复杂应力条件下深部软岩巷道矿压控制研究

摘要

深井软岩巷道矿压控制，一直是矿业工程难点问题之一。随着矿井开采规模的加大和开采向深部发展，深部软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出，能否解决好深部软岩巷道的支护等问题，是矿井开采向深部发展和安全生产的关键。 本文针对白皎煤矿深部软岩巷道掘进和使用期间出现的巷道变形破坏的实际难题，结合现场施工经验，通过现场调查、实测、理论分析以及数值模拟相结合的研究方法，分析深部软岩巷道变形破坏原因、规律以及提出巷道矿压控制措施，在白皎煤矿试验区不同围岩条件、不同原岩应力的情况下选择多种支护方式进行现场试验研究，并最终分析出合理可行的支护手段，对深部软岩巷道的矿压控制有一定的指导作用。本文主要取得了以下研究成果： (1)采用多点位移计观测巷道开挖后围岩松动情况，分析得知在白皎煤矿深部未采煤体下方的软岩巷道围岩，在锚网梁喷支护条件下其围岩松动圈范围为4.0～5.0m左右；在采空区下方开挖的巷道可监测范围内其深部围岩位移在10.0mm以内，基本无松动； (2)通过ANSYS有限元软件对煤体和采空区卸压带下方软岩巷道分别选择两种不同支护手段进行数值模拟分析，分析出在不同应力条件下各支护手段对巷道围岩的控制效果、应力场分布以及塑性区分布情况； (3)在白皎煤矿使用锚索作为二次支护，并通过现场观测对比分析，锚网梁喷作一次支护，锚索补强为二次支护的支护手段更能有效控制深部软岩巷道变形破坏； (4)在采空区卸压带下方，锚网梁喷支护和拱形钢拱架加混凝土碹支护均能有效控制其巷道变形，为解决跨上山回采“掘前预采”提供了实例分析。

目录

文摘

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1绪论

1.1问题的提出及研究的目的意义

1.2国内外深部软岩巷道矿压理论及其控制技术的研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内发展及应用现状

1.3研究的主要内容和技术路线

1.3.1研究的主要内容

1.3.2研究的技术路线

2复杂应力条件下深部软岩巷道的变形破坏特征及主要影响因素

2.1软岩巷道的基本情况

2.1.1软岩定义及巷道围岩分类

2.1.2软岩巷道围岩的应力状态

2.2软岩巷道的变形破坏特点

2.2.1软岩的工程特性和力学属性

2.2.2软岩巷道变性破坏特点

2.2.3所研究巷道的变形破坏特点

2.3影响软岩巷道变形破坏的主要因素

2.3.1一般软岩巷道变形破坏机理

2.3.2所研究巷道的变形破坏主要影响因素

2.4本章小结

3软岩巷道联合支护理论分析

3.1软岩巷道支护的经验教训

3.2软岩巷道围岩承载机理

3.2.1软岩巷道弹塑性状态圈状模型

3.2.2巷道围岩塑性区范围计算

3.2.3圆形巷道支护荷载的计算

3.3软岩巷道围岩与支护相互作用原理

3.3.1锚杆的加固作用

3.3.2锚索加强支护作用机理

3.3.3拱形钢拱架与混凝土碹共同作用机理

3.4软岩巷道支护原则

4复杂应力条件下深部软岩巷道矿压控制数值模拟研究

4.1有限元理论及软件简介

4.1.1有限元基本理论

4.1.2ANSYS有限元软件简介

4.2弹塑性分析常用强度准则

4.2.1最大拉应力准则

4.2.2 Mohr-Coulomb准则

4.2.3 Drucker-Prager准则

4.3计算模型的选择以及材料参数的确定

4.3.1本构模型的确定

4.3.2模拟巷道位置及模型尺寸

4.3.3巷道围岩物理力学参数

4.3.4巷道支护材料参数

4.3.5边界条件的确定

4.4模拟结果分析

4.4.1模型Ⅰ分析

4.4.2模型Ⅱ结果分析

4.5本章小结

5复杂应力条件下深部软岩巷道矿压控制现场实验研究

5.1试验区概况及生产技术条件

5.2现场观测目的、内容及方法

5.2.1现场观测目的以及测区布置

5.2.2观测内容及方法

5.3现场观测结果与分析

5.3.1锚网梁喷与锚索复合支护段巷道变形规律

5.3.2锚网梁喷支护段巷道变形规律

5.3.3拱形钢拱架加混凝土碹体支护段巷道变形规律

5.4本章小结

6结论与建议

6.1实验研究与数值模拟对比分析

6.2主要结论

6.3建议

致 谢

参考文献

附 录 作者在攻读硕士学位期间发表论文及科研情况