深埋软岩大断面硐室变形与稳定性分析.pdf

辽宁工程技术丈学 硕士学位论文 深埋．软岩太断面硐室．变。形与．稳．定．性分析 A n a l V s i so fD e f o r m a t i o na n dS t a b i l i t y0 fD e e DS o f tR o c k ⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1⋯⋯⋯⋯⋯●i ⋯I I I ⋯⋯⋯⋯I⋯⋯⋯⋯II ⋯I ⋯I I ⋯⋯⋯⋯i ⋯I ■ L a r g eCr O S SS e c t i o nC a v e r n s ●I ⋯I ⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I ●■1 I I I ⋯n■i i ⋯i ⋯⋯ii ■i ⋯i i ⋯ 作者姓名袁升礼 指导教师张向东教授杨春满高工 学科专业岩土工程 二。一七年六月 万方数据 分类号T D 3 5 3 U D C6 2 2 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 深埋软岩大断面硐室变形与稳定性分析 A n a l y s i so fD e f o r m a t i o na n dS ‘a b i l i t yO fD e e DSom 0 nnt0 l ～- tA n a I y S l S0 IJ J e l 0SaD n l t yO IJ J e e D ⋯⋯⋯⋯●●⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ⅢⅢⅢ⋯Ⅲ川⋯⋯ⅢⅢⅢⅢ⋯m ⋯⋯●，⋯⋯ⅢⅢ⋯⋯●●●⋯●O ⋯⋯⋯● R o c kL a r 2 eC r O S SS e c t i o nC a v e r n s 0 0 ⋯⋯⋯ⅢⅢⅢ⋯●●●- Ⅲ川ⅢⅢ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯● 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 袁升礼 张向东教授杨春满高工 工学硕士 岩土工程 地下工程 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王猩拉苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽主工猩拉丕太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名蠡缉垄厶 导师签名 矽芦多月 万方数据 致谢 光阴荏苒，研究生生涯即将结束，三年的学习生活使我受益匪浅。经历一年半时间的 磨砺，毕业论文终于完稿，回首这一年半多的来收集、整理、思索、停滞、修改直至最终 完成的过程，我得到了许多的关怀和帮助，我要向他们表达我最诚挚的谢意。 首先，我要深深感谢我的导师张向东教授。张向东教授和蔼可亲，平易近人。在论文 的选题、搜集资料和写作阶段，老师都倾注了极大的关怀和鼓励。在论文的写作过程中， 每当我有所疑问，老师总会放下繁忙的工作，不厌其烦地指导我；在我初稿完成之后，老 师又在百忙之中抽出时间来对我的论文认真的批改，字字句句把关，提出许多的指导意见， 使我在研究和写作过程中不致迷失方向。他严谨的治学之风和对事业的孜孜追求将影响和 激励我的一生，他对我的关心和教诲我更将永远铭记。借此机会，我谨向恩师致以深深地 谢意。 其次，我还要感谢土木与交通系刘家顺老师、李庆文师兄，正是因为有了他们严格、 无私、高质量的教导，我才能在这几年的学习过程中汲取专业知识和迅速提升能力；同时也 感谢这三年来与我互勉互励的诸位同门，殷增光，白伟才，刘洪彪，苏伟林，在同门的共 同努力之下，共建一个良好的生活环境和一个积极向上的学习氛围，能在这样一个团队中 度过，是我极大的荣幸。 同时也感谢煤科总院的李学彬博士，梁智鹏硕士，他们以极大的热情、耐心，专业的 知识和经验，帮助我完成了第一手资料的收集，感谢他们对本文调查研究工作所提供的大 力帮助与支持。感谢吴华红庆梁煤矿的彭伟总工程师对本文依托项目的支持和帮助。 最后，我要感谢参与我论文评审和答辩的各位老师，他们给了我一个审视几年来学习 成果的机会，让我能够明确今后的发展方向，他们对我的帮助是一笔无价的财富。我将在 今后的工作、学习中加倍努力，以期能够取得更多成果回报母校、回报社会。再次感谢他 们，祝他们一生幸福、安康 万方数据 摘要 我国煤炭行业正处于东部向西部转移、浅部向深部迁移和小断面向大断面拓展的特殊 时期，对西部深埋软岩大断面硐室的研究已经是大势所趋。西部软岩大硐室岩性弱、断面 大、埋深大，由此引发的围岩变形大、塑性区深、变形延续时间长，对传统的支护理形成 了冲击。因此，研究深部软岩大断面硐室的稳定性影响因素及其控制技术具有重要意义。 本论文针对内蒙古鄂尔多斯市境内红庆梁煤矿主斜井和井底煤仓连接处的装载硐室， 通过地质调研、室内物理力学性质实验分析了大断面硐室的地质情况和围岩参数，为变形 机理的分析、支护方法的提出及模拟参数的确定提供数据支撑。 1 运用多种方法分析了大断面硐室的变形机理；利用复变函数分析了装载硐室的 围岩应力场的分布，结合芬纳公式分析断面尺寸对硐室变形的影响，采用X 射线和电镜分 析围岩的矿物成分并探究其对硐室变形的影响机制。定性地讨论了断面的形状和处于硐室 群干扰对下大断面硐室变形情况。 2 基于大断面硐室变形的影响机制，探究了硐室顶底板和两帮的变形过程和变形 形态，利用C a Q 8 矿用钻孔成像仪对硐室围岩内部直观探测，得到围岩松动圈厚度；同 时分析了各种主被动支护方式的加固机理，探索适合红庆梁软岩大硐室的支护方式。结合 支护理论提出了锚网索喷作为初次支护和钢筋混凝土砌碹 钢梁支撑的二次支护方式。 3 应用有限差分软件F A L C 3 D 实况模拟了井底装载硐室，研究了硐室围岩与支护共 同作用的效果，分析了围岩变形、围岩应力、塑性区及支护结构的稳定性，验证了前述支 护方法的可行性，并指出支护设计存在的不足并提出补强措施。 