矿山大硐室围岩变形破坏机理及支护技术研究.pdf

中图分类号 旦三5 垒 U D C 鱼2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 三三三 密级公珏 矿山大硐室围岩变形破坏机理及支护技术研究 S t u d y O i lD e f o r m a t i o na n dF a i l u r eM e c h a n i s ma n dS u p p o r t T e c h n o l o g yo fL a r g eC a v e r n i nM i n e 作者姓名王珊 学科专业 地下空间科学与工程 研究方向矿山压力与支护 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师赵国彦 吾I J 指导教师 论文答辩日期羔 墨妄答辩委员会 中南大学 2 0 1 3 年5 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。 作者签名日期丛年』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。 期盘f ；年且丝日 矿山大硐室围岩变形机理及支护技术研究 摘要矿山生产的规模化和机械化发展，为矿山大硐室的使用提供 了发展空间，随着大硐室使用的增加，大硐室支护问题日益突出， 成为迫切需要解决的问题。对此，本文展开了以下几方面的研究 1 对国内外矿山大断面硐室使用现状、支护机理及支护理论进 行归纳，总结出我国矿山大硐室支护存在的几个问题。 2 对矿山大硐室围岩变形破坏影响因素、大硐室顶板及两帮围 岩变形破坏机理进行分析，为下文大硐室断面形状优化和支护原理 及机理分析奠定基础。 3 对大硐室断面分类及选择依据进行分析，结合大硐室断面力 学分析与F L A C ．3 D 数值模拟，进行大硐室断面几何形状优化。 4 对大硐室锚杆一索的支护理论、支护机理以及现有锚杆支护 设计的方法进行了研究，重点分析了硐室顶板和两帮的锚杆支护机 理以及锚索支护机理。 5 根据贵州开磷马路坪矿现场工程实际，对矿山大型维修硐室 进行断面设计及支护研究，并用F L A C ．3 D 数值模拟分析对支护结果 进行验证。 关键词大硐室；变形破坏机理；断面形状；数值模拟；支护设计 分类号6 2 2 I I 立直态堂亟堂鱼诠塞缱曼 丛鱼 S t u d y O i lD e f o r m a t i o na n dF a i l u r eM e c h a n i s ma n dS u p p o r t T e c h n o l o g yo fL a r g eC a v e r ni nM i n e A b s t r a c t T h ei m p r o v e m e n to fm i n ep r o d u c t i o ns c a l ea n dm e c h a n i z a t i o n p r o v i d e sal a r g ed e v e l o p m e n ts p a c ef o rt h eu s eo fs u b s u r f a c el a r g e c h a m b e r s ．T h i sd e v e l o p m e n tt e n d e n c yl e a d st oa nu r g e n tn e e dt oa n i n d e p t hs t u d ya b o u tc h a m b e rs u p p o r t ．I nv i e wo ft h ea b o v eq u e s t i o n s ， t h i sp a p e rr e s e a r c h e ss e v e rp r o b l e m sa sf o l l o w s 1 T h ep r o b l e m si nt h ee x i s t i n gm i n el a r g eu n d e r g r o u n dc h a m b e r s a r eo b t a i n e dt h r o u g hs u m m a r i z i n gt h eu s es t a t u s ，s u p p o r t i n gm e c h a n i s m s ， a n ds u p p o r tt h e o r i e so fl a r g es e c t i o nc h a m b e r si nm i n ef r o md o m e s t i c a n do v e r s e a s ． 