不良地层超前探测预报及巷道支护研究.pdf

中图分类号婴三三三 U DC 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 三三3 密级公五 不良地层超前探测预报及巷道支护研究 S t u d yO n t h eA d v a n c eG e o l o g i c a lP r e d i c t i v eD e t e c t i o n o fW e a kR o c k m a s sa n dT u n n e lS u p p o g T e c h n i q u e s 作者姓名宁果果 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师曹平教授 副指导教师 论文答辩日期幽墨』i 6答辩委员会主席 中南大学 二。一三年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名壶复翌日期鲨生．_ 年尘月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期立B 年』月丝E l 摘要 不良地层超前探测预报及巷道支护研究 摘要软弱破碎不良地层条件下的地下巷道开挖掘进及支护由于其本 身固有的工程特殊性，一直以来都是岩体工程力学领域中非常棘手的 难题。地下巷道开挖掘进及支护与工程围岩质量有最直接的关系，不 同方案的选择可能决定了施工整体进度效率。在目前的矿山施工中， 往往只能通过地质钻孔、超前探测孔等相对比较传统的手段进行地质 探测，传统的地质探测存在距离短、施工缓慢、安全隐患等缺点，因 此导致在巷道掘进施工中，碰到不良地质体如断层、软弱破碎带、积 水坑硐时，就会造成大量的经济损失甚至人员伤亡。 基于此，本文结合三门峡铝土矿快速掘进技术研究，开展现场调 研、岩石室内实验、超前地质探测技术试验、支护方案设计及应用研 究，针对存在的软弱破碎围岩条件下的施工中的普遍问题，就如何安 全高效加快地下巷道掘进施工技术展开研究，主要包括两个主要部 分，分别为超前地质探测预报技术研究和地下巷道支护体系优化研 究，取得以下创新性研究成果。 1 三门峡铝土矿区主要有五种岩体，分别为铝土矿岩、灰岩、 铁质页岩、粘土页岩、炭质页岩，岩体属于软弱破碎岩层，总体特征 为矿区构造裂隙发育，情况复杂多变，矿岩稳定性较好，围岩质量较 差，工程地质条件较差。 2 施工中面临的主要施工难题为支护施工效率非常缓慢，不能 满足矿山基建要求，特别遇到大型断层破碎带、积水老窿等地质不 良体，施工往往一筹莫展，应从精确可靠的超前地质探测研究和新 型高效的巷道支护方案研究两个切入点入手，可有效解决施工进度 缓慢这一难题。 3 T R T 6 0 0 0 超前地质探测预报不需要钻孔和炸药耗材，重复性 强、安全可靠，扰动小，地震波信号真实可靠，测量精度和探测灵敏 度非常高，提高超前探测距离；T R T 6 0 0 0 成像原理是层析扫描成像技 术，通过地震波数据中的波速和传播时间等参数叠加计算，推断反射 界面位置、规模、形状，最后形成三维立体地质预报图。 4 通过超前地质探测工业试验表明，T R T 6 0 0 0 超前地质探测预 报功能强大，灵活多变，反应良好，预报结果准确无误，对矿山巷道 掘进施工有很大的指导意义，T R T 6 0 0 0 超前探测技术可以在矿山各类 巷道开挖工作推广，避免安全事故，提高效率，加快矿山的生产建设。 I I 硕士学位论文摘要 5 针对矿区实际围岩条件，提出了两种新型的支护方案即钢纤 维喷射混凝土支护方案和超前小导管注浆喷锚联合支护方案，对其支 护技术及施工工艺进行讨论分析，并进行支护方案工业试验。支护方 案的围岩监测结果表明，新型的支护方案在三门峡铝土矿山的巷道掘 进施工中效果显著，可广泛推广使用。 本文的研究成果可为类似工程施工提供重要指导作用，同时为今 后的软弱破碎围岩条件下巷道开挖掘进及支护理论研究提供新的思 路和方法。 图5 2 幅，表2 5 个，参考文献8 0 篇 关键词超前地质探测，T R T 6 0 0 0 ，巷道支护，钢纤维喷射混凝土， 围岩监测 分类号T D 3 5 3 ，T D 2 6 3 I I I 硕士学位论文 A B S T R A C T S t u d yO n t h eA d v a n c eG e o l o g i c a lP r e d i c t i v eD e t e c t i o no fW e a k R o c k m a s sa n dT u n n e lS u p p o r tT e c h n i q u e s A B S T R A C T D u et ot h ei n h e r e n tp a r t i c u l a r i t yo ft h e d r i v a g ea n d s u p p o r t i n go fr o a d w a y si nw e a ka n db r o k e ns u r r o u n d i n gr o c k s ，m e ya r e a l w a y st o u g hc o n d u n d r u m s i nt h e e n g i n e e r i n gg e o m e c h a n i c s ．T h e d r i v a g ea n di t ss u p p o r t i n gh a v ed i r e c tr e l a t i o n sw i t ht h eq u a l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k ．A n dt h ed i f f e r e n ts c h e m eo fd r i v a g ea n ds u p p o r tc o u l d d e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ．C u r r e n t l y , t h et r a d i t i o n a lw a y so fg e o l o g i c a ld e t e c t i o na n de x p l o r a t i o n ，s u c ha s g e o t e c h n i c a lb o r i n ga n da d v a n c e dd e t e c t i o n ，a l w a y sa r eu s e di nt h em i n e c o n s t r u c t i o n ．H o w e v e r ，t h e s et r a d i t i o n a lm e t h o d sh a v es o m ef a u l t s ，l i k e s h o r ts u r v e yd i s t a n c e ，s l o wc o n s t r u c t i o na n ds a f e t yf a u l t s ．