深部大断面硐室围岩控制机理与技术研究(1).pdf

分类号分类号 TD322 密密 级公级公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 深部大断面硐室围岩控制机理深部大断面硐室围岩控制机理 与技术研究与技术研究 魏魏 夕夕 合 合 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名林林 东东 才才 职职 称称教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月二零一二年六月 论文题目论文题目 深部大断面硐室围岩控制机理深部大断面硐室围岩控制机理 与技术研究与技术研究 作者姓名作者姓名 魏魏 夕夕 合合 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 领域名称领域名称 采矿工程采矿工程 研究方向矿山压力与岩层控制研究方向矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 林林 东东 才才 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2012 年年 6 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2012 年年 6 月月 RESEARCH AND APPLICATION ON STABILITY OF SURROUNDING ROCK OF CHAMBER WITH DEEP LARGE SECTION A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wei Xihe Supervisor Lin Dongcai College of Natural Resources and Environmental Engineering Jun 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 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。 硕士生签名 日 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 要 摘 要 随着矿井开采规模的扩大及开采深度的增加，工程地质力学环境变得越来越复杂， 造成硐室围岩破坏程度趋于严重、控制难度增加，尤其是立体交叉泵房硐室群围岩稳定 性控制难题，作为主要开拓巷道严重限制了深部煤炭资源的安全高效开采；深部泵房硐 室围岩特殊的工程力学特性、塑性流变及剪胀扩容大变形特征，加之高地压、高构造应 力及工程偏应力的作用，传统浅部巷道及硐室的支护理论与方法已经不能完全适应深部 构造复杂区域大断面泵房硐室围岩稳定性控制的需要，因此，深入研究深部构造复杂区 域软弱破碎围岩大断面泵房硐室整体稳定性控制理论与技术，充分考虑深部复杂地质及 力学环境、深部岩石物性状态的改变及其所表现出来的非线性力学特征，制定适合深部 泵房硐室围岩复杂岩石介质性质及工程地质力学特性的控制原则、对策及耦合支护参数 设计方法，不仅可以丰富现有深部巷道及硐室围岩稳定性控制理论，而且对于深部岩体 工程具有重要的现实指导意义。 本文采用理论分析、数值模拟及现场实测等综合研究方法，对深部构造复杂区域大 断面泵房硐室围岩变形破坏特征及围岩应力场演化规律进行分析研究。通过室内实验及 现场测试，研究获取了深部大断面泵房硐室围岩变形破坏的内因及主要力源，据此进行 泵房硐室围岩类型划分归类， 总结提出影响深部大断面泵房硐室围岩稳定性的影响因素， 并对其影响程度及敏感性进行分析；运用弹塑性力学及粘弹性力学理论对深部硐室围岩 力学特性、变形特征进行研究，运用数值模拟软件建立三维数值模型对大断面硐室开挖 应力分布特征、位移演化规律、塑性破坏形态及范围进行分析研究，确定了抗让结合的 控制原则，制定了采用关键部位耦合支护控制技术底脚锚杆全断面锚索加强支护的强 抗微让的深部构造复杂区域大断面硐室围岩稳定性控制对策，以及深部构造复杂区域大 断面泵房硐室围岩稳定性“板块运动区域构造硐室围岩”逐级控制的思想，研究提 出了基于强力护表及提高围岩自承能力的多层有效组合拱理论；通过数值模拟对硐室支 护时空关系进行了分析，并对特种组合支护情况下泵房硐室立体交叉硐室群整体稳定性 进行了模拟分析评价；在葛亭煤矿 230 扩容泵房硐室成功应用，有效地控制了硐室围岩 变形，保证了硐室围岩的长期稳定，对类似地质条件下深部复杂条件大断面硐室支护具 有重要参考价值。 关键词关键词深部立体交叉硐室群，围岩结构，围岩力学特性，耦合支护，时空关系 山东科技大学硕士学位论文 Abstract Abstract With the mine scale expanding and mining depth increasing, engineering geological mechanical environment is becoming more and more complex, leading to damage Trend of surrounding rock of the chamber to be serious, and controlling difficulty is increased, especially the stability control of surrounding rock of interchanging chambers become more difficult, It severely limits safety and high efficiency mining of the deep coal resources, special engineering mechanical properties surrounding rock of deep pumping chamber, plastic rheology and dilatancy deation characteristics, and the comprehensive effect of high pressure, high tectonic