冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采矿巷道稳定性与支护参数研究.pdf

中图分类号 U D C T D 3 5 3 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采矿巷道稳定性与支护参 数研究 R e s e a r c ho nt h eS t a b i l i t ya n dS u p p o r tP a r a m e t e ro f T u n n e li nB a r r i e rP i l l a rS t o p i n go f D o n g g u a s h a n C o MinqtSopper M i n e s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、 所 指导教师 论文答辩日期2 Q 1 3 垒 2 Z 陈钊锋 岩土工程 岩体力学 资源与安全工程学院 谢学斌教授 答辩委员会主席 中南大学 二O 一三年四月 原创性声明 l I I II I II I II II IIUI II II Y 2 4 2 2 9 0 7 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名匿鱼堡日期上吐L 年上月坐日 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。 作者签名噬导师签名期盟年』月当日 硕士学位论文摘要 冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采矿巷道稳定性 与支护参数研究 摘要矿山进入深部开采后，巷道稳定性问题日益突出。本文针 对冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采矿巷道的稳定性问题从理论分析、 现场实测、数值模拟等方面对冬瓜山隔离矿柱巷道进行研究，具 体内容如下 1 通过查阅大量文献，系统总结了巷道稳定性分析方法、 巷道支护理论、巷道支护技术的发展现状及其研究成果，提出目 前研究存在的问题以及本文的研究思路与研究内容； 2 探索了松动圈支护理论在冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采 矿巷道支护设计中应用的可行性。在建立巷道围岩松动圈力学模 型的基础上，分析了巷道围岩松动圈范围内不同围岩应力区的受 力情况，并推导出松动圈半径理论公式。根据推导出的巷道松动 圈理论公式，算出隔离矿柱采矿巷道围岩松动圈范围为1 ．4 6 m 。 3 运用F L A C 3 D 数值模拟软件对隔离矿柱回采采矿巷道进 行模拟，得出隔离矿柱回采采矿巷道周围形成大约1 ．6 m ～2 ．2 m 的塑性区，在顶板4 5 。区域及底角处塑性区范围较大。结合最大 主应力、最小主应力、位移图等知隔离矿柱回采采矿巷道失稳 需支护才能维持其稳定；在巷道拱肩处、底角处、直墙中间处为 巷道易破坏处，应加强支护。 4 根据隔离矿柱回采采矿巷道稳定性研究结果和实际情 况制定松动圈测试方案，运用R S M S Y 5 声波仪对其进行松动圈测 试。通过分析测试结果知冬瓜山隔离矿柱回采采矿巷道松动圈范 围为0 ．8 m ～1 ．3 m ，为中等松动圈。根据松动圈支护理论及松动圈 测试结果，提出支护方案。 5 根据冬瓜山隔离矿柱回采采矿巷道不同的支护方案数 值模拟结果，对比分析不同支护方案的支护效果，确定最优支护 组合，为隔离矿柱巷道支护设计提供参考依据。 本文研究结果对处于第三步骤回采的隔离矿柱巷道的稳定 性有重要参考价值。图51 幅，表6 个，参考文献7 0 篇。 关键词松动圈，隔离矿柱，锚喷网支护，数值模拟 分类号T D 3 5 3 硕士学位论文A B S l R A C T R e s e a r c ho nt h eS t a b i l i t ya n dS u p p o r tP a r a m e t e ro fT u n n e li n B a r r i e rP i l l a rs t o p i n go fD o n g g u a s h a nC o p p e rM i n e s A B S T R A C T A f t e rt h ed e e pm i n i n g ，p r o b l e m sa b o u tt h es t a b i l i t yo f t u n n e lh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n t ．I nt e r m so ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i st h e s i s m a k e sas t u d yo nt h es t a b i l i t yo ft h et u n n e li nb a r r i e rp i l l a r ss t o p i n go f D o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e sa sf o l l o w s ． 1 B yc o n s u l t i n gag r e a tn u m b e ro fl i t e r a t u r em a t e r i a l s ，t h ea u t h o r s y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e sa n a l y t i c a lm e t h o d sf o rt h es t a b i l i t yo ft u n n e l ， t h et u n n e ls u p p o r t i n gt h e o r y , t h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h et u n n e ls u p p o r t i n g t e c h n o l o g i e sa n di t sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ．M o r e o v e r ，t h ea u t h o ra l s o p u t sf o r w a r dp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec u r r e n ts t u d ya n dr e s e a r c hi d e a s a n dc o n t e n t so ft h i st h e s i s ． 2 O nt h eb a s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h et u n n e l i nb a r r i e rp i l l a r s s t o p i n g o fD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e s ，t h i st h e s i ss t u d i e s o nt h e t e a s i b i l i t yt oa p p l yt h es u p p o r t i n gt h e o r yf o rt h eb r o k e nr o c kz o n ei n t ot h e 一一 一 一一 一 一 d e s i g no ft h et u n n e ls u p p o r tf o rb a r r i e rp i l l a r si nD o n g g u a s h a n ．M o r e o v e r , w i t ht h ep r e m i s et h a tt h em e c h a n i c a lm o d e lf o rt h eb r o k e nr o c kz o n e a r o u n dt h et u n n e lo ft h eb a r r i e rp i l l a r s ．t h i st h e s i sa n a l y z e sl o a d ．c a r r y i n g c a p a c i t i e so fs u r r o u n d i n gr o c k si nd i f f e r e n ts t r e s s e dz o n e sw i t h i nt h e S C o p eo ft h eb r o k e nr o c kz o n e sf o rt h es u r r o u n d i n gr o c k si nt h eb a r r i e r p i l l a r sa n dd e r i v e saf o r m u l af o rt h er a d i u so ft h eb r o k e nr o c kz o n e ． B a s e do nt h et h e o r e t i c a lf o r m u l at h a th a sb e e nd e r i v e df o rt h eb r o k e n r o c kz o n ei nt h eb a r r i e rp i l l a r , i tc a nb ek n o w nt h a tt h er a n g eo ft h e b r o k e nr o c kz o n ei nb a r r i e rp i l l a r si s1 ．4 6 m ． 3 S i m u l a t i n gt h et u n n e l so ft h eb a r r i e rp i l l a r sb yt h eF L A C 3 Da s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h i st h e s i sc o n c l u d e st h a tap l a s t i cz o n e c o v e t i n ga na r e ao f1 ．6 m 一2 ．2 mi Sf o r m e da r o u n dt h et u n n e lo fb a r r i e r p i l l a r s ．T h ep l a s t i cz o n eh a st h eg r e a t e s ts c o p ew h e nt h er o o fi si nt h e4 5 。a r e aa n di nt h eb a s ea n g l e ．I na c c o r d a n c ew i t ht h em a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s ，t h em i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s sa n dt h es h i f td i a g r a m ，i tc a nb es e e n t h a to n c ed a m a g e d ，t h et u n n e l sf o rb a r r i e rp i l l a r sn e e d s u p p o r tt om a i n t a i n i t so w ns t a b i l i t y ．S p a n d r e l s ，t h eb a s ea n g l e ，t h em i d d l eo ft h es t a l ka r e e a s i l yd a m a g e df o rt u n n e l s ．