深立井大断面马头门围岩稳定性数值模拟与实测分析

摘要

马头门是指井筒与井底车场巷道相连接的部分，是矿井的咽喉部位，设计断面大，服务年限较长，而且受力状态十分复杂。特别地对于开采深度不断增加的矿井，马头门部位的稳定性对于深立井连接硐室群系统显得尤为重要。本文采用理论分析、数值模拟技术、支护结构参数优化以及现场监测等方法，对马头门部位开展了围岩的稳定性影响因素、失稳机理、不同结构参数下的稳定性、支护参数优化设计以及数值模拟与现场监测结果对比分析等方面的研究。研究深立井马头门围岩的稳定性，应将自然工程地质因素、巷道及硐室本身结构特点以及施工过程中的人为因素等综合起来考虑。结合淮南矿业（集团）有限责任公司潘三矿深部进风井马头门的实际地质状况，运用HyperMesh前后处理软件、ABAQUS数值模拟软件对其马头门及连接巷道硐室进行三维数值模拟，主要分析了在不同地应力荷载、井简直径以及马头门高度下马头门巷道及井筒围岩的稳定性状况，很好地揭示了马头门巷道和井筒围岩收敛变形及应力变化规律。根据数值计算结果分析的潘三矿深部风井马头门及连接巷道硐室围岩受力特征，结合现场工程经验，提出了支护参数优化设计方案，设计在马头门拱顶增加长14m锚索束来控制顶部围岩稳定性。通过数值模拟分析和工程实际监测结果，发现距离巷道中心15～20m范围内马头门巷道及井筒围岩稳定性受开挖影响显著，应采用加强支护技术对其进行支护。不同结构参数下，马头门顶板部位均出现了压应力集中的现象，可考虑采用围岩注浆和增设锚索等支护手段，确保围岩稳定性;马头门巷道硐室底板产生了显著底臌现象，应实施底板注浆锚杆、底板锚索和反底拱等支护技术以控制马头门底板的底臌现象。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外马头门稳定性分析研究现状

1．2．2 国内马头门稳定性分析研究现状

1．3 主要研究内容与方法

1．4 技术路线

2 马头门围岩稳定性影响因素及失稳机制

2．1 马头门围岩稳定性影响因素

2．1．1 自然工程地质因素

2．1．2 巷道硐室本身的结构特点

2．1．3 人为因素

2．2 马头门应力及变形特性

2．3 马头门围岩失稳及支护理论研究概况

2．4 巷道硐室围岩层裂板结构失稳分析

3 马头门围岩稳定性数值计算

3．1 数值计算技术的发展及模拟软件简介

3．1．1 数值计算技术的发展

3．1．2 数值模拟软件简介

3．2 工程概况

3．3 数值计算模型概况

3．3．1 ABAQUS模型建立

3．3．2 材料参数

3．3．3 边界条件

3．3．4 强度准则

3．3．5 监测位置布置

3．4 模拟结果分析

3．4．1 围岩收敛演化规律

3．4．2 应力分布规律

3．５小结

4 马头门及其连接巷道硐室支护参数优化设计

4．1 支护参数优化设计原则

4．2 优化支护设计方案

4．3 小结

5 深立井大断面马头门现场实测

5．1 装载硐室钢梁变形及围岩收敛变形监测

5．2 监测方法

5．2．1 装载硐室钢梁变形监测

5．2．2 围岩收敛变形监测

5．3 监测与模拟结果对比分析

5．3．1 装载硐室钢梁监测结果与分析

5．3．2 马头门断面围岩收敛对比分析

5．3．3 围岩应力对比分析

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果