2 A c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c i n gf a c t o r si nd e f o r m a t i o na n df a i l u r e m e c h a n i s m so f s u r r o u n d i n g r o c k o fm i n e s ’ c h a m b e r s ，t h ef a i l u r e m e c h a n i s mo ft h er o o fa n ds i d e si nl a r g ec r o s ss e c t i o nc h a m b e r sh a s b e e na n a l y z e dw h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h e o p t i m i z a t i o no f c r o s s s e c t i o n a ls h a p e s ，s u p p o r tt h e o r ya n ds u p p o r tm e c h a n i s mb e l o w ． 3 T h ep a p e rc a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h el a r g ec h a m b e rs e c t i o n c l a s s i f i c a t i o na n ds e l e c t i o nb a s i s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so fl a r g e c h a m b e rs e c t i o nc o m b i n e dw i t hm e c h a n i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s 、Ⅳi t l lF L A C ．3 D ． 4 T h el a r g es e c t i o nc h a m b e ro fb o l ta n dc a b l es u p p o r tt h e o r y ，t h e s u p p o r t i n gm e c h a n i s ma n dt h ee x i s t i n gb o l ts u p p o r td e s i g nm e t h o di s s t u d i e d ．F r o mt h e o r i e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ev e r i f yt h er a t i o n a l i t y o ft h em e c h a n i s mo fa n c h o rc a b l ec u ta c r o s s ． 5 A c c o r d i n g t o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e o ft h eG u i z h o uK a i l i n M a l u p i n gm i n e ，t h ep a p e rc o n d u c t st h er e s e a r c ho fl a r g em a i n t e n a n c e c h a m b e rs e c t i o nd e s i g na n ds u p p o r t i n gr e s e a r c h ，a n dt h er e s u l t sa r e c h e c k e d b y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo fF l a c ．3 D ． K e y w o r d s l a r g es e c t i o nc h a m b e r ；d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m ； c r o s s s e c t i o n a ls h a p e s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u p p o r td e s i g n C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 I I I 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅳ 1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 日Ⅱ舌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国内外矿山大硐室使用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内外大硐室支护理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 国内外大硐室支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 大硐室支护存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．