T h e r e f o r e ，t h e s ep l a c e sn e e d sm o r es u p p o r t ． I I 硕士学位论文 A B S T R A C T 4 I nl i n ew i t hr e s e a r c hr e s u l t sf o rt h es t a b i l i t yo ft h et u n n e li n b a r r i e rp i l l a r ss t o p i n ga n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eb a r r i e rp i l l a r s ，ap l a n i sm a d et ot e s tt h eb r o k e nr o c kz o n ef o rt u n n e l si nb a r r i e rp i l l a r s ．T h e s o n i ca p p a r a t u sR S M - S Y 5i Su s e dt ot e s tt h eb r o k e nr o c kz o n e ．B y a n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t s ，t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tt h eb r o k e nr o c kz o n e f o rt u n n e l ss t o p i n gb a r r i e rp i l l a r sr a n g e sf r o mO ．8 mt o1 ．3 m ，a sam e d i u m r o c kz o n e ． 5 A c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e s u l t sf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o r t h e s u p p o r t i n gp l a n so ft u n n e l si nb a r r i e rp i l l a r ss t o p i n go fD o n g g u a s h a n ， p a r a m e t e r sf o rt h es u p p o r t i n gp l a ni so p t i m i z e d ．M o r e o v e r ，b a s e do na c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es u p p o r t i n ge f f e c t s o fd i f f e r e n ts u p p o r t i n g p l a n s ，t h eo p t i m a ls u p p o r t i n gp l a n i si d e n t i f i e d ，t h u sg u i d i n gt h e s u p p o r t i n gd e s i g nf o r t h et u n n e l si nb a r r i e rp i l l a r s ． R e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r eo fg r e a tr e f e r e n c ev a l u ef o r t h es t a b i l i t yo ft h et u n n e l ss t o p i n gb a r r i e rp i l l a r si nt h et h i r ds t e p ．I nt h i s t h e s i s ，51g r a p h s ，6t a b l e sa n d7 0r e f e r e n c e si n v o l v e ． K e yw o r d s b r o k e nr o c kz o n e ，b a r r i e rp i l l a r s ，b o l t i n ga n ds h o t c r e t i n g w i t hw i r em e s h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． C l a s s i f i c a t i o n T D 3 5 3 I I l 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 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 巷道支护理论发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 巷道支护技术发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．3 巷道稳定性分析方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 巷道围岩松动圈支护理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 1 巷道围岩松动圈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．1 巷道围岩松动圈概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 巷道围岩松动圈的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 巷道围岩松动圈范围的理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 巷道力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．