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硕士学位论文 潘一东矿软岩巷道复合型底鼓机理 及控制技术研究 Study on Compound Floor Heave Mechanism and Control Technology of Soft Rock Roadway in Pan Yidong Coal Mine 作者王龙江 导师张农教授 中国矿业大学 二○一四年五月 长江学者和创新团队发展计划资助项目（IRT1084） 国家自然科学基金资助项目（51274193） 万方数据 中图分类号TD353学校代码10290 UDC622密级公开 中国矿业大学 硕士学位论文 潘一东矿软岩巷道复合型底鼓机理 及控制技术研究 Study on Compound Floor Heave Mechanism and Control Technology of Soft Rock Roadway in Pan Yidong Coal Mine 作者王龙江导师张 农教授 申请学位工学硕士培养单位矿业工程学院 学科专业采矿工程研究方向巷道围岩控制 答辩委员会主席评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 64 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文潘一东矿软岩巷道复合型底鼓机理及 控制技术研究 ， 是本人在导师指导下， 在中国矿业大学攻读学位期间进行的研 究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名 年月日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、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学校档案馆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，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、 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。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名导师签名 年月日年月日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生王 龙 江在规定的学习年限内，按照研究生培养 方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下 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。 导师签字 年月日 万方数据 致谢致谢 在论文完成之际，我首先要向我的导师张农教授致以祟高的敬意和深深的 谢意。我能顺利完成课题和论文，与导师的精心指导和深切关怀是分不开的。 导师的和蔼可亲、导师的诲人不倦、导师严谨的治学态度、精湛的学术造诣、 兢兢业业的敬业精神、勤勉豁达的人生态度，深深地影响着我，教育着我，使 我终生受益。学生的每一点进步，都凝结着导师的辛勤与汗水。在此，谨向我 尊敬的导师张农教授致以深深的敬意和感谢。 在三年研究生期间， 得到了课题组各位老师和师兄弟们的极大关心和支持， 感谢郑西贵副教授、 阚甲广副教授、 赵一鸣老师、 李桂臣副教授以及薛飞博士、 钱德雨博士在现场实践学习中给予的指导和帮助， 在此也要感谢阚甲广副教授、 李桂臣副教授、郑西贵副教授、赵一鸣老师、许兴亮副教授、季明老师、李宝 玉博士在论文开题及论文写作中所提出的宝贵意见和指导。感谢李志兵、姚志 刚、史英男、杨丁、王逸凡、孙春生、张鹏冲、刘洪洋、姚亚虎、孟子浩、徐 华君、白云勃、陈瑶等师兄弟们在现场实践中给予的帮助与支持。感谢课题组 王晓卿、武精科、潘东江、张明、姜凯、张志义等为本论文提供的数据及论文 的指导。感谢课题组陈红、张磊、刘娜、黄中锋、史英男、曹栩，舍友程才、 胡明明在数值模拟过程中给予的指导和在论文写作中提出的宝贵建议。 同时还要感谢室友程才、胡明明、陈瑶等，三年来大家相互学习，相互促 进，共同进步，有了他们这些可爱的朋友，生活变得更加丰富多彩。 感谢淮南潘一东矿总工程师何吉春、 肖长春副总、 王利副总、 孙志国副总、 林光志科长的大力支持和帮助，对潘一东矿孔翔、张立江、刘洋、任启明等技 术骨干在矿进行科研活动时给予的帮助一并表示谢意。 在本文的写作过程中，参考了许多专家学者的重要著作和文献资料，他们 卓越的研究成果给了我极大的启迪和帮助，在此向本文参考文献的著者表示衷 心的感谢 感谢父母含辛茹苦把我养大，养育之恩无以为报，唯有用努力去见证我对 这份情的敬重。感谢三叔、表哥等亲戚在生活上对我的支持与帮助。感谢女友 王珊一直以来对我的关心和支持。感谢张兴旺、谢超、张丽、王培龙等朋友在 生活上对我的鼓励和支持。 感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，由于作者水平有限，文中难 免有不足和疏漏之处，希望各位专家、教授给予批评指正，热切希望得到您的 指导和帮助。 万方数据 I 摘要摘要 底鼓是软岩巷道矿压显现的一个重要特征，在深井中这一问题表现的尤为 突出。论文运用实验室试验、理论分析、数值计算以及工业性试验相结合的综 合研究方法，以淮南矿区潘一东矿西翼 2轨道石门为研究对象，深入研究了潘 一东矿软岩巷道复合型底鼓特征，提出了针对性的控制技术，并在工程实践中 得到了应用，主要结论如下 （1）基于现场实测得到了 2轨道石门原岩应力场分布特征，同时在实验 室测得了石门底板岩石力学性质， 并通过 X 射线衍射实验获取了石门底板围岩 的组分构成； （2）通过理论分析将潘一东矿西翼 2轨道石门底板归类为剪切滑移-物化 膨胀型的复合型底鼓。研究了石门底板胶体膨胀变形力学机制，形成了控制底 板物化膨胀底鼓的基本措施；同时基于底鼓的力学原理研究了石门底板剪切滑 移变形机制，建立了剪切滑移底鼓的力学模型，揭示了底板剪切滑移底鼓的形 成过程，推导了控制剪切滑移底鼓的最小支护载荷计算公式，提出了控制剪切 滑移底鼓措施； （3） 利用 FLAC3D数值模拟软件， 研究了不同侧压系数对石门底鼓的影响， 对合理布置石门方向提供参考，并对同一侧压系数下石门底板在不同支护条件 下的底鼓量、应力分布、塑性区分布进行了数值计算； （4） 提出了高预应力锚索束、 中空注浆锚索等软岩巷道底板控制关键技术， 相关成果在潘一东矿西翼 2轨道石门中进行了工业性试验应用， 结果表明石门 底板维护状况良好，底板围岩保持了长期稳定。 该论文有图 40 幅，表 9 个，参考文献 77 篇。 关键词关键词软岩巷道；底鼓；数值模拟；锚注一体化 万方数据 II Abstract Floor heave is an important feature of strata behaviors in soft rock roadway, this problem is particularly prominent in deep wells. Take west wing 2 track cross-cut in Pan Yidong coal mine of Huainan mining area for example, the paper used four s which are theoretical analysis, numerical analysis,industry and laboratory experiment, further study compound floor heave feature , proposed targeted control technology and applied to engineering practice of soft rock roadway in Pan Yidong coal mine,the main conclusions are as follows 1Based on field measurement obtained distribution of rock stress field of 2 orbital cross-cut, measured the rock mechanical properties of the cross-cut floor, obtained the rock composition of cross-cut floor through the X-ray diffraction experiment; 2Through the theoretical analysis, put the roadway floor classified as shear slip - materialized expansion compound floor heave of west wing 2 track cross-cut in Pan Yidong coal mine. Studied colloidal swelling deation mechanism of cross-cut floor ,ed the basic control measures of floor physical and chemical expansion; based on the floor heave mechanics，studied shear slip deation mechanism of cross-cut floor,established mechanical model of shear slip floor heave,revealed the ation process of shear slip floor heave,deduced the minimum support load calculation ula of control shear slip floor heave,proposed control measures of shear slip floor heave; 3Using numerical simulation software FLAC3D, studied different side pressure coefficient on the floor heave of cross-cut , provide reference of cross-cut layout direction and conducted numerical simulations which are floor heave amount, stress distribution,the distribution of plastic zone under different support conditions in the same side pressure coefficient; 4Proposed series of floor control key technologies including the anchor cable