5 本文研究主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 矿山大硐室围岩变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 矿山硐室围岩变形破坏影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 大硐室顶板围岩变形破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 大硐室围岩应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 支护对大硐室围岩稳定性影响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 大硐室两帮围岩破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 压剪式破坏机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．2 滑落式破坏机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．3 劈裂式破坏机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．3 ．4 横拱形破坏机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 矿山大硐室断面形状选择及优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 3 ．1 大硐室断面分类及选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．1 硐室断面的分类及适用的条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 。1 。2 硐室断面选择的依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 硐室断面形状的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 大硐室断面优化数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．1 数值模拟计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．2 模拟计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 I V 4 矿山大硐室支护机理及技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 大硐室支护原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 大硐室锚杆支护理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 大硐室锚杆支护机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 大硐室顶板锚杆支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．2 大硐室两帮锚杆支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 。3 ．3 大硐室底板锚杆支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 大硐室锚索支护机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．1 大硐室顶板锚索支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．2 锚索支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41 4 ．5 锚杆一锚索联合支护参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 ．1 大硐室顶板锚杆参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 ．2 大硐室两帮锚杆参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 ．3 大硐室顶板锚索参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．6 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 马路坪矿大硐室断面及支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．1 马路坪矿建设大型维修硐室的必要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 维修硐室断面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1 维修硐室断面设计基本资料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．2 维修硐室用途与平面布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．3 维修硐室平面形状设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 5 ．3 维修硐室支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．1 工程水文地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．2 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．3 硐室围岩物理力学特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．4 硐室支护方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 ．5 硐室支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．3 ．6 支护方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．7 维修硐室支护设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．4 支护效果数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 V 6 - 3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 V I 1 前言 本章主要阐述大断面硐室围岩变形机理及支护技术研究的必要性及应用前 景，总结了目前国内矿山大硐室应用现状、支护理论及支护机理，确定本文研究 的主要内容、技术路线及创新点，提出通过本文研究所要达到的目标。 1 ．1 课题的提出及研究意义 矿产资源的使用促进了人类文明的进步、国民经济的发展以及科学技术的革 命。随着社会高速发展，我国对矿产资源的需求也急剧增加。我国是全球采矿大 国之一，目前已有矿山井下1 1 万多座。非煤、非油气矿山的工业总产值1 0 0 1 ．7 8 亿元，占G D P 的1 ．1 2 ％t 1 1 。因此，在我国合理开发利用矿产资源，减少事故发生， 建设安全高效现代化矿井，对于维护社会稳定和促进国民经济持续发展有着重要 意义。 随着人类对矿产资源需求的不断扩大，浅部资源日益开采殆尽，矿山开采逐 渐向深部过渡【2 】。开采规模的增大和机械化水平的提高为地下矿山大硐室的使用 提供了空间。硐室是矿山为某种专门用途在井下开凿和建造的断面较大或长度较 短的空间构筑物。地下矿山常用到的硐室有卸矿、装矿硐室、破碎机硐室、提 升机硐室、水泵硐室、中央变电硐室、水仓及排泥、井下爆破器材库、井下修理 硐室、防水闸门硐室、通风机硐室、井下消防材料列车库、井下工具保管硐室、 井下调度室、井下医务室、井下等候室、箕斗硐室、装载卸载硐室等[ 3 1 。其中卸 矿、装矿硐室、破碎机硐室、提升机硐室及井下修理硐室等常常因为现场需要， 其断面积比较大，支护比较困难。 如何确保矿山井下大断面硐室围岩稳定是目前矿山井下大硐室发展面临的 主要问题之一，目前国内许多矿山已建或正在建设大断面硐室，例如金川三矿 破碎硐室【4 1 、壁四矿主皮带机头硐室【5 1 、阳泉三矿芦南分区胶带驱动机硐型6 】及 武钢金山店铁矿粗破碎机硐室【7 】等，这些硐室具有断面大、埋深大、地质条件复 杂等特点。与中小断面的巷硐相比，井下大断面硐室的支护与施工存在以下几个 关键问题 1 硐室跨度和高度的增加，降低了掌子面的稳定性； 2 施工难度、特别是施工安全管理的难度增大； 3 施工风险的发生概率加大； 4 支护结构强度、难度增加。 上述四个问题中制约了我国矿山大断面硐室的应用与发展，也成为制约矿山 发展机械化、深部化、高效高产的主要因素之一。大硐室在井下使用越来越多， 矿山大硐室的支护研究也相对且不够系统。因此，本文归纳了矿山大硐室的围岩 变形破坏影响因素，进而分析大硐室变形破坏机理及锚杆一锚索支护机理，实现 矿山大硐室支护研究。 1 ．2 国内J l - 研究现状 1 ．2 ．1 国内外矿山大硐室使用现状 随着矿产资源开采逐步向深度更深、规模更大以及机械化水平更高的方向发 展，地下矿山大断面硐室的使用越来越多。国内外很多地下矿山已经修建或正在 修建有很多大断面硐室。