4 在模拟的指导下设计了监测方案，对硐室支护全寿命进行稳定性监测与评价， 对初次支护锚杆索受力进行分析，煤仓开挖之后施加二次支护的监测，分别对钢筋应力和 混凝土应变监测实现二次衬砌的实时监控。 关键词装载硐室；变形机制；支护技术；数值模拟；应力应变监测 万方数据 A b s tr a c t C o a li n d u s t r yi no u rc o u n t r yi si nt h es p e c i a lp e r i o do fd i v e r t i o nf r o me a s tt ot h ew e s t ， m i g r a t i o nf r o ms h a l l o wt od e e pa n dd e v e l o p m e n to fs m a l lf a u l tt ol a r g e ，t h er e s e a r c ho nt h e l a r g es e c t i o nc a v e r ni nd e e ps o f tr o c ko fw e s t e r ni st h et r e n do ft h et i m e s ．L a r g ec a V e mi n w e s t e r ns o f tr o c kw i t hw e a kr o c k , l a r g es e c t i o n , l a r g eb u r i e dd e p t h , w h i c hr e s u l t i n go fb i g s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n , d e e pp l a s t i cz o n e ，l o n gd e f o r m a t i o nd u r a t i o n , b r i n gg r e a ti m p a c t o nt h et r a d i t i o n a ls u p p o r t i n gt h e r o yT h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fd e e ps o f tr o c ko fl a r g es e c t i o n c a v e l * ns t a b i l i t yi n f l u e n c ef a c t o r sa n di t sc o n t r o lt e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ． T h i sp a p e ri nv i e w o ft h el o a dc a v e r n ，l y i n gi n t h et e r r i t o r yo ft h em a r es l o p ea n db o t t o m c o a lj o i n to fH o n g q i n g l i a n gc o a l ，E r d o sc i t y ，I n n e rM o n g o l i a , w h o e ss e c t i o n a la r e ai su pt o8 0 m 2 ．t h r o u g hg e o l o g i c a li n V e s t i 鲥o n i n d o o rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x p e r i m e n t a l a n a l y z et h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c ko fl a r g es e c t i o nc a v e r n , f o r t h e a n a l y s i so ft h e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , s u p p o r tm e t h o di s p u tf o r w a r d ，a n dt h e d e t e r m i n a t i o no fs i m u l a t i o np a r a m e t e r st op r o v i d ed a ms o p p o r L 1 M a n ym e t h o d sa r eu s e dt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m o fl a r g es e c t i o nc 冱t v e m * * c o m p l e xf u n c t i o na 坞u s e dt oa n a l y z et h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h el o a d c a v e r n , b yv i t a eo ff e n n e r “ sf o r m u l at oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h es e c t i o ns i z eo fc a v e r n d e f o r m a t i o n , X - r a ya n de l e c t r o nm i c r o s c o p ea r cu s e dt oa n a l y z es u r r o u n d i n gr o c km i n e r a l c o m p o s i t i o na n de x p l o r e i t se f f e c to nt h ec a v e r nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ．