连续双壳治理高地应力岩巷底鼓机理研究

摘要

随着深部煤炭资源的不断开发以及深部矿井的建设，高地应力问题的出现成为危及井巷工程围岩体安全的主导因素，浅部开采的巷道支护理论及技术在巷道围岩受高地应力状态下很难适应巷道围岩的稳定及支护问题，且巷道底鼓已成为围岩变形和破坏的主要形式之一，故对高地应力情况下巷道底鼓的治理提出了新的研究课题。因此，对高地应力巷道底鼓机理特征以及其支护加固技术等问题的研究显得尤为重要和迫切。以此为出发点，本文结合国家自然科学基金项目“深井巷道“双壳”注浆加固支护机理研究”(51174070)、山西新景矿委托项目“高应力大变形永久巷硐‘双壳’治理底鼓技术与机理研究”及山西新景矿埋深450m的井下巷道为工程背景，以采矿学、岩体力学、弹塑性力学、断裂力学等理论为基础，通过相似材料模拟、理论分析、数值模拟、现场实测及工程实践等手段对煤矿高地应力岩巷底鼓产生机理及其特征开展了实验研究，提出了适合于煤矿高地应力岩巷底鼓的支护技术和方法，且对提出方案进行比较分析，确定其可行性及优越性。本文的研究内容主要包括以下几个方面:
　　 对三种常规地应力环境下不同机理类型的巷道底鼓进行阐述及分析，比较高地应力环境下巷道底鼓的特征，对高地应力及水平应力对巷道底鼓的影响进行分析，总结出既要强化底板浅部围岩，防止底板浅部围岩破坏及二次水平应力对底板围岩的影响，亦要阻止巷道底板深部围岩应力向巷道底板浅部围岩传播的新的巷道底板支护理念，提出了巷道围岩“双壳”支护概念与机理，并得出连续双壳支护即深浅注浆壳结合锚索束共同支护。
　　 对高地应力岩巷底鼓机理及治理研究的相似模拟实验进行设计，阐述实验的目的、原理、过程及实验结果处理方式等问题。对自相设计并改造的新型CM250/18试验台及相似材料配比试验进行介绍，设计完成相似模拟材料试验的边界条件及测试系统;并对数值模拟试验进行设计，且明确最终试验结果的交叉对比分析方式。
　　 通过相似模拟实验对侧压系数分别为1.0和1.2情况下，原支护及连续双壳支护情况下巷道围岩的应力和位移量进行比较分析，说明连续双壳支护支护方式的可行性及优越性，且对裸巷情况下巷道围岩的应力变化进行分析，说明高地应力环境下巷道围岩出现的新的特征并对其进行分析。
　　 对五种不同支护形式下，四种不同水平应力（λ=0.8、1.0、1.2、1.5）情况下，从开挖到巷道最终稳定过程中巷道围岩中垂直位移、水平位移、垂直应力、水平应力和塑性区五个项目相应的数值及截图进行交叉比较分析，研究了不同侧压系数对巷道底鼓的影响及不同支护形式对巷道底鼓的支护效果，且结果与相似模拟实验所得结果基本一致。
　　 针对阳煤集团新景矿高地应力岩巷底鼓问题，根据实测结果及理论分析结果，有针对性的进行了支护方案设计并进行了现场工程试验。现场实测表明，采用的支护方案有效的控制了巷道底板最终底鼓量，巷道使用安全性及经济性大大提高，验证了支护方案的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外现状

1．2．1 底鼓机理的相关研究

1．2．2 底鼓治理的相关研究

1．3 研究意义

1．4 研究内容和方法

1．5 技术路线

第二章 高地应力岩巷底鼓机理及治理理论概述

2．1 高地应力的定义

2．2 高地应力岩巷垂直应力及水平应力对底鼓的影响

2．2．1 巷道底鼓的机理类型

2．2．1 巷道围岩高地应力对底鼓的影响

2．1．3 水平应力对巷道底鼓的影响

2．3 连续双壳对底鼓的治理

2．3．1 巷道底鼓治理

2．3．2 常规支护方式

2．3．3 连续双壳治理理论的提出

2．4 本章小结

第三章 高地应力岩巷底鼓机理及治理理论实验设计

3．1 高地应力岩巷底鼓机理及治理理论相似模拟实验设计

3．1．1 相似模拟实验设计目的

3．1．2 采用新型实验台的必要性

3．1．3 相似模拟实验概述

3．1．4 相似材料配比实验

3．1．5 相似模拟实验边界条件设计

3．1．6 相似模拟实验测试系统设计

3．2 高地应力岩巷底鼓机理及治理理论数值模拟实验设计

3．2．1 Flac3D软件介绍

3．2．2 数值模拟实验设计

3．3 本章小结

第四章 高地应力岩巷底鼓机理及治理相似模拟实验研究

4．1 巷道围岩应力变化规律

4．1．1 裸巷情况下巷道围岩应力变化

4．1．2 巷道支护情况下巷道围岩应力变化及比较

4．1．3 相似模拟出现的问题

4．2 巷道围岩变形规律

4．4 本章小结

第五章 高地应力岩巷底鼓机理及治理数值模拟实验研究

5．1 不同侧压环境下底鼓特征分析

5．1．1 裸巷情况下不同侧压底鼓特征分析

5．1．2 原支护情况下不同侧压底鼓特征分析

5．1．3 只进行底板注浆情况下不同侧压底鼓特征分析

5．1．4 只打底板锚索束情况下不同侧压底鼓特征

5．1．5 连续双壳治理情况下不同侧压底鼓特征

5．2 不同支护形式下底鼓治理分析

5．2．1 不同支护形势下λ=0．8时底鼓特征分析

5．2．2 不同支护形势下λ=1时底鼓特征分析

5．2．3 不同支护形势下λ=1．2时底鼓特征分析

5．2．4 不同支护形势下λ=1．5时底鼓特征分析

5．4 本章小结

第六章 工业性试验

6．1 工程概况

6．2 巷道底鼓特征及机理分析

6．2．1 现场巷道围岩变形情况

6．2．2 巷道底鼓机理分析

6．2．3 初次支护形式评价

6．3 高地应力岩巷底鼓治理关键技术

6．3．1 连续双壳支护设计

6．3．2 施工工艺

6．4 支护效果分析

6．5 本章小结

第七章 总结

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 存在不足

7．4 展望

致谢

参考文献

附录

作者简介

发表论文和参加科研情况说明