测模型，为软 岩巷道的安全生产及预防提供一条新的途径。 1.2 研究现状 研究现状主要包括软岩巷道围岩变形监测研究和软岩巷道围岩变形预测方法研 究。 1.2.1 软岩巷道围岩变形监测研究 1）围岩变形量监测 万方数据 第 1 章 绪论 - 5 - 围岩变形量的监测可以分为两个部分岩石表面和内部的移动距离。岩石的表 面位移指通过对巷道顶板、底板或者特定位置进行测量获得的岩石位移数值。围岩 表面移动量易测，直观，是工程中常用的测量指标，本次研究对巷道围岩表面位移 量进行监测。 能够完成对巷道变形监测的仪器主要有以下几种机械式量仪、声波、激光测 距仪等。 机械式是其中最先在巷道变形研究中使用的设备，其操作简单、购买成本低， 例如测枪、收敛计和位移计均被广泛应用。 机电一体化被引入矿山设备中，传统测量仪器实现了数字化、自动测量。这类 仪器精度大幅度提高，但在工程中由于现场条件的限制，实用性降低。20 世纪中 后期，俄罗斯开发了利用超声波特性实现了巷道测距的断面仪。其可以对围岩位移 进行监测，但误差较大。 激光测距法原理是通过激光束来测定被测物与激光仪之间的距离，可以精确并 且远距离检测矿山采场及巷道的变形。矿山中应用广泛的激光测距仪是点与点间的 激光测距仪，可以对围岩的收敛进行检测，瑞士的 TMS 监测仪则是利用 3D 测量 技术，对采场进行监测。近年来，国内专家杨宏民等研制出一种矿用激光测距仪， 应用比较广泛。 全站仪、经纬仪和大地水准仪测量设备属于专业级别的光学测绘仪，目前国内 的建构物及地下开挖工程广泛使用此类仪器，来实现现场实时的变形监测。近年 来，由于数字化近景监测技术的高速发展，采场围岩变形监测技术有了新的突破， 数字化近景监测技术这几年刚刚被应用到矿山领域，国内的韩斯超研发了应用于煤 矿安全监测及预警的监测方法，该技术的原理是通过计算两张同一区域的不同拍摄 角度的两张照片，实现对被监测目标的立体监测，并能计算出某一点变形随时间变 化的情况。 2）围岩应力监测 通常情况下实测的方法都是科学研究的最可靠手段，对于地应力，复杂多变， 某点所受到的应力状态包括大小、方向都不是通过数值计算能够准确得到的。地应 力监测是指利用测试仪器对岩体某点受到的应力大小和方向进行测量。监测数据是 否与实际相匹配主要取决于使用仪器的精度和测量方法。现如今，国内外已经发展 了多种测量方法和多种仪器。 测量原岩应力的方法有两种，直接和间接。前者是利用监测设备对应力的大 小、方向进行记录，建立监测值和原岩应力的关系，再经过计算得到原岩应力的大 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - 小。这种方法有很多种，其中常用的有扁千斤顶法、水压致裂法等。间接法就是利 用传感器或者类似仪器，获得与应力相关的间接物理量，对测得的物理量代入公式 进行计算。间接法包括了应力解除、应变解除等方法。 美国在地应力监测方面做了大量的研究工作，是最早对地应力进行监测的国家 之一。从 20 世纪开始，在胡佛大坝的隧洞中进行了美国国内第一次的地应力测 量。60 年代，南非的研究人员开发出了三轴孔壁应变测量装置，实现了钻孔的全 地应力测量，将之前的监测从二维转为三维，此项技术很快在世界范围推广。到 20 世纪 70 年代，澳大利亚的科研机构在全地应力测量技术的基础上开发出了三轴 空心包体应力计，逐步推广使用。10 年后，学者邓肯利用解析方法对空心包体应 变计的应力场进行了计算并得到有效结果。