大断面硐室是指横截面面积超过一定数值的地下硐室， 其断面一般按照毛洞截面面积来划分，目前已有的断面划分如表1 ．1 t 8 1 、1 - 2 t 7 1 、 1 - 3 [ 9 】所示，表1 ．4 给出了我国部分矿山地下硐室的工程特性【3 羽【1 0 、1 1 ’1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、1 6 ’ 1 7 】 O 表1 ．1 国际遂协断面划分 注隧道开挖面积约 1 ．4 倍隧道净空断面积 表1 - 3 煤矿硐室断面分类 矿山名称硐室名称支护形式 淼乏 断面形状 ．．～一，．一、。一。 锚喷网索 双层钢筋混凝土 金川Ⅲ矿破碎站硐室 “州均、薹菩薹舅“讯1 。 鹤壁四矿絮 晶泉三矿鬻 武钢金山粗破碎机 店铁矿硐室 江南煤矿第一大硐室 塔山矿 胶需萋接 锚喷锚索组合支护 锚喷网索组合支护 3 2 xl O x1 3 ．2 圆弧拱直墙 M 2 咖6 施曲鬻马 1 0 ．3 x 9 ．7 2 x 1 0 ．8 6半圆拱直墙 喷锚网联合支护3 l 1 1 ．5 1 4圆弧拱直墙 锚杆、喷浆 浇注混凝土 2 2 x 9 ．4x 9 ．0 4 拱形 ，笋曼』銎毪篓喷 3 0 x l O x l O半圆拱直墙 浆 工字钢棚、砌碹 ‘⋯一9 2 综上，并结合在中国知网文献检索矿山大硐室、大断面硐室相关主题词的其 他文献，我们可以得出以下几点 1 我国矿山井下巷硐没有关于对断面面积规格的权威划分，参考我国隧道 协会断面划分、日本隧道断面划分及煤矿硐室断面划分。在煤矿巷道中，跨度大 于5 ．5 m 的巷道即可认为大跨度巷道，这种分类未考虑巷帮高度，不适用与工程实 际。而在煤矿巷道中，巷帮超过一定高度后极易发生片帮破碎，支护起来也比较 困难，据各矿区地质条件及煤岩强度，这个高度一般为4 m 【l 引。故在此我们将跨 度大于5 ．5 m ，高度大于4 m 的称为大断面硐室，其面积达1 6 ．5 I n 2 以上。 2 经调查，绞车房、皮带机硐室、胶带搭接硐室、破碎机硐室等硐室断面 面积一般都会比较大。井下大硐室的使用在煤矿上居多，非煤矿山也多有使用， 且成逐年增加趋势。 3 大硐室的支护为一般永久性支护，主要采用碹砌支护、棚架支护、锚杆、 锚索 喷射混凝土 金属网或钢带的联合支护等。对岩性差断面大的硐室进行支 护，一般会在此支护基础上加注浆、工字钢棚或砌碹等支护形式，并且采用二次 或三次支护的形式，确保硐室的安全使用。 4 硐室的断面形式大都为半圆拱直墙断面，部分采用圆弧拱直墙、三心拱 直墙及矩形等，一些特殊地质或特殊用途的硐室会采用马蹄形或者不规则形。 1 ．2 ．2 国内外大硐室支护理论研究现状 在大硐室支护设计时，一般会根据一定的理论原理来进行支护设计，这些理 论原理是巷硐支护设计的理论依据，各国学者在支护理论研究方面作出了很大贡 献。 目前，关于大硐室支护理论研究主要有古典压力理论【1 9 ] 、平衡拱理论【2 0 】、 最大水平应力理论【2 1 】[ 2 2 1 、新奥法支护理论【2 3 1 、应变控制理论【2 4 1 、能量支护理论 【2 5 】[ 2 6 1 、数值计算法p T ] 、弹塑性理论【2 8 】[ 2 9 1 、松动圈理论【3 0 】、高应力高强一次支护 理论[ 3 1 1 、轴变应力理论【3 2 1 等，见表1 ．5 。 表I - 5 国外在支护理论研究 上述支护理论是各国专家学者在长期工程经验中总结出来的，这些理论各有 其应用范围，在支护设计时应根据具体工程情况使用。 古典压力理论适用于浅部硐室，对于深度硐室则不适用。 根据平衡拱理论可知，硐室支护时，其顶板支护主要考虑平衡拱内硐室围岩 破碎体。对于大断面硐室，其破碎体范围相对较大，支护难度也更大，但此理论 未考虑硐室两帮围岩支护，故在高帮硐室中应慎重使用。 在工程实际中最大水平应力理论经常用到，此理论主要可用于确定硐室合理 4 的走向。 新奥法理论适用性强，是一个动态的支护理论，可解决大部分硐室支护问题， 最适用于喷锚支护。但此法对于现场施工组织和管理要求较高[ 3 3 】。近年来，此理 论逐渐被高预应力、强力一次支护理论所替代，在井下大断面硐室支护设计中不 太适用。 应变控制理论重点分析围岩应变与支护结构的关系，而能量支护理论主要是 考虑能量与支护结构的关系，这两种方法适用范围非常广泛，其局限性是应变和 能量计算困难。 数值计算法应用非常广泛，在支护设计中，通常其他理论相结合，主要是用 于结果验证和支护参数优化。 弹塑性理论可推导出硐室塑性区与硐室尺寸的关系计算式，在进行支护设计 时，此理论运用也相当广泛，但在进行大断面硐室支护设计时，此理论计算出的 松动破碎区范围往往大于实际锚杆支护长度。 松动圈理论指出硐室围岩是硐室的固有特性，其松动圈大小是进行支护设 计的关键。大断面硐室因其围岩松动圈范围大，支护结构体承受的压力也就越大， 相应的支护难度也增加。运用此理论进行支护设计时松动圈大小的确定难以确定 【3 训，实际运用时常需要仪器测量。 高预应力、强力一次支护理论用于大断面硐室支护设计的实际应用效果不 错，但此理论与新奥法支护理论有一定的冲突。