stress, engineering deviatoric stress effect, the traditional support theory and s of shallow roadway and chamber have been unable to fully adapt to surrounding rock stability control needs of large section chamber of the deep geological structure complex area, therefore, thorough research surrounding rock stability controlling theory and technology of the deep geological structure complex area, fully considering the deep complicated geological and mechanical environment, deep rock physical state changes and the nonlinear mechanical characteristics, it can not only enrich surrounding rock stability control theory of deep roadway and chamber, but also for the deep rock engineering to be important practical significance. The thesis uses theoretical analysis, numerical simulation, field survey and so on comprehensive research s, mainly include surrounding rock deation and failure characteristics and surrounding rock stress field evolution analysis of large section pump chamber of the deep structure complex area. Through indoor experiment and detection of underground, mastering the local rock microstructure characteristics and main component and main influencing factors of surrounding rock failure of deep chambers, Applicating viscoelastic mechanics theory of analysing mechanics characteristics and deation and failure characteristics of surrounding rock of the deep chamber, using numerical simulation to establish a three-dimensional numerical model for excavation stress distribution, displacement evolution, plastic failure and range analysis of large section chamber, developing the control principle of a resistance to let in combination, put forward the strong resistance and micro control measures the coupling supporting technology foot anchorfull section anchor strengthened support of surrounding rock stability of large section chamber of deep structure complex area, as well as “the plate movement - the regional tectonic - chamber rock“ step by step control theory of surrounding rock stability of large section cavern in the deep structure 山东科技大学硕士学位论文 Abstract complex area, Through the numerical simulation supporting temporal relations are analyzed, and chambers overall stability are simulated and predicted uation with the special combined supporting case; it applied successfully in Ge Ting coal mine 230 expansion pump chamber, effectively controlled the deation of surrounding rock, ensured long term stability of the chamber surrounding rock, it provides important reference value for large cross section chamber support with the similar geological condition in deep and complex area of geological structure. Keywords deep interchanging chambers, surrounding rock structure, mechanical