T h e s ef a u l t s c o u l dl e a dt ol a r g ee c o n o m i cl o s s e se v e nc a s u a l t i e sw h e nt h ed r i v a g e m e e tu n f a v o r a b l eg e o l o g ys u c ha sf a u l t s ，w e a k - f r a c t u r ez o n e sa n d p o n d i n gc a v i t y ． B a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，t h er e s e a r c ho fs p e e d yd r i v a g ei nS a n m e n x i a B a u x i t ew a ss t u d i e dt oa c c e l e r a t et h ed r i v i n go p e n i n g ss a f e l ya n d e f f e c t i v e l y , a i m i n gt ot h eg e n e r ap r o b l e mo fd r i v a g ei nw e a ka n db r o k e n s u r r o u n d i n gr o c k s ．C o m b i n e dw i t hs i t ei n v e s t i g a t i o n ，r o c kl a b o r a t o r yt e s t s ， a d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o nt e s ta n ds u p p o r t i n gs c h e m ed e s i g n sa n di t s a p p l i c a t i o n s ，t h i sr e s e a r c ht h e s i sc o n t a i n e dt w o m a i np a r t s ．O n eo ft h e mi s a d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，a n dt h eo t h e ro n ei s t h es y s t e mo p t i m i z m i o no fs u p p o r t ．T h es t u d yr e s u l t si n c l u d ea sf o l l o w s ． 1 I nS a n m e n x i ab a u x i t em i n er o c ks t r a t u m ，f i v et y p eo fr o c k m a s s ，t h a ti sb a u x i t er o c k ，l i m e s t o n e ，f e r r u g i n o u ss h a l e ，g r a p h o l i t h ， c a r b o n a c e o u ss h a l e ，c o m p o s et h em o s to ft h ew e a ka n dc r u m b l ys t r a t ai n m i n i n go p e r a t i o na r e a ．H e n c er o c ko v e r a l lq u a l i t yi nm i n i n ga r e ai so f l o w e rq u a l i t yd u et os t r u c t u r a lf r a c t u r ei ns t r a t u ma n dr o c kl a y e r , i n a d d i t i o nt h er o c kl a y e r ’Sd i s t r i b u t i o ni sm u c hc o m p l i c a t e dl e a dt ot h ep o o r c o n d i t i o nf o rp r o je c tc o n s t r u c t i o n ． 2 T h em a j o rr e a l i s t i cd i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ec o n s t r u c t i o ni st h e s u p p o r t i n ge f f i c i e n c yw h i c hi s a tv e r yl o wl e v e la n dc a n n o ta f f o r dt h e r e q u i r e m e n t s o fm i n e i n f r a s t r u c t u r e ，e s p e c i a l l y w h e nf a b r i c a t i o n I V 硕士学位论文 A B S T R A C T e n c o u n t e rl a r g ef a u l t ，s t a g n a n tw e a k - f r a c t u r ez o n e so rp o n d i n gc a v i t y ．T o s t u d ya n de x p l o r es o l u t i o nt o t h i s p r o b l e m ，t w oa s p e c t o fjo ba r e e x t r e m e l yu r g e n t ，o n eo fw h i c hi sm o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l ea d v a n c e d g e o l o g i c a ld e t e c t i o n ，r e s e a r c hn e wm o r ee f f i c i e n tr o a d w a ys u p p o r t i n g s c h e m ep r o g r a m s 3 T R T 6 0 0 0a d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o nf o r e c a s tr e q u i r en o d r i l l i n ga n de x p l o s i v ec o n s u m a b l e s ，f u r t h e rm o r ei t i sh i g h l yr e p e t i t i v e a n dr e l i a b l e s a f e t y ．