Q u a l i t a t i v e l y d i s c u s s e dt h ec r o s ss e c t i o ns h a p ea n di nac a v e r ng r o u po fi n t e r f e r e n c eo nt h ei n f l u e n c eo ft h e d e f o r m a t i o no fl a r g es e c t i o nc a v e r l L 2 B a s e do nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s md i s c u s s e d , t h ep a p e re x p l o r e st h ed e f o r m a t i o n p r o c e s sa n df o r m so ft h ec a v e r nr o o f ，f l o o ra n dt w os i d e s ，a n da n a l y z e st h er e i n f o r c e m e n t m e c h a n i s mo fv a r i o u sm a i na c t i v ea n dp a s s i v es u p p o r tm o d e ，a n dt h e ne x p l o r et h eh o wt o s u p p o r tt h el a r g ec a v e r n ．b o l t ，c a b l e ，m e t a ln o t , a n ds h o t c r e t e a r ep r e s e n t e da si n i t i a ls u p p o r t ， r e i n f o r c e dc o n c r e t el i n i n g s t e e lb e a ma ss e c o n d a r ys u p p o r tw i t ht h et h e o r yo f r e i n f o r c e dt h e o r y ． 3 T h ea p p f i c a t i o no ff i n i t ed i f f e r e n c e o f t 3 v a r eF A L C 3 Da r cu s e dt oa c t u a l l ys i m u l a t e d d o w n h o l el o a dc a v e r nt or e s e a r c ht h ec 甚v e ms u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n ge f f e c t , t h ee f f e c t o fac a r e f u la n a l y s i so ft h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n , s t r e s sa n dp l a s t i cz o n eo fs u r r o u n d i n g r o c ka n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es u p p o r t i n gm e t h o d , a tt h e s a m et i m ep o i n t so u ts o m ep r o b l e m so f t h es u p p o r t i n ga n dr e i n f o r c i n gn M a s u 北sa r ep u tf o r w a r d ． 一I I 万方数据 4 U n d e rt h eg u i d a n c eo f s i m u l a t i o na n de x p e r i e n c e ，t h em o n i t o r i n gp l a ni sd e s i g n e dt o m o n i t o ra n de v a l u a t et h ew h o l el i f eo fc a v e r ns t a b i l i t y ．m o n i t o r i n gs u p p o r t i n ga n c h o rb o n sf o r c e t oa p p e a r st h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r e ，t h es e c o n d a r ys u p p o r t i n gm o n i t o r i n gi sa p p l y i n ga f t e r c o a lb u n k e re x c a v a t i o n ，t h es t r e s so fs t e e lb a r sa n dc o n c r e t es t r a i nm o n i t o r i n ga r er e s p e c t i v e l y a p p l i e dr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h es e c o n d a r yl i n i n g ． K e yW o r d s l o a d i n gc a v e r n s d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ；s u p p o r t i n gt e c h n o l o g y ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l i n i n gs t r e s sa n ds t r a i nm o n i t o r i n g I I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1软岩大硐室稳定性分析方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2软岩工程研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．