高地应力复杂地质条件下巷道锚喷支护的数值模拟及优化研究

摘要

锚喷支护作为一种传统的支护方式,广泛地应用于煤矿巷道等地下工程领域,取得了良好的效果,亦积累了丰富的经验。随着浅部的煤炭资源日益枯竭,煤矿巷道向纵深方向迈进,现有的锚喷支护理论落后于现状的发展,很难适应具体的实际情况,特别是处于高地应力复杂地质中的巷道支护,现有理论远远不能满足实际应用需求。因此,有必要在现有研究成果的基础上,采用数值模拟方法进行特定情况下巷道锚喷支护的分析研究,以更科学、更有效、更可靠地应用锚喷支护技术。　　本文在参考大量文献的基础上,分析了高地应力巷道围岩变形特征及变形机理,并介绍了锚喷支护的类型、机理与原则以及锚喷支护技术的全面质量控制原理。　　与建立在众多假设条件下的解析法和相似模拟相比较,数值模拟表现出较多的优势,有着较强的适应性,在很多特殊复杂条件下必须借助于数值模拟分析。本文以具体的工程实例为背景,在现场调研、取样、试验的基础上,取得了岩层物理力学参数,采用FLAC3D有限差分软件建立了该巷道的数值模拟模型。在建立数值模型时就考虑了现场实际的高地应力情况以及复杂的地质分布情况,为了较好地模拟实际情况,建立了50×50×16.8m的三维数值模拟模型,分8个开挖段,每个开挖段2.1m,采用摩尔—库伦准则,较为真实地模拟了高地应力复杂地质中巷道全断面分段开挖支护以及台阶法分段开挖支护全过程的围岩位移、塑性区、应力的分布情况和规律。　　同时,本文还模拟了当水平地应力系数K=0.25、K=0.5、K=0.75、K=1.00、K=1.25,巷道的顶、底板的竖向位移、两帮的水平位移以及塑性区分布规律。　　当巷道轴线与水平地应力方向为不同夹角时,巷道围岩表现出不同的应力分布、变形特征和规律。本文采用数值模拟方法,建立了120×50×16.8m的三维数值模拟模型对巷道轴线与水平地应力的夹角为0°、15°、30°、45°、60°、75°时的围岩变形、应力及塑性区分布进行了分析,对于高地应力条件下指导巷道的合理布置有一定的参考价值。　　本文还对全断面分段开挖支护,当锚喷支护距开挖面一定距离时的围岩变形、应力的影响范围、规律进行了探讨,同时,也对采用预应力锚杆时的围岩变形情况进行了分析。　　为了对试验段巷道的围岩稳定性及支护结构的合理性进行评价,在巷道的施工过程中对巷道的顶、底板及两帮的位移进行了现场量测。数值模拟计算结果与实际量测结果基本相符,可以认为:本次数值模拟分析的结果是可行的,对于指导后续巷道的锚喷支护设计和施工既有一定的参考、指导作用。　　最后,从围岩顶、底板及两帮位移、最大及最小主应力等几个方面对不同锚杆间距、不同锚杆长度、不同锚杆直径、不同两帮锚杆倾斜角度及不同喷层厚度进行了优化分析,以对特定地质、围岩情况下巷道锚喷支护有一个全面的认识,更好地指导现场的设计和施工,提高巷道锚喷支护技术的可靠性、合理性和经济性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

插图清单

附表清单

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容、研究方法和研究思路

第二章 高地应力巷道围岩特征及变形机理

2.1 地应力的成因

2.2 高地应力巷道围岩变形特点及变形影响因素

2.3 高地应力巷道围岩变形机理

2.4 高地应力巷道围岩变形分析方法

2.5 巷道围岩应力、位移的弹塑性分析

2.6 本章小结

第三章 现代锚喷支护机理、类型和支护原则

3.1 现代锚喷支护结构原理

3.2 锚喷支护类型

3.3 锚喷支护工艺特点

3.4 锚喷支护的力学作用

3.5 锚喷支护设计与施工原则

3.6 锚喷支护的全面质量控制

3.7 本章小结

第四章 高地应力巷道锚喷支护的数值模拟

4.1 工程概况

4.2 围岩物理力学参数试验

4.3 数值模拟软件的选择

4.4 初始地应力分布

4.5 不同水平地应力条件下围岩变形分析

4.6 巷道轴线与水平地应力方向不同夹角时围岩变形、应力分析

4.7 巷道开挖支护围岩变形、应力分析

4.8 锚喷支护对巷道围岩的作用

4.9 锚喷支护距开挖面一定距离时围岩变形分析

4.10 采用非全长锚固式预应力锚杆时围岩变形分析

4.11 数值模拟结果与现场实际量测结果对比分析

4.12 本章小结

第五章 锚喷支护参数优化研究

5.1 锚杆间距变化时围岩变形、应力分析

5.2 锚杆长度变化时围岩变形、应力分析

5.3 锚杆直径变化时围岩变形、应力分析

5.4 底角锚杆倾角变化时围岩变形、应力分析

5.5 喷混凝土厚度变化时围岩变形、应力分析

5.6 本章小结

第六章 结论及展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果