软岩巷道锚杆与锚注支护机理的数值模拟分析与工程应用研究

论文摘要

软岩巷道支护一直是困扰煤炭行业的主要问题之一。该问题一直没有得到圆满解决,主要是因为软岩的力学特性比较复杂,矿山压力显现明显,从而造成巷道稳定性难以控制。出现了返修率增高、成本增加等问题,已严重影响了矿区的生产,造成矿区生产接续紧张。另外,也出现一些“异常”现象,如锚杆加长、加粗后其支护效果不明显甚至恶化。为此,本文采用理论分析、现场资料分析和数值模拟相结合的方法,对龙口矿区软岩巷道支护进行了研究:1、龙口矿区具有典型的软岩地层特点,对软岩巷道支护的研究具有十分重要的现实意义。本文第二章通过分析龙口矿区现场实测数据,得出了软岩巷道矿压显现的基本规律。主要包括:软岩巷道大变形规律及分析;软岩巷道的变形破坏特点;软岩巷道矿压显现的主要影响因素。2、了解软岩的力学属性是研究软岩巷道支护的关键。为此,本文第三章从软岩的概念及特性入手,分析研究了软岩巷道的大变形破坏机理及支护原理。对短细密锚杆支护和锚注支护的支护机理进行了详细的阐述。3、在软岩巷道大变形及支护结构理论分析的基础上,本文第四章首先对FLAC程序和模型本构特点作了简单介绍;然后根据龙口矿区的实际情况,确定数值模拟计算模型与方案,并利用有限差分程序FLAC,进行了弹塑性大变形数值模拟与分析;最后对龙口矿区的软岩巷道支护情况进行分析,证明了数值模拟结果的正确性。4、本文第五章对强度折减理论及FLAC程序中的强度折减功能作了简单介绍后,利用FLAC程序中的SOLVE FOS命令对第四章的数值模拟结果进行强度折减。在软岩巷道的安全系数求解问题上作了初步探讨。5、在结论部分,提出了软岩巷道支护设计施工的原则及注意事项,对各种支护结构进行了综合评价,解释了龙口矿区软岩巷道支护中的异常情况,对软岩巷道的大变形数值模拟及软岩巷道的安全系数求解结果作了总结。此外,还对软岩巷道支护问题提出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 软岩巷道支护理论的研究现状
• 1.2.2 软岩巷道支护技术的研究现状
• 1.2.3 数值分析方法及程序的研究现状
• 1.3 尚待研究的问题
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 龙口矿区地质概况与矿压显现规律分析
• 2.1 概述
• 2.2 矿区地质概况与岩石力学性质
• 2.2.1 矿区地质概况
• 2.2.2 矿区岩石力学性质
• 2.3 软岩巷道矿压显现基本规律
• 2.3.1 巷道的变形规律及分析
• 2.3.2 巷道的大变形破坏特点
• 2.3.3 巷道矿压显现的主要影响因素
• 2.4 本章小结
• 第3章 软岩巷道支护机理及支护方式研究
• 3.1 概述
• 3.2 软岩的概念及其特性
• 3.2.1 软岩的概念
• 3.2.2 软岩的基本力学属性
• 3.2.3 软岩的工程力学特性
• 3.3 软岩巷道破坏机理及支护原理
• 3.3.1 软岩巷道的破坏机理
• 3.3.2 软岩巷道的支护原理
• 3.4 软岩巷道短细密锚杆与锚注支护机理
• 3.4.1 短细密锚杆支护机理
• 3.4.2 锚注支护机理及加固作用分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 软岩巷道支护的大变形数值模拟分析
• 4.1 概述
• 4.2 FLAC程序简介
• 4.2.1 FLAC的基本原理
• 4.2.2 FLAC程序的特点
• 4.2.3 FLAC的分析过程
• 4.3 模型类型的确立和本构特点
• 4.3.1 模型类型的确立
• 4.3.2 摩尔-库仑模型的本构特点
• 4.4 数值模拟计算模型与方案的确定
• 4.4.1 模型设计
• 4.4.2 荷载及材料参数的确定
• 4.4.3 约束条件
• 4.4.4 计算方案
• 4.5 数值模拟结果分析
• 4.5.1 模型网格
• 4.5.2 围岩应力结果分析
• 4.5.3 位移结果分析
• 4.5.4 巷道周边位移结果分析
• 4.5.5 锚杆轴力结果分析
• 4.5.6 破坏程度分析
• 4.6 龙口矿区短细密锚杆支护及注浆支护的应用
• 4.6.1 短细密锚杆支护的应用
• 4.6.2 锚注支护的应用
• 4.7 本章小结
• 第5章 软岩巷道安全系数求解分析
• 5.1 概述
• 5.2 强度折减的原理
• 5.3 FLAC3D中强度折减法的求解步骤
• 5.3.1 安全系数搜索步骤
• 5.3.2 检测稳定与不稳定的定义及步骤
• 5.4 软岩巷道强度折减的计算分析
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