beam,hollow grouted anchor cable in soft rock roadway, applied to the industrial experiment of west wing 2 track cross-cut in Pan Yidong coal mine, showed well maintained of cross-cut floor by mine pressure observation, maintained a long-term stablity of floor rock. The paper has together 40 figures,9 tables and 77 references. Keywords soft rock roadway； floor heave； numerical simulation； the integrity of bolting and grouting 万方数据 III 目录目录 摘要摘要 ....................................................................................................................... I 目录目录 .................................................................................................................... III 图清单图清单 ................................................................................................................... VII 表清单表清单 ...................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................ XI 1 绪论绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 研究意义 ............................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 存在问题 ............................................................................................................ 8 1.4 研究内容与技术路线 ........................................................................................ 8 2 石门复合型底鼓机理研究石门复合型底鼓机理研究 .................................................................................. 11 2.1 石门原岩力学特性与应力场测试 .................................................................... 11 2.2 软岩巷道底鼓机理分类 ....................................................................................13 2.3 石门复合型底鼓机理 .......................................................................................14 2.4 本章小结 ...........................................................................................................20 3 石门底鼓数值计算分析石门底鼓数值计算分析 ......................................................................................21 3.1 模型建立 ...........................................................................................................21 3.2 数值模拟方案 ...................................................................................................22 3.3 不同侧压系数的模拟研究 ................................................................................22 3.4 不同支护条件的模拟研究 ................................................................................27 3.5 本章小结 ...........................................................................................................33 4 石门底板控制技术石门底板控制技术 ..............................................................................................35 4.1 预应力锚索束支护技术 ....................................................................................35 4.2 中空注浆锚索支护技术 ....................................................................................37 4.3 新型水泥材料 ...................................................................................................39 4.4 施工机具及质量要求 .......................................................................................39 5 工业性试验工业性试验 ..........................................................................................................43 5.1 工程概述 ...........................................................................................................43 万方数据 IV 5.2 支护方案 ...........................................................................................................46 5.3 支护参数 ............................................................................................................47 5.4 底板后续施工 ...................................................................................................51 5.5 矿压观测分析 ...................................................................................................52 5.6 本章小结 ...........................................................................................................55 6 结论结论 .....................................................................................................................56 参考文献参考文献 .................................................................................................................58 作者简历作者简历 .................................................................................................................63 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ..............................................................................................64 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................65 万方数据 V Contents Abstract .................................................................................................................. II Contents ................................................................................................................... V List of figures ........................................................................................................ VII List of tables ............................................................................................................. X List of variables ..................................................................................................... XI 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1 Research Significance .......................................................................................... 