I n a d d i t i o nt h eT R T 6 0 0 0h a v e h i g h p r e c i s i o n a c c e l e r a t i o ns e n s o r sS Ot h a tt h e p r o c e s si sn e a r l yn o n eo fd i s t u r b a n c e ，t h u s t h es e i s m i cw a v es i g n a lo b t a i n e di st r u ea n dr e l i a b l e ，d e t e c t i o nr e s u l t sa n d t h em e a s u r e m e n ti so fa c c u r a c ya n ds e n s R i v i t y , c o n s e q u e n t l yd e t e c t i o n d i s t a n c ew i l lb ei m p r o v e d ．T h ei m a g ef o r m a t i o np r i n c i p l eo fT R T 6 0 0 0i s t o m o g r a p h i cS C a ni m a g i n gt e c h n o l o g y , b yc a l c u l a t i n gt h ep r o p a g a t i o n t i m ep a r a m e t e ro fs u p e r i m p o s e dw a v ev e l o c i t ya n ds e i s m i cw a v ed a t a ，t o d e d u c et h er e f l e c t i o ni n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hm a i n l yc o m p r i s et h e p o s i t i o n ，s i z ea n ds h a p e ．F i n a l l yf o r mt h et h r e e d i m e n s i o n a lm a p so f a d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o nf o r e c a s t ． 4 I n d u s t r i a le x p e r i m e n to fA d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o nf o r e c a s t i n d i c a t et h ep o w e r f u la n df l e x i b l ef u n c t i o n so fT R T 6 0 0 0 ．T h er e s p o n s e a n dr e s u l t sa r eo fh i 曲a c c u r a c ya n dp r e c i s i o n ．t h eg e o l o g i c a lf o r m a t i o n s f o r e c a s tC a np r o v i d eg u i d a n c ea n dh e l pi nm i n ec o n s t r u c t i o n ．T h e a d v a n c e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fT R T 6 0 0 0c a nb ep r o m o t e df o ra l lt y p e s o fr o a d w a yi nt h em i n et oa v o i ds e c u r i t ya c c i d e n t ，t h i sw i l li m p r o v et h e c o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c ya n da c c e l e r a t et h ep r o d u c t i o no f t h em i n e ． 5 A c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr o c kc o n d i t i o n si nm i n e ，t h i st h e s i s p r o p o s et w on e ws u p p o r t i n gs c h e m e s ，o n eo fw h i c hi s S t e e lF i b e r R e i n f o r c e dS h o t c r e t es u p p o r t i n ga n dt h eo t h e ro n ei sa d v a n c e dL e a d i n g d u c t u l eg r o u t i n gc o m b i n e dw i t ha n c h o rdS h o t c r e t es u p p o r t i n g ．A f t e rt h a t a n a l y s i sa n do p t i m i z ed e t a i l e dS p e c i f i c a t i o n so ft h o s et w os u p p o r t i n g s c h e m e ．F i n a l l y , b yt h em e a n so fi n d u s t r i a le x p e r i m e n ti nt h ep r o j e c t p r a c t i c ei nr o a d w a yd r i v a g ec o n s t r u c t i o n ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t i n d i c a t et h a tt h en e wt w os c h e m ew o r kw e l la n dh a v es i g n i f i c a n te f f e c t f o rt h ec o n s t r u c t i o n ．T h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hp r o v i d ea ni m p o r t a n t g u i d i n gf o rs i m i l a rc o n s t r u c t i o ne x c a v a t i o na n dp r o v i d en e wi d e a sa n d V 硕士学位论文 A B S T R A C T m e t h o d sf o rs u p p o r t i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，a sw e l la st ot h eR o a d w a y e x c a v a t i o ni nt h ew e a kb r o k e nr o c kc o n d i t i o n s 5 2F i g u r e s ，2 5T a b l e s ，8 0R e f e r e n c e K E YW O R D S A d v a n c e dG