构造应力场影响下的巷道围岩稳定性原理及其控制研究

论文摘要

构造应力是地壳构造运动在岩体中形成的应力,包括地质历史时期的残余构造应力和现今构造应力;构造应力场是具有成生联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总和。构造应力场以水平应力为主,最大、最小水平构造应力一般随深度呈线性变化。构造应力在煤矿开采深度范围内大小分布较为分散,但是其方向性明显,向地壳深部发展,趋向于静水压力状态。应用广义平面应变问题的理论模型,FLAC3d三维数值模拟,结合大量现场实测资料,对构造应力场中巷道布置进行了研究。研究表明巷道的稳定性与巷道布置方向关系密切,围岩破碎区范围随巷道轴向与最大构造应力方向夹角α的增大而增大,围岩应力与位移随sin 2α变化。α对巷道的稳定性影响为:在α=0～15°范围内为影响轻微区;在α=15°～75°范围内为影响增长区;在α=75°～90°范围内为影响剧烈区;α=0时对巷道的稳定最有利,α=90°时对巷道的稳定最不利。在兖州与神火矿区的实测证实构造应力方向对巷道布置的影响是明显的。应用弹塑性理论,FLAC2d数值模拟,结合现场实测对构造应力场中巷道失稳规律进行研究。研究表明构造应力对巷道围岩稳定性影响是非均称的,随水平构造应力的增加,巷道顶底部的塑性区范围逐渐增大,尤其在巷道的肩角增加更为明显;当侧压系数λ大于极限值后,巷道围岩塑性区迅速扩大,此极限值随巷道围岩强度增加而增加,随埋深增加而减小。采用真三轴巷道模拟实验对构造应力场中煤巷锚杆支护进行了模拟研究。研究表明,水平构造应力导致巷道顶底板岩层之间相互滑移并产生离层,降低岩层抗剪能力而使顶底板剪切破坏,使顶板锚杆失去支护作用,顶板岩层逐渐冒落成拱形;两帮煤体向巷道空间呈总体移动趋势,与煤层顶底板岩层间产生明显的相对位移;帮锚杆主要受拉伸作用,控制煤岩体的塑性变形;顶锚杆主要受到剪切作用,控制顶部岩层的滑移、离层,顶板岩层破坏后顶锚杆提供约束力,提高岩体的残余强度。现场实践证明了构造应力作用下巷道顶板岩层的离层滑动,导致顶板岩层与锚杆、锚索的剪切破坏。应用弹性理论,结合现场实测对构造应力场内采动巷道研究表明,在构造应力影响下,回采工作面附近采动巷道围岩存在水平、垂直拉应力区。拉应力范围随冒落带高度与周期来压步距的比值的增大而增大,随水平构造应力与垂直应力的比值的增大而增大。处于卸荷区的采动巷道表面位移显著增大,应采用卸荷岩体加固方法对围岩进行控制,以提高其稳定性。上述研究成果在现场生产实践得到检验,对高构造应力区巷道布置与围岩控制具有重要的指导意义。该论文有图89幅,表19个,参考文献147篇,其中外文文献26篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及选题的意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 构造应力场研究现状
• 1.2.2 构造应力场中巷道布置研究现状
• 1.2.3 巷道破坏规律研究现状
• 1.2.4 锚杆支护研究现状
• 1.2.5 采动巷道矿压显现规律研究现状
• 1.3 研究的内容与方法
• 1.3.1 构造应力场的分布特点与实测技术
• 1.3.2 构造应力场中巷道布置研究
• 1.3.3 构造应力场中巷道失稳规律研究
• 1.3.4 构造应力场中煤巷锚杆支护相似模拟研究
• 1.3.5 构造应力场中采动巷道矿压显现规律研究
• 1.4 预计创新点
• 1.5 论文工作计划
• 2 构造应力场的分布特点与实测技术
• 2.1 构造应力的成因
• 2.2 构造应力场的影响因素及分布特点
• 2.2.1 构造应力场的影响因素
• 2.2.2 全球构造应力场的分布特点
• 2.2.3 中国构造应力场的分布特点
• 2.3 国内煤炭系统构造应力的实测分析
• 2.3.1 兖州矿区构造应力场的实测
• 2.3.2 神火矿区构造应力场的实测
• 2.3.3 其他矿区构造应力场的实测
• 2.4 本章小结
• 3 构造应力场中的巷道布置研究
• 3.1 广义平面问题
• 3.2 弹性模型理论分析
• 3.2.1 模型建立及公式推导
• 3.2.2 围岩应力与位移分析
• 3.2.3 计算实例
• 3.3 数值模拟分析
• 3.3.1 模型的建立及参数的选取
• 3.3.2 数值计算结果及分析
• 3.4 现场实测
• 3.4.1 兖州兴隆庄煤矿
• 3.4.2 兖州南屯煤矿
• 3.4.3 神火新庄矿
• 3.5 本章小结
• 4 构造应力场中巷道失稳规律研究
• 4.1 构造应力场中巷道失稳规律理论分析
• 4.1.1 理论模型的建立
• 4.1.2 塑性区的理论范围
• 4.1.3 塑性区范围的影响因素
• 4.2 构造应力场中巷道失稳规律数值模拟分析
• 4.2.1 模型的建立及参数的选取
• 4.2.2 围岩塑性区范围分析
• 4.2.3 围岩应力分析
• 4.3 现场实测分析
• 4.3.1 原始地质技术条件
• 4.3.2 实测技术及措施
• 4.3.3 实测结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 构造应力场中煤巷锚杆支护相似模拟研究
• 5.1 主要研究内容及方案
• 5.2 实验模型的建立
• 5.2.1 实验系统
• 5.2.2 实验参数分析
• 5.2.3 实验数据监测
• 5.2.4 实验模型制作
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 煤巷围岩破坏规律
• 5.3.2 煤巷锚杆作用机理
• 5.3.3 巷道表面位移
• 5.3.4 巷道围岩应力
• 5.4 现场实例分析
• 5.4.1 构造应力作用下巷道顶板的破坏形式
• 5.4.2 构造应力作用下锚杆支护作用
• 5.4.3 构造应力作用下锚索的剪切破坏
• 5.5 构造应力场中锚杆支护措施
• 5.6 本章小结
• 6 构造应力场中采动巷道矿压规律研究
• 6.1 回采空间围岩应力理论分析
• 6.1.1 理论模型的建立
• 6.1.2 回采空间围岩应力分布规律
• 6.1.3 算例
• 6.2 采动巷道矿压显现规律实测分析
• 6.2.1 原始地质技术条件
• 6.2.2 监测结果及分析
• 6.3 采动巷道卸荷区围岩控制分析
• 6.3.1 采动巷道卸荷区围岩损伤分析
• 6.3.2 采动巷道卸荷区围岩锚固技术
• 6.4 本章小结
• 7 主要结论及研究展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集