characteristics of surrounding rock, coupling support, temporal relation 山东科技大学硕士学位论文目录 目 录 目 录 1 绪绪 论论1 1.1 课题提出及研究意义1 1.2 国内外深部开采状况及支护理论研究现状 2 1.3 深部硐室围岩稳定性及其控制存在的主要问题7 1.4 研究的主要内容、方法及技术路线9 2 深部大断面硐室围岩性质及稳定性影响因素分析深部大断面硐室围岩性质及稳定性影响因素分析12 2.1 工程地质条件分析12 2.2 泵房硐室围岩岩性特征与区域原岩应力测试15 2.3 深部大断面泵房硐室围岩类型及稳定性影响因素19 2.4 本章小结 23 3 深部大断面泵房硐室围岩力学特征及稳定性控制对策研究深部大断面泵房硐室围岩力学特征及稳定性控制对策研究24 3.1 深部大断面泵房硐室围岩变形破坏力学机理分析24 3.2 深部大断面硐室围岩应力动态演化规律及变形破坏特征27 3.3 深部大断面硐室围岩稳定性控制原则与对策34 3.4 本章小结 38 4 深部大断面泵房硐室围岩稳定性控制及时空关系研究深部大断面泵房硐室围岩稳定性控制及时空关系研究 39 4.1 深部大断面泵房硐室围岩加固机理与控制研究39 4.2 深部大断面硐室围岩稳定性控制时空关系 48 4.3 立体交叉硐室群围岩整体稳定性分析评价 56 4.4 本章小结 61 5 深部大断面泵房硐室稳定性控制技术工程应用研究深部大断面泵房硐室稳定性控制技术工程应用研究 63 5.1 深部泵房硐室断面优化及控制设计63 5.2 深部大断面泵房硐室矿压规律监测与反馈研究69 5.3 本章小结 73 6 主要结论与展望主要结论与展望74 6.1 主要结论74 山东科技大学硕士学位论文目录 6.2 不足与展望 76 致致 谢谢78 参考文献参考文献79 攻读硕士期间主要研究成果攻读硕士期间主要研究成果83 山东科技大学硕士学文论文 Contents Contents 1 Introduction.........................................................................................................1 1.1 Raising of project and research significance..1 1.2 Current research situation of deep mining and supporting.2 1.3 Main problems of supporting and stability on high stress soft rock chamber of deep mine7 1.4 Main research contents and s.9 2 Analysis of surrounding rock properties and stability influence factors of deep large section chamber..................................................................................................................................................12 2.1 Analysis of engineering geologic condition....12 2.2 Surrounding rock structure and lithology of deep large section pump chamber..15 2.3 Regional initial rock stress measurement of pump chambers.19 2.4 Chapter conclusion..23 3 Mechanics characteristics and stability control countermeasure of surrounding rock of deep large section pump chamber....24 3.1 Mechanism analysis of surrounding rock deation and failure of deep large section pump chamber24 3.2 Dynamic stress evolution and deation characteristics of surrounding rock of deep large section chamber..27 3.3 Control principle and countermeasure of surrounding rock stability of deep large section chamber34 3.4 Chapter conclusions....38 4 Stability control and spatial temporal relation research of surrounding rock of deep large section pump hamber..39 4.1 Surrounding rock control and strengthening mechanism of deep large section pump chamber39 4.2 Temporal relations of surrounding rock stability control of deep large section chamber48 4.3 Stability analysis uation of stereo cross chambers surrounding rock...56 山东科技大学硕士学文论文 Contents 4.4 Chapter conclusions...61 5 Applied research on stability control technology of the deep large section pump chamber63 5.1 Section optimization