e o l o g i c a lD e t e c t i o n ，T R T 6 0 0 0 ，R o a d w a y S u p p o r t i n g ，S t e e lF i b e rR e i n f o r c e dS h o t c r e t e ，S u r r o u n d i n gR o c kM o n i t o r C L A S S I F I C A T I o N T D 3 5 3 ，T D 2 6 3 硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅳ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状分析与发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 超前地质探测预报系统现状及发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 复杂破碎围岩条件下巷道支护系统现状及发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究方法及主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 矿区地质条件及岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 矿区地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．1 矿区地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．2 区域自然地理条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．2 地层分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．3 构造体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 2 ．2 ．4 工程岩体质量分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．5 矿区水文地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 矿区典型岩石室内力学实验与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．1 岩石取样及加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 ．2 岩石物理参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2 抗压强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 ．3 抗拉强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 矿区工程岩体及支护现场力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．4 ．1 回弹仪测试原理及技术性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．4 ．2 巷道围岩强度测量结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 ．3 巷道支护喷锚强度测量结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 ．4 围岩及支护测量参数评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3T R T 超前地质探测技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1T R T 6 0 0 0 超前探测技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．1 ．1T R T 6 0 0 0 探测基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．1 ．2T R T 6 0 0 0 主要结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．1 ．3T R T 6 0 0 0 技术特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2T R T 6 0 0 0 探测操作施工要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．1T I 玎6 0 0 0 探测设计经验规范⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．2T R T 6 0 0 0 层析成图关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4T R T 6 0 0 0 超前探测技术的工程试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．1 超前地质预报现场测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 V I I 硕士学位论文 目录 4 ．1 ．1 超前地质探测工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．2n Ⅱ6 0 0 0 系统安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．3 地震波采集软件参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．4 地震波数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 地震波数据计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．1 数据输入⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2R V 3 D 地质三维成像⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．3T I 玎6 0 0 0 探测说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 图像成果分析解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．