硬岩层状顶板失稳规律与支护技术研究

摘要

顶板垮落是金属矿山地下开采中严重的工程灾害之一,它不仅影响采矿进度,同时也对井下作业人员生命安全构成威胁。由于金属矿层状顶板分布较少,故硬岩层状项板的支护研究也相对较少且处于起步阶段。本文以中钢集团苍山铁矿层状顶板的支护为工程背景,对硬岩层状项板的失稳机理及支护进行了研究,提出了合理的支护方案,有着较强的理论研究意义和工程指导意义。
　　 论文主要开展了以下方面的工作:
　　 (1)采用理论分析方法,应用弹性力学中的薄板理论,将采场硬岩层状顶板简化成平面应变板,推导两端固支和两端简支的边界条件下岩层挠度、岩梁破坏的临界荷载、临界应力计算式；
　　 (2)应用FLAC-3D数值模拟,研究了埋深50～300m时,采场硬岩层状项板随上覆岩层的分层厚度、分层类型、矿体埋深等因素变化的失稳规律；
　　 (3)提出限制硬岩层状顶板变形破坏的特殊支护原则、支护方式与支护理论设计依据；
　　 (4)以中钢集团苍山铁矿为工程实例,通过现场工程调查,分析层状项板垮落与地质、采矿条件的关系；结合苍山铁矿的矿岩力学实验对采场岩石进行稳定性评价；设计了三种支护方案:树脂锚杆+加长树脂锚杆联合支护、树脂锚杆+加长树脂锚杆+钢带联合支护和砂浆锚杆+锚索的支护方案,通过数值模拟分析支护效果,确定了最优支护方案。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外层状岩体的研究现状

1.2.1 基于弹性梁或弹性板的层状岩体破坏研究

1.2.2 基于铰接拱的岩层失稳规律研究

1.2.3 层状岩体的支护研究

1.3 本文的主要研究内容与方法

第二章 硬岩层状顶板失稳的理论分析

2.1 硬岩层状岩体的结构面特征

2.2 硬岩层状顶板的失稳形式及影响因素

2.2.1 顶板失稳形式

2.2.2 影响因素分析

2.3 层状顶板失稳的力学分析

2.3.1 层状顶板的力学模型假设与建立

2.3.2 力学模型的推导与求解

2.4 本章小结

第三章 硬岩层状顶板失稳的数值模拟分析

3.1 数值模拟方案的确定

3.1.1 数值模拟工具的选择

3.1.2 数值模拟方案的确定

3.2 数值模型的建立

3.2.1 初始与边界条件的确定

3.2.2 岩体力学参数的选取

3.2.3 建立实体模型

3.3 数值模拟结果及失稳分析

3.3.1 顶板等厚分层的模拟结果分析

3.3.2 顶板不等厚分层的模拟结果分析

3.3.3 埋深不同时的顶板模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 硬岩层状顶板的支护原则与机理

4.1 硬岩层状顶板的支护原则

4.1.1 抵抗层间分离的支护原则

4.1.2 抵抗拉伸破坏的支护原则

4.1.3 抵抗剪切破坏的支护原则

4.1.4 联合支护原则

4.2 硬岩层状顶板的支护机理

4.2.1 锚杆支护原理

4.2.2 锚索支护原理

4.2.3 锚杆.锚索协调支护原理

4.2.4 注浆支护原理

4.2.5 钢带支护原理

4.3 硬岩层状顶板的支护

4.3.1 锚固方式选择

4.3.2 锚杆参数设计

4.3.3 锚索参数设计

4.4 本章小结

第五章 苍山铁矿层状顶板的支护设计

5.1 苍山铁矿工程概况

5.1.1 苍山铁矿工程地质条件

5.1.2 苍山铁矿开采现状

5.2 苍山铁矿顶板垮落的现场调查与分析

5.2.1 顶板垮落情况调查

5.2.2 顶板垮落原因初步分析

5.3 岩体的稳定性分析

5.3.1 工程条件

5.3.2 室内岩石力学实验

5.3.3 岩体稳定性评价

5.4 支护方案选择与参数设计

5.4.1 支护方案选择依据

5.4.2 支护方案确定

5.4.3 支护参数设计

5.5 支护效果的数值模拟分析

5.5.1 围岩水平应力分布

5.5.2 围岩垂直应力分布

5.5.3 围岩水平位移分布

5.5.4 围岩竖向位移分布

5.5.5 支护结构受力分析

5.5.6 岩层结构面的剪应力特征

5.5.7 围岩屈服特征

5.5.8 支护方案的确定

5.6 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 进一步的研究建议

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果