3软岩大断面硐室研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 主要技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 工程地质条件及围岩力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1红庆梁煤矿工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1地层情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 矿井工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 软岩大硐室围岩力学性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3深埋软岩大硐室变形机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．1基于复变函数对硐室围岩的力学解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1复变函数的简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．2保角变换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．1 ．3 大硐室围岩应力解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．2断面尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3围岩矿物成分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．4断面形状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 硐室群扰动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 万方数据 4深埋软岩大硐室围岩变形控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1硐室围岩变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1硐室围岩变形过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．2硐室围岩变形形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．3硐室围岩内部变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 硐室围岩支护方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．3 支护围岩作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．3 ．1支护围岩共同作用理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．2围岩支护加固原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．4红庆梁软岩大硐室围岩支护加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5井底装载硐室数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．1围岩模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 ．1基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．1 ．2 模型范围选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．1 ．3网格尺寸确定及边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．2围岩本构模型及参数赋值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．1计算模型选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 5 ．2 ．2结构单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．3锚杆等效⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3井底装载硐室监测面设置与开挖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．3 ．1监测断面设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．2开挖方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．4井底装载硐室初期稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．4 ．1围岩的变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．4 ．2围岩的应力及塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．4 ．3初期支护结构稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．5井底装载硐室长期稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 ．1煤仓开挖后变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 万方数据 5 ．5 ．2围岩的应力、塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．5 ．3二次支护结构稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．6 支护建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6井底装载硐室矿压监测分析与支护效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1井底装载硐室矿压监测方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．2 前期矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．2 ．1矿压监测设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．2 ．2 矿压监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．3二次衬砌支护监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．3 ．1监测仪器介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 6 ．3 ．2现场监测方案设计与仪器安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．3 ．3 二次监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 7 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究意义 面临中国东部地区浅部资源趋于枯竭【l 切、新建煤矿的审批被暂停，且长江三角洲和南 部的珠江三角洲等地计划限制煤炭使用量的局面，国内矿井建设由东部向西部迁移、向深 部挖掘已是大势所趋。同时，科技发展惠及煤炭行业，大型装备、器械在煤炭开采中扮演 越来越重的角色，使得大断面硐室所占的比重渐增，普遍具有断面大，布置密集、服务年 限长等特点，其周边硐室或巷道错综复杂，更易受复杂地质条件，如高地应力、渗流、风 化等的影响，对掘进、开采等扰动响应更敏感，在开挖过程应力场、应变场、渗流场等的 改变也变化改变着原岩的稳定性，使得围岩变形机理更为特殊复杂，大硐室的开挖成为了 非线性大断面的动态力学演化过程。 西部软岩大硐室岩性差、断面大、埋深大，使得围岩破碎区、塑性区显著增大，使传 统锚杆 索 加固理论、围岩控制理论和支护技术难以满足软岩大硐室稳定性的需求，极 大制约西部煤矿行业的发展。因此，复杂地质条件下，软岩地层大断面硐室及硐室群围岩 稳定性控制问题吸引诸多专家、学者的高度关注，也是目前岩土工程领域亟待解决的重大 问题之一。而目前关于软岩地层硐室或硐室交叉点附近高应力集中区大断面硐室稳定性的 研究还比较少，围岩破坏机理和围岩控制支护技术均不太成熟。因此，通过掌握大断面软 岩硐室围岩变形破坏规律，探索出大断面硐室围岩变形破坏机理，并结合实际地质条件确 定合理的硐室支护技术方案便成了非常重要的课题。 本文通过调研红庆梁煤矿地质资料，采集现场岩样进行室内试验获得岩性参数，基于 复变函数计算硐室围岩应力，由此计算硐室围岩切应力分布状况，基于多因素硐室变形机 理分析提出适合硐室围岩控制技术；并采用数值模拟的方法进行硐室稳定性分析，从围岩 应力、位移、支护结构分析了大硐室的稳定性。最后对硐室围岩变形和受力情况进行了动 态监测，评价大硐室支护技术情况，提出了大硐室支护优化及工艺优化的方案，指导了现 场的施工，为红庆梁矿后期建设的硐室或巷道提供借鉴和帮助，同时也为我国西部地区后 续建设的软岩大硐室稳定性控制提供参考依据及理论支持。 万方数据 1 ．2国内外研究现状 1 ．2 ．1软岩大硐室稳定性分析方法研究 概括来说，软岩大硐室稳定性分析的研究主要是通过现场实测、数值软件模拟，相似 工程类比和理论分析等方法实现的，或者通过采用多种方法综合研究。其中，现场实测是 通过测量仪器如锚杆 索 测力计、收敛计、离层仪、可视化探测、压力盒等手段测得围 岩受力、变形等数据，结合神经网络、遗传算法等多种手段反演得到围岩参数及应力场等； 现场实测数据是多因素综合的外显，为问题的分析提供可靠依据；但该方法周期长，且受 仪器精度、环境因素和操作方法的限制。 数值软件模拟是利用商业软件的内嵌程序，通过数值计算和图像显示，将现场复杂工 况向单因素、可操作的程序的转化，实现对工程的数值分析。但数值模拟难以完全模拟现 场复杂工况，模型的建立与计算是基于一些较理想化的假设。 相似工程类比是以相似工程实例作为参考，对当前工程稳定性分析进行相似评价，但 工程的复杂性决定难以找到完全相似的工程。 1 ．2 ．2 软岩工程研究现状 我国的软岩工程脱胎于矿产资源的开发，于2 0 世纪6 0 年代从煤矿走入人们的视野， 随着资源开采范围、深度的扩大，在7 0 年代获得广泛关注，吸引无数科研单位、专家、 学者争相研究。1 9 8 1 年9 月国际岩石力学协会召开“国际软岩研讨会”，1 9 8 4 年1 2 月集 中国内专家学者讨论了软岩的定义，1 9 9 6 年8 月国际岩石力学权威参加了英国T h e U n i v e r s i t yo f L e e d s 召开的“软岩工程地质“ 学术讨论会，1 9 9 6 年煤炭工业部召开了全国煤 炭软岩工程学术讨论会。软岩工程虽然兴起的时间不长，但已取得长足的成果，并成功指 导诸多工程实践。 软岩，一般定义为单轴抗压强度小于2 5 M P a 的松散、破碎、软弱及风化膨胀的岩体。 