1 段村7 号进风井3 9 0 中段石门段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．3 ．2 雷沟3 号罐笼井3 3 0 脉外运输巷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 基于超前地质探测预报的巷道支护技术优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．1 巷道支护技术研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 ．1 巷道掘进施工面临的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 ．2 目前巷道支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．2 巷道支护方案优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 ．1 巷道支护方案设计思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．2 巷道支护方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．2 ．3 钢纤维喷射混凝土锚杆支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．2 ．4 超前小导管注浆喷锚联合支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．2 ．5 支护～围岩变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．3 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 6 ．1 结j 殓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 攻读硕士学位期间的研究成果及获奖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 ⅥⅡ 硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 目的和意义 随着我国社会经济的飞速发展，矿业行业作为国民经济的命脉，是我国的基 础建设和经济腾飞提供了稳定的基石。近年来，矿业行业蓬勃发展，矿山开采迎 来新的新的问题和挑战。由于矿石需求量逐年增加，矿井开采深度逐年增加，采 深已由浅部向深部发展，巷道的围岩应力也随矿井开采深度增加而增大，围岩条 件变得更加复杂，巷道围岩应力增强、巷道变形急剧增大、地下涌水量增加、巷 道底鼓及巷道两帮片帮严重，并且伴有硬岩岩爆、高地温等现象，在加上岩体流 变变形显著，这些都严重地危害了巷道围岩的稳定性和巷道维护，并成为制约深 部开采矿井安全生产的主要因素，进而严重拖延矿山基础建设和正常运作的工 序。 矿山巷道为地下工程，其围岩地质情况往往复杂多变，由于岩体工程本身具 有的特性，一般施工中，它们形状多变、规模不定、性质不明等特点，且成因和 变异条件非常复杂，地质条件具有突发性。而通过地质勘察得到的为设计和勘察 文件提供依据的资料，要达到自始至终符合实际情况的程度似乎没有可能性，地 质资料详细程度也不能达到隧道施工的具体细节要求，基于此，在地下岩体工程 常会出现突泥、突水、坍塌崩落、冒顶片帮等地质灾害，即地下巷道地质灾害。 这些地质灾害诱发原因可能是岩层的本身物理和岩体工程特性，也可能是频繁开 采、掘进等人类工程活动改变地下岩体的原始的平衡状态，当应力集中超过岩体 抵抗强度时，便会产生变形、破坏【1 , 2 , 3 , 4 】。 从实际施工角度开看，不同工程质量围岩直接决定着采掘的方案选择，不同 方案的选择可能导致的整个施工的进度快慢和效率，而对围岩的质量往往只能通 过地质钻孔、超前探测孔等手段进行宏观把握，在具体的巷道掘进施工中，局部 的不良地质体如断层破碎层、民采采空区、中小型的积水坑硐等往往可以造成不 可预计的工程灾害，造成严重的经济损失甚至人员伤亡。 因此，在这样的复杂地质条件下，精确可靠的超前地质预报就非常重要，对 开挖掘进地下巷道的掌子面前方围岩情况要十分了解，否则潜在的地质隐患就可 能变成灾难，造成工程建设资金大量浪费、工期延期延长等不利影响。地下巷道 施工中安全和工程事故时有发生，轻则延长工期、增加投资，重则毁坏机械设备， 甚至造成人员伤亡，而且事故处理难度大。 由地质灾害引发而导致地下工程修建严重受挫的实际案例在国内外均有出 现1 3 ，4 』。因此，运用地质科学基本原理，分析地质岩层的基本特征，研究科学可 行的超前探测理论，采用有效的探测方法和可靠的超前预报系统进行准确的灾害 硕士学位论文l 绪论 预报，对地下巷道岩体工程施工意义重大，不但在矿山开采巷道掘进有着广阔的 应用前景，而且在地铁工程、隧道涵洞建设等方面也有巨大的应用空间。因此， 超前地质探测预报系统研究不仅具有深远的理论价值，而且对于保护矿山人员生 命、财产安全具有十分重要的实际意义，以及显著的社会效益和经济效益。 由于围岩条件的复杂多变性，破碎岩体稳定性分析和巷道支护技术不能照搬 现存的巷道岩体稳定性的分析方法和巷道支护技术，必须根据不同的情况和条件 进行综合的分析矿井巷道支护失效机理的研究，主要包括矿区岩体基本性质和应 力分布特征、不同深度地层岩体稳定性分析、巷道围岩变形规律的研究、巷道开 挖掘进影响因素的研究。对巷道支护新技术研究主要考虑井下岩体特性和应力情 况，结合合理巷道支护理论，综合分析围岩和支护体系相互作用本质与规律，同 时考虑巷道支护的地应力、地下水渗流等多因素耦合作用、支护荷载不确定性、 破碎围岩支护不佳而破坏可能性剧增等特点，研究探索在不同条件围岩条件下复 杂破碎岩体支护思路和方案[ 5 , 6 1 。 目前国内外巷道支护锚固理论研究成果已经较好的解释各种岩体条件下的 支护体系对围岩的稳固功能，但是更有效的应用与不同的复杂条件下巷道支护实 践尚需继续深入研究[ 7 , 8 1 ，在未来的矿山开采深度继续增加情况下，必须重视研 究和发展新的巷道支护理论和技术，而在这种形势下提出复杂破碎岩体支护新理 论和新方案研究无疑具有重要的理论意义和实践意义。 1 ．2 国内外研究现状分析与发展 1 ．2 ．1 超前地质探测预报系统现状及发展 超前探测预报技术系统起步于上个世纪，最先生产利用是在煤矿生产中应 用，但伴随着道路工程、水利工程、军事巩固工程和城市地下工程建设的发展， 地质超前探测预报技术在地下隧道和大型硐室施工中的应用越来越广。长期以 来，地质专家及相关领域研究人员进行了大量的试验研究和实际探测工程摸索， 各国相继开展了瑞雷波法、井下直流电法、红外测温法、地震波反射法、瑞雷波 法、电磁波法 包括无线电波透视法、地质雷达法瞬变电磁波法 等方法用于地下 岩体工程的研究[ 9 , 1 0 , 1 1 1 ，主要是针对地下安全生产施工中遭遇的各种地质灾害问 题，取得了较好的效果，部分方法在地下矿区得到较快的推广应用，并且解决了 安全生产施工中不少实际困难，为探测和预报地下地质灾害做出突出的指导意见 和贡献。 在如今信息化科技