之后瑞典研制出用在水下的应力计，将 地应力监测设备及技术推上新高度。 1950 年以后我国开始对地应力监测进行了研究，首先在三峡、长江大桥等重 大项目中提出地应力测量。随着重视程度的提高和李四光院士的推动，我国开始了 地应力理论和监测的研究工作。1960 年以后，扁千斤顶法开始在矿山的巷道应力 监测中进行了实地使用。随后武汉岩土所实现了大冶铁矿浅层地应力的监测工作； 李四光指导建设完成了在隆尧的地应力监测站，成功将压磁式应力计应用于工程 中；1970 年后，中科院武汉岩土所成功开发了钻孔变形计，其测量精度和可靠性 都有较大程度的提高。进入 80 年代，矿大发明了 YN3B 型应变计，并在矿山进行 试验测量。在此基础上开发了 YH3B-4 型。90 年代初期，蔡美峰院士对地应力监 测中的温度补偿等多个问题进行研究并研制温度补偿地应力监测设备。 1.2.2 软岩巷道围岩变形预测方法研究 国内关于围岩变形预测的方法主要集中在神经网络和灰色理论方面。随着研究 的不断深入，国内学者纷纷取得了一定的相关研究成果。 杨昌民等将非等时序方法应用到隧道变形的预测研究当中[1]；龙浩对隧道工程 的围岩位移进行预测，采用了马尔科夫链的神经网络模型[2]。利用该模型对测得的 数据进行训练，随后实现对围岩位移随时间变化大小的滚动预测，将实测值和预测 值进行对比得到相对误差，以此对模型进行完善。很大程度提高模型的可靠程度。 国内的邓皇根在研究分析台阶法的围岩变形特点及巷道变形监测的现场要求后，提 出了应用于公路山区隧道开挖变形预测模型，改模型的建立是基于四维新陈代谢 GM（1，1），对隧道开挖进行短期变形预测，并通过控制变形来指导开挖与支 护；开挖 14d 后运用非线性分析法实现远期预测和开挖后位移量预测，通过最终下 万方数据 第 1 章 绪论 - 7 - 沉量的变化来完成引导开挖与支护的目的[3,4]。 王义国等运用灰色 Verhulst 模型对隧道围岩进行预测，其结果表明，该模型可 应用于隧道围岩位移预测[5,6]；张长亮等介绍了目前常用的几种围岩位移的预测方 法，并且分析了各种方法的适用情况[7]；沈建波等运用灰色理论对煤矿的巷道位移 预测进行研究[8]；黄明华等结合灰色等时距 GM（1，1）模型、新陈代谢 GM（1， 1）模型和 Verhulst 模型三种常用模型的优点，创建了新的新陈代谢 GM1，1模 型，来预测隧道开挖过程中的顶板位移变化情况，来实时监测隧道开挖过程[9]；陈 勇等在研究具体工程的基础上，创建灰色系统 GM（1，1）、DGM（2，1）模型 和 Verhulst 模型，对监测数据进行线性回归拟合计算，相较于一般的 GM（1，1） 灰色预测模型，该模型可以更精确的实现对围岩变形的短期预测[10]；实践证明， DGM（2，1）和 Verhulst 模型在工程中对变形预测的精度更高，开挖过程中能精 确的预测开挖隧道围岩的变形以及开挖后的最终位移量，对工程开挖以及巷道支护 提供可靠的依据。霍玉华等在分析了大量的工程开挖数据后，创建了针对围岩变形 预测的灰色模型和三种改进型模型 GM（1，1），经过大量的数据分析及对比，可 以很明显的发现一般的灰色预测模型 GM（1，1）更适合围岩变形的短期预测，在 对比更新递增以及新陈代谢模型后，发现长期预测时模型的预测精度更高[11]。 但是，由于灰色理论的模型只适合于预测单调变化数据序列，因此，在面对数 据序列变化相对复杂的情况是，其预测结果往往差强人意。