在工程中，是指重力、构造残余应力、水等工程力作用下显著变形的工程岩体，此定义强 调了工程力和岩体相互作用的关系。 根据变形的机理，一般分为膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。膨 胀性软岩本身强度不大，含有大量黏土高膨性矿物，如伊利石、蒙脱石，产生塑性变形的 机理是黏土矿物的膨胀或滑移。高应力软岩泥质砂岩，泥质粉砂岩，是中高强度的岩体， 在低应力条件下表现为硬岩，但在高应力下，岩石骨架中矿物发生剪胀扩容现象。按对白 重应力和构造应力的敏感分为自重高应力软岩和构造高应力软岩，节理化软岩含泥质成分 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 更少，本身强度较高，但节理发育，难以承受较大应力而使其呈现软岩的特征。复合型软 岩则是三种软岩随意组合的总称，其分类详细参数详见表1 ．1 。 表1 ．1 软岩工程分类与分级 T a b ．1 ．1S o f tr o c ke n g i n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o na n dg r a d i n g 注∞r 干燥饱和吸水率叮一抗压强度，M P a ； 踮绿泥石； 卜伊利石；K - 高岭石；膨二蒙脱石；肛伊／蒙泥层矿物 朱浮声【3 】指出围岩变形与支护系统不仅取决于开挖后围岩应力，还应该考虑随时间流 变的围岩压力和流变压力与支护间的相互作用，提倡流变实验是推动软岩工程发展的不竭 动力；注重数值方法和解析方法建立的应力．应变．时间关系；呼吁建立普遍的施工监测， 获取短期、长期的数据以支撑软岩工程与实践结合。 林育梁【4 】在总结前人的结论上，分析软岩流动形式与软岩支护之间的关系，指出软岩 支护都需释放变形能，都需让压支护的错误观点。将软岩变形分为塑性变形和随时间发展 的流变，支护时间越晚，围岩变形释放的能量就多，支护压力就小，但形成了更大的松动 圈，破坏围岩自身的稳定性。所以，应合理确定支护的时间。 A 。 令华表示支护前围岩流变速度，有 甜 a ≯ ”o ，r 堕一盈r 1 ．1 、 a t a ≯ ‰，， u “， 抛O 此时是理想状态，支护安装时间对支护作用开始时间无影响，当满足式 1 ．2 时，支护 安装时间越晚，支架受力越小，但由此围岩内部松动圈也将增大。 万方数据 a 妒 o ，『 一 塑 亟，．1 叭 O t ‘a ≯ “o ，， 、‘’‘， ● O u o 何满朝【5 】等分析了软岩区别于硬岩无法采用传统力学方法解决的原因o 、与断面尺 寸有高度的相关性；o 、特殊的时间效应，体现为峰前峰后变形．应力．时间关系不同，强 度随时间变化；0 、软岩工程的变形是物理、几何的非线性大变形；0 、变形呈现非光滑 现象；0 、软岩工程允许进入塑性和破坏阶段； 、有特殊的强度恢复性能；并提出了软 岩的两个基本力学属性软化临界荷载和软化临界深度，给出他们间互相转化的公式 以 1 0 0 0 , ．- A c r J I c ． 1 ．3 7 式中以为软化临界深度，m ； ％为软化临界荷载，M P a △a k 为构造残余应力，无构造残余应力时，值为0 ，M P a 厂为岩体容重，k g ／m 3 。 何满朝[ 6 1 针对随开采深度增加而导致软岩工程灾害日益严重的形势，重新定义了“深 部”的概念出现非线性物理力学现象的深度及以下的区间，非线性物理力学现象是指巷 道大变形、岩爆、冲击地压等，呼吁寻求符合大变形破坏的控制理论。分析了深部软岩工 程变形破坏机理，进入微观层面研究软岩矿物和水作用机理，并研发了深部软岩水理作用 系列试验系统，揭示了水对软岩工程复杂的作用规律。研发了软岩巷道破坏结构效应物理 模拟实验系统，模拟了不同地质条件下巷道开挖破坏过程，表明软弱结构面是围岩强度降 低、非对称大变形破坏的主因，是非对称支护设计的关键环节。自主研发了深井岩爆力学 实验系统，是国际首次室内再现岩爆。研究得到黏土矿物成分含量巨鼎岩爆强度、层面产 状决定岩爆模式的结论。自主研发了深部高温岩体力学特性实验系统，研究地热、流体和 深部岩石热流固耦合的复杂作用机理，揭示高湿热环境导致围岩强度衰减而破坏的规律， 控制高温、高湿是控制围岩大变形的关键。这些理论技术的发展必然落脚于工程实践，非 线性力学的发展指导力学设计的全过程，这些过程包括对策设计，施工过程优化设计，参 数设计等都将逐渐形成固化为深部软岩力学设计的科学步序；深部地应力点线面分析测试 更科学的确定地下应力场的演化规律，及其分布特征；并依次形成更科学的软岩控制技术， 针对软弱结构面提出并运用于实践的软岩岩巷非对称支护技术，针对底鼓提出的“一控顶 板、二控帮部、三控底脚“ 形成封闭圈的支护技术，针对交叉巷道提出的双控锚杆索支护， 通过提高中间岩体的支撑力稳定交叉点，在实践中取得良好成效，通过组合几个吸水小井 形成圆形吸水井，消除硐室群的空间效应确保硐室安全稳定。为消除大变形导致支护材料 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 破断失效的问题，利用特殊的恒阻锚杆索支护材料，适应软岩流变产生的缓慢变形，也能 承受冲击能量，形成“以柔克刚”的支护效果。 虽然我国在深部资源开采的理论研究和工程实践方面取得可喜的成就，但总体来说， 在深部赋予的“三高一扰动“ 特殊环境下，软岩复杂的层状组织、强度、流变、损伤、破 坏的特性的本质的研究还有待深入，对三种复杂的及其复合型的软岩问题不能说已经从本 质上得到解决，因此有必要在典型软岩及其与复杂环境相互作用下其破坏机理、控制技术 深入研究。 M a r a n i n i ．E 【7 】等研究石灰岩的流变特性，通过单轴压缩和三轴压剪流变力学实验，得到 软岩在不同围压下流变．破坏曲线，并总结出石灰岩流变的本构理论模型，从中分析了岩石 流变变形的机制。 B o u k h a r o v 【8 】等通过流变模型的组合，用胡克弹性体和弹簧原件模拟受力瞬间发生的顺 势变形，用有质量的黏缸原件表示蠕变阶段的特性，将其并联计算，较为可靠的描述了岩 石蠕变的是三个阶段。 g i _ r z h l l g rF 【9 】等通过研究岩石破碎机理，通过大量软岩破碎实验，结合数