3 松动圈理论计算公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 巷道围岩松动圈变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 围岩松动圈碎胀变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．2 巷道围岩松动圈碎胀变形的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．3 碎涨变形的时间性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 巷道围岩松动圈分类标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 巷道围岩松动圈锚喷支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 ．1 小松动圈支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．5 ．2 中松动圈支护机理及支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 ．3 大松动圈支护机理及支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 冬瓜山铜矿隔离矿柱回采采矿巷道稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．1 盘区回采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 ．2 隔离矿柱回采所面临的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 硕士学位论文 目录 3 ．1 ．3 隔离矿柱回采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 岩体力学参数的工程折减处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 隔离矿柱巷道模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 几何模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．2 边界条件与初始应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯3 3 3 ．4 隔离矿柱巷道稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 隔离矿柱回采采矿巷道松动圈测试及支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．1 松动圈测试技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．1 松动圈测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．1 ．2 松动圈声波测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．1 ．3 松动圈声波测试仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 围岩松动圈影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 隔离矿柱巷道围岩松动圈测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 测站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 ．2 测孔布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 隔离矿柱巷道围岩松动圈测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．1 测试人员及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．2 现场测试注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．3 现场测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．5 测试结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．j ．．4 8 4 ．5 ．1 测试声波图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．5 ．2V P - ．L 曲线的绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．5 ．3 隔离矿柱巷道围岩松动圈截面图的绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．5 ．4 测试结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．6 隔离矿柱巷道支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．6 ．1 锚杆参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．6 ．2 钢筋网及混凝土参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 隔离矿柱回采采矿巷道支护方案数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．