在新汶矿口5 1 、潞安㈣、王坡p 7 】 等矿区高预应力、强力一次支护理论得到了推广应用，且效果很好，故此理论新 而实用，但是运用此理论时受人为因素的影响较大，可能因施工机具和施工质量 原因达不到预期的支护效果。 由轴变论理论可知，硐室最优断面为圆形和椭圆形断面硐室，拱形次之， 矩形和梯形最差，但较矩形断面，圆形、椭圆形及拱形硐室存在施工工艺复杂， 掘进困难，支护难度大等问题。显然，轴变理论不适用于矩形大断面硐室，而矩 形硐室，除了受力状况差外，能克服上述断面的缺陷，非常有利于回采工作面的 决速推进【3 8 J 。 由此可知，上述理论用于大断面硐室支护存在一些经验和不足，需要我们进 行更深入的研究，在此运用理论分析与计算机数值模拟相结合的方法，找出适合 大断面硐室的支护理论。 1 ．2 ．3 国内外大硐室支护技术研究现状 大硐室由于其高度高、跨度大，支护难度也相应的增加，尤其是在围岩地应 力大、节理裂隙发育、水文地质情况恶劣等条件下，大硐室围岩变形破坏范围大， 硐室支护更加困难【39 | 。各国学者针对巷硐支护问题进行了长久的研究，其中最主 要的研究成果之一是井下巷硐支护形式的发展。支护理念由被动转为主动，井下 巷硐支护经历了从木棚支护、砌喧支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程【4 0 1 。井 下大断面硐室使用年限一般为1 5 口～2 0 a ，故其支护要求支护强度比较大，支护 使用年限比较久，为永久性支护。 巷硐支护技术发展迅速，且支护总类繁多，国内外有不少文献对大断面硐室 支护技术进行了介绍，结合搜集到的资料，得出大断面硐室的支护方式主要有以 下几种 1 砌碹支护 砌碹支护是大硐室最的传统支护方式，支护材料主要为料石和混凝土。砌碹 支护具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小、材料来源广、便于就地取材等 优点，在地压大、围岩破碎及服务年限长的硐室中支护效果较好【4 1 1 。 砌碹支护是一种被动支护，也是一种钢性支护，主要利用砼拱的支撑力支撑 住破碎围岩的应力，若此压应力超出碹砌支护体承受能力，碹体将会发生破坏， 若不及时维修加固，砌碹破坏区将持续增大，甚至使砌碹完全丧失作用。此外， 砌碹支护厚度一般在3 0 0 ～5 0 0 m m ，造成硐室开挖工程量大、施工复杂、成本高， 而且砌碹体支护施工复杂，混凝土浇筑养护耗时较长，导致整个施工进度慢。 2 锚网喷索支护 锚杆支护历史悠久，在国内外巷硐工程中应用广泛，在大硐室或地条件很恶 劣的巷道中可将锚杆 金属网 锚索 喷射混凝土联合起来使用，实践证明这种联 合支护效果较好。 锚网喷支护中锚杆 索 能够限制围岩变形，同时因为锚杆 索 有一定伸 缩性，也可允许围岩产生一定量的变形，故锚杆 索 也是一种柔性支护。单一 的锚杆 索 也具有一定的承载能力，由于不同地段硐室围岩情况不同，支护时 可根据现场情况，在岩性较好的地段适当较少锚杆数量或在岩性很差的地段增加 锚杆 索 ，使支护更加经济安全。此外，锚网喷索支护施工操作方便，目前已 形成整套的施工体系，而锚喷支护时所采用的喷射混凝土层厚度一般不超过 2 0 0 m m ，硐室工程开挖量及支护材料耗损也相应的大大减少。现场实践表明，锚 网喷索支护运用广泛，且支护效果良好t 4 2 1 【4 3 1 。 3 棚架支护 棚架支护支撑住巷道围岩破碎带，以金属钢架的钢应力和强度最大限度的支 撑住巷道裸露的围岩。其支护接机理主要是通过构件间的可缩和弹性变形来调节 支架承受的载荷，同时在支架变形和可缩过程中保持对围岩的支护阻力，同时支 架仍然保持较高的承载能力，促使围岩应力状态趋于平衡，具各适应硐室围岩较 6 大变形和压力变化的能力。 工程实践中，架棚支护使用相对较少，一般都用于硐室受压变形后的二次支 护，其中U 型棚支护运用较多m 】。软岩硐室中一种较为常用的支护形式，但是在 深部大断面硐室中普遍存在支架承载能力尚未得到充分发挥便遭到屈服和破坏。 实践证明，从支护理论机理、支护施工技术、施工进度、硐室开挖工程量大 小及支护材料使用情况等方面进行对比，可知锚网喷索支护从一定程度上都优于 其他两种支护方式。相对于砌碹支护来说，锚网喷索支护是一种柔性支护方式， 锚杆与围岩共同作用形成支护拱，允许围岩有一定量的变形，且锚杆变形也不会 影响使用，硐室维修方便，可随时补加锚杆，若锚网喷索支护强度达不到设计要 求，也可与砌碹或棚架支护联合使用。与棚式支架支护相比，锚杆支护效果更好， 支护成本与工人劳动强度降低、掘进工作面端头支护和超前支护工艺大大简化、 施工快速安全。综上可知，硐室支护方式选择时，应优先考虑锚网喷索支护方式。 1 ．3 大硐室支护存在的问题 在工程实际应用中，大硐室运用非常广泛，但其工程设计和施工中也存在诸 多问题 1 大硐室跨度和高度的增加使支护难度增加【4 5 】。大硐室的使用程逐年增加 趋势，在硐室施工过程中，如何确保硐室围岩稳定性已成为大硐室建设中的一个 重要难题。传统的支护技术和理论在大断面硐室支护中支护效果不尽人意，经常 会出现围岩变形大，造成支护结构冒落，片帮，使硐室经常需要维修加固，增加 工程费用，甚至会出现支护结构提前垮塌破坏。 2 断面形状的问题。大硐室围岩的支护问题是目前巷硐建设研究中一个非 常重要的问题【4 6 1 。