1 1.2 Research at Home and Abroad ............................................................................. 2 1.3 Existing Problem ................................................................................................. 8 1.4 Research Objectives and Technical Approaches ................................................... 8 2 The Study of Compound Floor Heave Mechanism in Cross-cut........................ 11 2.1 The Original Rock Mechanical Properties and Stress Field Test of Cross-cut ...... 11 2.2 The Classification of Floor Heave Mechanism in Soft Rock Roadway ................13 2.3 Compound Floor Heave Mechanism of Cross-cut ...............................................14 2.4 Brief Summary ...................................................................................................20 3 Numerical Simulation Analysis of Cross-cut Floor Heave .................................21 3.1 Numerical Simulation Model ..............................................................................21 3.2 Numerical Simulation Programs .........................................................................22 3.3 Numerical Simulation With Different Side Pressure Coefficient..........................22 3.4 Numerical Simulation With Different Support Programs .....................................27 3.5 Brief Summary ...................................................................................................33 4 Floor Control Technology of Cross-cut Floor .....................................................35 4.1 Support Technology of Anchor Cable Beam........................................................35 4.2 Support Technology of Hollow Grouted Anchor Cable .......................................37 4.3 New Cement Slurry ............................................................................................39 4.4 Construction Equipment and Quality Requirements ............................................39 5 Industrial Experiment .........................................................................................43 5.1 Introduction of Engineering ................................................................................43 5.2 Supporting Program ............................................................................................46 万方数据 VI 5.3 Supporting Parameters ........................................................................................47 5.4 Follow-floor Construction...................................................................................51 5.5 Mine Pressure Observing Analysis .....................................................................52 5.6 Brief Summary ...................................................................................................55 6 Conclusions ..........................................................................................................56 References ...............................................................................................................58 Author Resume .......................................................................................................63 Declaration of Thesis Originality ...........................................................................64 Thesis Date Collection ............................................................................................65 万方数据 VII 图清单图清单 图序号图名称页码 图 1-1技术路线10 Figure1-1Technology pathway10 图 2-1剪切滑移型底鼓13 Figure2-1The shear slip type floor heave13 图 2-2压曲褶皱型底鼓14 Figure2-2The flexural fold type floor heave14 图 2-3剪切滑移底鼓力学分析图及分区示意图17 Figure2-3 The shear slip type floor heave mechanics analysis chart and schematic partition 17 图 2-4底板受力计算图18 Figure2-4The stress analysis figure of floor18 图 2-5剪切滑移底鼓临界载荷计算分析图18 Figure2-5The calculation analysis chart of shear slip type floor heave critical load18 图 3-1数值计算模型21 Figure3-1Numerical simulation model21 图 3-2不同侧压系数下巷道竖直方向位移图23 Figure3-2Contour zdis of roadway with different side pressure coefficient23 图 3-3不同侧压系数下巷道最大底鼓量24 Figure3-3 The maximum heaves of roadway with different side pressure coefficient24 图 3-4不同侧压系数下顶板最大下沉量24 Figure3-4 The maximum roof convergence of roadway with different side pressure coefficient 24 图 3-5不同侧压系数下顶底最大移近量24 Figure3-5 The maximum roof to floor deation with different side pressure coefficient 24 图 3-6不同侧压系数下巷道水平方向位移图25 Figure3-6Contour xdis of roadway with different side pressure coefficient25 图 3-7不同侧压系数下两帮最大移近量26 Figure3-7 The ma