1 隔离矿柱巷道支护方案数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．1 ．1 隔离矿柱巷道支护模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．2 隔离矿柱巷道支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 ．1 巷周塑性区对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 I I 硕士学位论文目录 5 ．2 ．2 巷周最大位移场对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 ．3 巷周最大主应力场对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．4 巷周最小主应力场对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．2 ．5 巷周锚杆轴力图对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 全文结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 6 ．1 全文结论及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．1 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．1 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 I I I 硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源、研究目的及意义 随着全球经济的高速发展，对矿产资源的需求日益增加，导致矿产资源消耗 量大幅度上升。由于几十年来的大规模开采，地表以及浅层矿产资源大部分已走 向衰竭，为了满足社会与经济发展的需求，势必促使资源开采不断向深部发展。 随着矿产资源的不断开采，许多矿山的开拓深度也不断增加，部分矿山已达到千 米。例如凡口铅锌矿、冬瓜山铜矿的开拓深度已突破千米大关，红透山矿的 开采深度达1 3 0 0 m ，云南驰宏公司的深部矿山、弓长岭地下铁矿开拓深度和夹皮 沟金矿二道沟坑口矿体延伸都超过了1 0 0 0 m 。 进入深部开拓阶段后，由于高地应力、高温、高压 即三高 的作用，使得 深部与浅部在围岩赋存条件上存在根本差异。没有“三高”作用下的巷道，其支 护理论、技术等已发展成熟并得到广泛应用。在深部围岩巷道中，由于“三高” 的作用使得在没有“三高”作用下发展起来的支护理论、技术难以得到有效应用， 必须尽快发展“三高”耦合作用下的深部巷道围岩稳定性分析方法、控制理论和 支护技术，形成理论与技术的系统成果，实现深部资源的安全高效开采和可持续 利用。 作为亚洲最大的地下矿山，冬瓜山铜矿早已突破千米大关，具有高地应力 3 2 - ～3 8 M P a 、高温 3 0 摄氏度～3 8 摄氏度 、高压等特点。冬瓜山矿的矿 石有很多种类，如含铜蛇纹石、含铜磁黄铁矿和含铜矽卡岩等，矿体节理裂隙不 发育，岩性坚硬，稳定性较好，f 8 ～1 6 。矿体顶板主要为黄龙组、船山大理岩， 厚4 6 m - - 6 8 m 。底板主要为石碳系下统高丽山组灰岩、粉砂岩和石英闪长岩，厚 度1 4 m , ～2 4 m 。冬瓜山矿床地应力最大主应力方向与矿体走向大体一致，为N E ～ S W 方向，近水平，量值在2 0 一- , 3 8 M P a 之间，属高应力区。 冬瓜山采用无矿柱连续回采空场嗣后充填采矿方法，其具有以下特点为了 使采场处于最优受力状态，采场长轴布置方向与矿体走向基本一致；冬瓜山隔离 矿柱长约3 5 0 , - 、, 4 2 0 m ，宽为18 m ；尾砂充填采场为7 8 m 或胶结充填采场长为8 2 m 。 矿体回采分三个步骤进行，即第一步骤回采矿房，然后采用全尾砂胶结充填；第 二步骤回采矿柱，然后采用全尾砂充填；第三步骤回采隔离矿柱，采用全尾砂充 填。各步骤回采的矿量分别占矿体总储量的4 2 ％、3 8 ％和3 0 ％，三个步骤的回采 工作依次协调进行，回采条件有易至难。生产实践表明该采矿方法具有回采工艺 简单、效率高 采场出矿能力2 4 0 0 吨／天，充填能力3 8 0 0 m 3 ／天 、高回收率 贫 化率8 ％、损失率1 0 ％、综合回收率8 0 ％ 、产量大的特点，实现了安全、高效、 规模化、低成本的开采目标。 硕士学位论文 绪论 目前，冬瓜山铜矿只进行了第一步骤矿房回采和第二步骤矿柱回采，而第三 步骤隔离矿柱回采尚未进行。此种保障产能的方式如此延续下去，不仅开拓储量 和采准储量保留过大，而回采储量不足，三级储量保留量比例极度不合理；而且 使生产作业过度分散，运输和通风线路增长，工程巷道存续时间延长，将给安全 和效益带来极大不利影响。 第三步骤回采隔离矿柱的重要性和复杂性主要表现在首先，隔离矿柱回采 技术条件已经发生根本性变化，其周围的介质由强度很好的矿岩基本变成了强度 较低的全尾砂胶结充填体或基本没有强度的全尾砂充填体；其次，由于受到地压 转移效应的影响，隔离矿柱的应力明显增大，矿岩体次生节理裂隙可能大量发育， 强度变弱。因此，冬瓜山矿隔离矿柱巷道的稳定性将很难得到保障。 论文通过对冬瓜山矿隔离矿柱巷道现场测试得出巷道围岩松动圈范围，然后 结合松动圈支护理论、数值模拟进行巷道支护方案设计，并对支护设计方案进行 优化，得出最优支护方案。因此，通过对冬瓜山矿隔离矿柱巷道稳定性分析及支 护参数的研究，为冬瓜山矿隔离矿柱巷道的支护提供科学依据，为防止深部采矿 巷道失稳提供技术支持。这对保障深部矿山安全生产、提高矿山经济效益具有现 实指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 巷道支护理论发展现状 巷道支护与围岩之间相互作用的机理是巷道支护理论的核心，其一直是岩石 工程研究的难点。