大多学者对大断面硐室支护的研究主要着重于硐室围岩应力情 况及支护形式选择两方面，虽然取得了很多成果，但许多大断面硐室在支护时仍 可能出现变形大、支护困难等问题，支护后仍出现不同程度的破坏甚至需要频繁 加固。因此，需要开辟一条新的思路，从硐室断面形状与围岩稳定性关系方面着 手研究，找到一种能适合矿山大断面硐室的断面形态。 3 现有的支护理论不适用大硐室支护。现有的支护理论很多，但这些理论 都是在一定的假设条件下使用的，直接用于大硐室支护会造成所得的支护方案仍 存在不合理之处。 4 大硐室支护常缺乏针对性。大断面硐室往往跨度较大，顶板应力很大， 所以设计者把重点放在顶板支护设计上，对于两帮支护，一般是参照项板支护， 相应减少锚杆长度。这种支护理念往往会造成硐室在使用过程中，两帮过早出现 破坏，或者造成支护材料的浪费。 7 5 大硐室支护形式及支护参数不合理。目前常用的矿山大硐室支护设计方 法是工程类比法或直接在巷道支护方案中增加支护的强度，这种方法会造成支护 材料浪费或者硐室使用过程中需要反复维修。 从以上几个问题出发，可很好的解决矿山大断面硐室支护难题，由于研究篇 幅有限，本文主要从大硐室断面形状、大硐室围岩变形破坏机理及支护理论和机 理等方面进行研究。 1 ．4 研究方法 本文采用现场调研、计算机数值模拟及理论分析等相结合的方法进行研究。 1 现场调研 通过对贵州开磷马路坪矿大硐室支护现场进行调研，掌握马路坪矿大型设备 的尺寸，矿山开采规模、硐室使用途径、矿山现场工程水文地质资料、岩石岩体 参数、大硐室地应力参数等，为进行合理的大硐室断面设计和支护参数设计提供 基础资料。 2 计算机数值模拟 通过数值模拟的方法，对矩形断面、圆弧拱形直墙断面、三心拱直墙断面三 种断面在不同埋深情况下进行模拟，得力学性能最好的断面形式；在支护参数设 计完成后，应用数值分析方法，对硐室支护方案进行验证。 3 理论分析 对国内外硬岩矿山大断面硐室研究现状、支护机理、支护理论等进行归纳总 结，得出矿山大硐室支护存在的问题；详细分析了矿山大硐室围岩变形破坏影响 因素，并通过弹塑性力学分析研究围岩变形破坏机理，对大断面硐室变形破坏过 程、硐室开挖后围岩弹塑性区、松动区的应力与位移进行了分析；进行硐室断面 优化力学分析，分析椭圆断面的最优轴比及其相关影响因素；对大断面硐室锚杆 索 的支护理论、支护机理以及现有锚杆支护设计的方法进行了研究。从理论 上验证了锚索减跨机理的合理性。 1 ．5 本文研究主要内容 本文主要研究内容有以下几点 1 对国内外硬岩矿山井下大断面硐室研究现状、支护机理、支护理论等进 行归纳总结，得出矿山井下大硐室支护存在的问题。 2 结合矿山井下大硐室围岩稳定性影响因素，对矿山井下大硐室顶板、两 帮进行破坏立即分析，为后面的硐室支护机理分析打下基础。 3 从力学分析和数值模拟两方面，对矩形断面、圆弧拱形直墙断面、三心 8 拱直墙断面三种断面在埋深分别为4 0 0 m 、5 0 0 m 、6 0 0 m 的情况下进行模拟，进 行模拟，得出最合理的断面形式。埋深条件对大硐室断面形状的影响，最终找出 有利于支护和围岩稳定的最优断面。 4 对大断面硐室锚杆 索 的支护理论、支护机理以及现有锚杆支护设计 的方法进行了研究。理论研究了锚索减跨机理对硐室围岩稳定性的影响，并对硐 室顶板和两帮的锚杆、锚索支护机理进行了研究。 5 对贵州开磷马路坪矿未来发展趋势进行阐述，点出马路坪矿大断面维修 硐室修建的必要性。根据马路坪矿大型设备尺寸、马路坪矿矿产开采量、围岩基 本性质、维修硐室具体使用用途、使用年限等，结合前面的结论，进行大断面维 修硐室断面设计。根据大硐室变形破坏机理和支护机理，对马路坪大断面硐室进 行支护设计，并用F L A C ．3 D 软件进行支护方案验证。 本文研究技术路线见图1 ．1 。 调研、资料收集 大断面硐室围岩变形破坏机理研究 大断面硐室断面形状优化If 马路坪矿工程地质条件fI 大硐室支护机理研究 F l a c 3 d 数值 模拟分析 维修硐室断面及形状设计优化II维修硐室支护参数确定 图1 ．1 本文技术路线 9 F L A C ．3 D 数值模拟 2 矿山大硐室围岩变形破坏机理分析 本章对矿山井下大硐室围岩特点、破坏影响因素进行归纳，并对大硐室围岩 破坏机理进行分析，为大硐室围岩支护设计提供科学的理论依据。 2 ．1 矿山硐室围岩变形破坏影响因素 大硐室开挖后围岩稳定性受多种因素影响，如岩石赋存状态、岩石几何参数、 围岩应力、岩石性质、开挖方式及硐室面积等。这些因素也可称之为大硐室围岩 破坏的主要因素，归纳起来有以下几点 1 围岩性质与结构特征 围岩性质是影响硐室围岩变形破坏的重要因素之一H 7 1 。通常情况下，围岩强 度较低时，硐室开挖后不能自稳，易产生小规模的冒顶，反之，当围岩强度较高 时，开挖后围岩不易发生破坏，但是一旦发生冒落，其规模将会很大。目前，评 价围岩强度的力学指标很多，其中以岩石、的单轴抗压强度最具代表性且容易获 得，是岩石稳定性的重要评价指标。然而，硐室围岩的破坏不仅取决于岩石强度， 还与岩石的结构特征有着密切关系。 2 围岩地应力 围岩地应力包括自重应力和构造应力两部分【4 8 】