and control design of deep pumping chamber...63 5.2 The law of mine pressure monitoring and feedback research of deep large section pump chamber69 5.3 Chapter conclusions73 6 Main conclusions and suggestion.74 6.1 Main conclusions74 6.2 Existing problems and suggestion76 Acknowledges..78 Main Reference Documents.79 Main Work Achievement of the Author during Studying on Master Paper.83 山东科技大学硕士学文论文绪论 1 绪绪 论论 1.1 课题提出及研究意义课题提出及研究意义 能源、人口及环境仍然是当今国际公认的三个重要科学难题，能源是当今国家经济 迅速发展的重要保障，其中煤炭多年来一直是我国的主要能源，我国国有煤炭年产量也 在不断的增加，从 2009 年的 29.6 亿 t 到 2011 年 32.5 亿 t，为确保国内主要能源安全， 21 世纪我国最经济有效的能源和矿产资源保障措施就是进行深部资源开发利用。 我国通 过各种方式已探明煤炭储量约占世界探明总量 11.1，而石油与天然气资源约占总能源 量 2.4与 1.2左右，煤炭在我国能源保障中的重要地位在未来很长一段时间内将不会 改变。 统计显示，我国煤炭深埋于地下 1000m 以下的储量约占 2.95 万亿 t，约占煤炭总储 量的 53左右。随着国内外能源需求的增加和矿山开采强度一直加大，浅部的资源日益 枯竭，国内外矿山必将进行深部的煤炭开采。统计表明，我国煤矿的开采深度超过 600m 多达 100 余处， 在这些煤矿中有 19 处开采深度已经超过了 1000m， 其中典型的唐口煤矿 与孙村煤矿最大开采深度达 1300m，且近年来我国煤矿开采深度以（8～12）m/a 的速度 不断增加，东部矿井的开采深度更是以（10～25）m/a 的速度增长，接下来 20 年，我国 许多煤矿尤其东部矿井其开采深度将进行 1000～1500m 的深部开采。 随着矿井开采规模的扩大及开采深度的增加，工程地质力学环境变得越来越复杂， 造成硐室围岩破坏程度趋于严重、控制难度增加，尤其是立体交叉泵房硐室群围岩稳定 性控制难题，作为主要开拓巷道严重限制了深部煤炭资源的安全高效开采；深部泵房硐 室围岩特殊的工程力学特性、塑性流变及剪胀扩容大变形特征，加之高地压、高构造应 力及工程偏应力的作用，传统浅部巷道及硐室的支护理论与方法已经不能完全适应深部 构造复杂区域大断面泵房硐室围岩稳定性控制的需要，因此，深入研究深部构造复杂区 域软弱破碎围岩大断面泵房硐室整体稳定性控制理论与技术，充分考虑深部复杂地质及 力学环境、深部岩石物性状态的改变及其所表现出来的非线性力学特征，制定适合深部 泵房硐室围岩复杂岩石介质性质及工程地质力学特性的控制原则、对策及耦合支护参数 设计方法，不仅可以丰富深部巷道及硐室围岩稳定性控制理论，而且对于深部岩体工程 具有重要指导意义。 1 山东科技大学硕士学文论文绪论 葛亭煤矿 230 扩容泵房处于 330 采区及 230 采区间的向斜轴部盆地，泵房硐室群区 域原岩地应力大，受构造控制；泵房硐室周围小断层较多，邻近大落差 F4断层；同时还 有导水陷落柱存在，因此在此特殊条件下进行大断面硐室施工围岩控制难度大，需要采 取综合技术手段对深部复杂区域大断面泵房硐室围岩赋存状况及物性状态进行详细研 究，通过对葛亭煤矿深部大断面软弱破碎硐室围岩变形机理与控制技术的研究，探索复 杂环境多重应力立体空间大断面泵房硐室围岩的变形与失稳规律，制定其围岩稳定性控 制原则，实施相应的支护控制对策，改善围岩的受力状态，使硐室围岩达到最佳的支护 水平，在保证泵房硐室正常运营的同时，提高矿井的经济效益，对实现矿井的长期稳定 安全高效生产具有重要意义。 1.2 国内外深部开采状况及支护理论研究现状国内外深部开采状况及支护理论研究现状 1.2.1 深部开采研究状况深部开采研究状况 1）国外深部研究历史及状况[1-31] 原西德、波兰、前苏联、英国、荷兰、比利时和日本等国都对深部巷道及硐室的矿 压及其控制技术进行了大量研究。而其中以较早进入深部开采的前苏联和原西德的研究 最为深入全面。同时，前者侧重深井巷道及硐室围岩矿压及其控制理论研究的代表，而 后者则侧重于深井巷道及硐室矿压控制实用技术的研究代表。 早在上世纪 60 年代， 原西 德就已经开展 800m～1200m 深度的深部开采新问题的研究，上世纪 70 年代就已经开始 研究 1200m～1500m 以深的开采技术问题，80 年代即开展研究了 1600m 的深部开采理 论及技术问题， 并且逐步建立了融理论计算、 模型试验及现场实测于一体的深部“岩层控 制系统”。 前苏联紧跟其后， 对 1000m～1400m 的极深部资源开采存在的问题进行了深入 研究。国外对深部的界定标准如表 1.1 所示。 表 1.1 国外深部开采标准 Tab.1.1 Deep mining standards abroad 国家 德国 前苏联波兰英国日本 开采深度∕m 8001200800 750750600 从调研的国外深部研究状况分析，国外的相关问题的研究一方面是将已有的基础力 学理论与矿山压力成果结合应用于处理深部开采的新问题，同时结合深部资源开采的特 2 山东科技大学硕士学文论文绪论 殊性和基本国情对深部巷道及硐室矿压控制技术进行了深入研究；另一方面通过理论分 析、计算机数值模拟演算、相似材料模拟实验及现场观测等综合研究手段对深部开采应 力场演化、巷道及硐室动显规律和深部巷道矿压控制技术等进行了系统的研究。 原西德 G埃佛林采用数值模拟的方法，计算得出了 1000m 深处铅直应力将会达到 23～25MPa，1200m 深度时 30MPa，预测 1600m 深度时达到 40MPa，研究发现垂向原岩 应力与埋深基本呈线性相关。 前苏联使用/ c Hγσ（其中 c σ巷道或硐室围岩抗压强度，γ巷硐覆岩平均容重） 的值表征深井巷道围岩稳定性，前苏联采用多种方式研究表明，随着煤矿开采深度逐渐 增大，巷道或硐室围岩变形量呈近似线性增大；从