与浅层工程 如地铁工程 相比巷道工程的特点如下 1 巷道工程埋藏深，地应力大； 2 在巷道工程中，由于受经济条件的限制，对 其进行的支护级别相对较低； 3 在巷道工程中，其支护荷载不确定； 4 在 巷道工程中，巷道围岩发生的变形量较大，特别是软岩巷道变形量大的围岩移近 量达到数百毫米，甚至是上千毫米，巷道支护经常不可避免地要经历和控制围岩 的破坏过程巷道的上述特点决定了巷道支护问题的复杂性，所以引起了众多科 技工作者对巷道支护理论的不断研究和探索，取得了众多重要成果。 1 ．2 ．1 ．1 普氏冒落拱理论 俄罗斯学者普罗托吉雅可诺夫在1 9 0 7 年提出普氏拱理论【l 】在松散体中开 挖巷道，其上部将会形成平衡的抛物线形拱，拱曲线上部的地层处于自平衡状态， 其下方是潜在的破裂范围。该理论将平衡拱内的围岩作为支护对象，支护荷载只 是冒落拱内的岩石重量。该理论基本前提是假定巷道围岩为内聚力很低的松散 硕士学位论文绪论 体，开巷后巷道上方能够形成稳定的压力拱，这种假设大大简化了地压计算，适 用较方便。 普氏理论只考虑到松动地压，未能考虑变形压力，后者往往是主要的，这就 是普氏理论不能再较深部岩石工程中应用的根本原因。太沙基等松散介质理论的 立论基础与普氏基本相同，也为考虑围岩的变形因素，因此，松散介质地压立论 只适用于变形压力小的浅部松散地层。 1 ．2 ．1 ．2 弹塑性支护理论 弹塑性支护理论【2 】从支护与围岩相互作用的层面入手，对其相互作用过程进 行分析，得出支护与围岩作用机理。在围岩与支护形成的统一体中支护不仅作 为承载结构，其力学性质还反作用于支护，影响其受力的大小；围岩是支护的对 象，其产生了支护荷载，围岩还作为承受原岩应力的结构；巷周围岩中塑性区的 适度扩展，可以有效降低围岩的承受荷载，从而减小作用到支护结构上的力。弹 塑性支护理论的建立，为巷道支护工程的顺利进行提供了理论指导，对软岩巷道 的支护设计也有重要意义。 弹塑性支护理论在发展过程中也在不断的完善，其将围岩和支护相互作用的 过程也作为影响支护效果的因素，认为锚杆对围岩的加固作用，实际上就是通过 增加围岩的内摩擦角和粘聚力 即C 、 p 值 来达到加固围岩的效果，据此形成 的理论分析法就是实现理论上解决锚喷支护设计问题的重要探索。 弹塑性支护理论主要用于岩石破坏前的状态，其认为围岩为均质、连续的介 质，在变形过程中体积不变。当围岩发生破坏之后 即围岩中产生了松动圈 ， 由于围岩中裂隙的不断发展，使得岩石介质变成不连续、不均质的介质，并且围 岩在裂隙发展过程中体积变大，这些情况都与弹塑性支护理论的假设不符。因此， 当岩石破坏后 即产生了松动圈后 ，弹塑性支护理论不能适用于破裂岩体的支 护，否则将产生较大的误差。 1 ．2 ．1 ．3 最大水平主应力理论 最大水平主应力理论认为【3 】当巷道走向与最大水平主应力方向平行时， 控制巷道稳定性的不是最大主应力，而是小于最大主应力的最小水平主应力，这 时巷道最易维护；如果巷道走向垂直于最大水平主应力，巷道最难维护。采矿工 程巷道因受矿体位置的制约，不便于选择巷道的轴向，当条件允许时，应尽量按 最大水平主应力予以调整。该理论考虑了围岩强度、原岩应力大小及其方向对巷 道围岩稳定性的影响。 1 ．2 ．1 ．4 围岩松动圈支护理论 围岩松动圈理论认为[ 4 1 若围岩强度大于围岩应力，则围岩不破坏，这时就 不需要支护；当围岩强度小于原岩应力时，围岩发生破坏 即产生松动圈 ，在 硕士学位论文 绪论 现有支护技术和支护水平下，不能完全阻止围岩破坏 即松动圈 的产生，支护 的作用就是阻止破坏围岩产生有害的碎胀变形，维持其稳定；破裂围岩 即松动 圈 的范围不同，其支护难度也不同，因此根据不同的破裂程度要采取不同的支 护方式。 1 ．2 ．1 ．5 关键部位耦合组合支护理论 由中国矿大何满朝教授提出的关键部位耦合组合支护理论认为【5 】在巷道值 中，由于支护体与围岩的力学性质不同，使之不耦合而产生破坏，具体体现在刚 度、强度及结构等方面；通过采用有区别的支护方式，使支护体和围岩间相耦合 而避免造成其破坏；对于哪些难以支护的巷道，分两步对其进行支护，第一步先 用柔性材料对巷道进行支护，第二步对破坏较严重的区域 即关键点部位 进行 支护。 1 ．2 ．2 巷道支护技术发展现状 对于处于高应力状态下的深部巷道，为了维持其稳定而要采取与之相适应的 支护方式。为了实现这一目标我们要对巷道周围围岩的应力分布及其变形规律进 行研究，分析造成巷道围岩破坏的原因，从而有针对的对巷道围岩进行支护。对 于巷道的支护方式研究，国内外的研究人员都做了大量的工作并取得了许多经 验。在巷道支护工程中，要充分考虑各项影响因素对巷道稳定性的作用，如巷道 破坏类型、支护材料力学性质等，通过综合分析这些影响因素，为最终巷道支护 提供一个最优的支护方案【6 】。 1 ．2 ．2 ．1 锚杆支护技术 在矿山巷道和其它地下工程中，锚杆作为一项重要的支护技术对维持其稳定 发挥了重要作用。国外在上世纪4 0 年代就开始在支护工程中运用锚杆支护技术， 而国内则在上世纪5 0 年代才开始使用。锚杆支护技术不仅应用领域广 如应用 在水利、交通、矿山及其它地下工程中 ，而且其实现形式多样化 如到目前为 止，锚杆的品种有几百种之多。 。锚杆支护技术发展至今，经历了如下几个阶 段【7 】 2 0 世纪四十年代，机械式锚杆开始进入支护领域并得到广泛应用。2 0 实际 五十年代，机械式锚杆开始运用到矿山巷道支护中，广大研究人员开始对其支护 机理进行研究。2 0 世纪六十年代，树脂锚杆开始出现，由于其方便施工等因素 随即就在矿山巷道支护中得到广泛应用。2 0 世纪七十年代，锚杆技术得到进一 步的发展，全长粘结式锚杆开始出现并在支护领域得到运用，这些锚杆锚固力比 较大能够更好的发挥支护的功效，如管缝式锚杆、胀管式锚杆、水涨式锚杆、砂 浆锚杆等。2 0 世纪八十年代，从锚杆支护技术到锚杆支护的材料都有了长足发 4 硕士学位论文绪论 展，根据不同的情况采取不同的锚杆，有效的提高了锚杆的利用效率，这一时期 发展起来的有混合锚头锚杆、桁