高应力软岩巷道围岩稳定性研究

论文摘要

在我国西部的许多矿井,高应力软岩问题己经成为制约矿井技术发展和安全生产的关键。由此可见,研究高应力软岩巷道的稳定性及联合支护技术,具有非常重大的理论意义和工程实践价值。本文在参考大量文献的基础上,论述了适合高应力软岩巷道围岩变形控制的锚、网、索、喷耦合支护理论,用FLAC3D软件理论上实现了断面形状与原岩应力完全耦合时是围岩自稳的最佳状态,并进行分析比较得出利用断面形状与原岩应力的耦合来充分发挥围岩的自稳能力是最行之有效的方法。但在巷道实际设计中不可能达到断面形状与原岩应力的完全耦合,所以在进行巷道的设计中尽量使巷道中的较长半径方向顺着原岩应力的最大主应力的方向,再利用锚、网、索、喷支护在关键部位来补足。本文论述了自稳隐形拱理论的基本原理以及在高应力软岩巷道中的应用,利用FLAC软件模拟实现了自稳隐形拱的形成过程,总结出了锚(索)杆的设计依据,并结合该理论和高应力软岩巷道围岩变形控制的锚、网、索、喷耦合支护理论,以铜川矿务局金华山矿3504上顺槽为工程背景,通过现场调研、观测、取样计算优化设计其断面形状、尺寸和支护参数来改善原支护的不足,并以此为基础采用FLAC3D软件建立三维数值模型,采用FISH语言控制开挖,以每步进尺0.8m分30步完成24m长试验段,在每开挖一步完成后与打锚杆之间用考虑应力释放的方法,来实现实际工程中开挖后与打锚杆间的时间差。分别模拟巷道掘进过程中锚杆的受力情况、掘进对巷道围岩变形的影响、巷道掘进过程中对同一断面处围岩的影响。模拟结果表明优化设计方案效果良好,验证了此次优化设计的合理性。通过对巷道掘进过程中锚杆受力情况的数值模拟,得出了锚杆的受力情况随巷道掘进的变化规律,解释了巷道掘进开始阶段在拱形两腰处锚杆及巷道两帮部分锚杆较深处主要表现为受压的原因。通过巷道掘进对围岩影响的数值模拟,对已支护围岩的位移及应力的变化情况有了初步的认识和了解,得出了高应力软岩巷道围岩的变形破坏机理。通过巷道掘进对同一断面围岩影响的数值模拟,得出掘进对已支护围岩有较大影响的时间及已支护围岩与支护结构体共同作用达到相对稳定的时间。并对现有支护设计进行了数值模拟分析,得出对后续现场支护实验具有指导意义的结论,对进一步改善金华山矿的支护情况,提高该矿的安全快速生产有一定作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究历史及现状
• 1.2.1 地下洞室围岩稳定性分析研究现状
• 1.2.2 高地应力软岩巷道围岩变形机理的研究
• 1.2.3 高应力巷道围岩变形控制的研究
• 1.3 研究现状的评述及存在的问题
• 1.4 课题研究的目标、内容与方法
• 1.4.1 课题研究的目标
• 1.4.2 本课题研究的内容
• 1.4.3 本课题研究的方法
• 2 高应力软岩巷道围岩变形特点及锚杆受力分析
• 2.1 高应力软岩
• 2.1.1 高应力软岩形成的物质条件
• 2.1.2 高应力软岩的特征
• 2.2 高应力软岩巷道围岩变形的特点
• 2.3 高应力软岩巷道变形破坏分析
• 2.3.1 工程地质因素影响
• 2.3.2 工程技术因素影响
• 2.4 锚杆受力分析
• 2.4.1 锚杆的定义及分类
• 2.4.2 锚杆的作用
• 2.4.3 锚杆可能的破坏形式及原因
• 2.4.4 锚杆支护计算方法
• 2.5 本章小节
• 3 高应力软岩巷道围岩变形的控制方法
• 3.1 软岩巷道的支护原理
• 3.2 最佳支护时间和最佳支护时段
• 3.3 关键部位耦合支护理论
• 3.3.1 关键部位产生的力学机理
• 3.3.2 关键部位的特征及其识别准则
• 3.3.3 关键部位耦合支护时间选择
• 3.4 高应力软岩巷道锚、网、索、喷耦合支护研究
• 3.4.1 锚、网、索、喷耦合支护概念、特征
• 3.4.2 锚、网、索、喷耦合支护原理
• 3.5 断面形状与原岩应力的耦合
• 3.5.1 等应力轴比
• 3.5.2 断面形状与原岩应力耦合情况
• 3.6 本章小节
• 4 自稳隐形拱理论在高应力软岩巷道中的应用研究
• 4.1 自稳隐形拱的基本原理
• 4.2 自稳隐形拱与极限自稳隐形拱的形成过程
• 4.3 自稳隐形拱方程
• 4.4 极限自稳隐形拱方程
• 4.5 锚杆、断面形状改善巷道稳定性的原理
• 4.5.1 帮锚杆改善巷道稳定性的原理
• 4.5.2 顶锚杆改善巷道稳定性的原理
• 4.5.3 巷道断面形状改善巷道稳定性的原理
• 4.5.4 锚杆设计的新依据
• 4.6 工程实例计算
• 4.6.1 工程地质情况
• 4.6.2 原支护情况
• 4.6.3 巷道断面形状及支护参数的优化选择
• 4.7 本章小结
• 5 高应力软岩巷道的数值模拟研究
• 5.1 工程背景及工程地质水文资料
• 5.1.1 工程背景及工程地质情况
• 5.1.2 水文资料
• 5.2 模型所采用的岩体力学参数
• 5.3 有限差分数值计算程序FLAC
• 5.3.1 FLAC 简介
• 5.3.2 FLAC 的特性
• 5.3.3 FLAC 程序的应用范围
• 5.4 莫尔—库仑模型
• 5.5 数值模拟的内容、方法与数值模型的建立
• 5.5.1 数值模拟的内容
• 5.5.2 数值模型的建立
• 5.6 数值模拟结果分析
• 5.6.1 巷道掘进过程中锚杆受力情况的变化分析
• 5.6.2 掘进对巷道围岩变形的影响
• 5.6.3 巷道掘进对同一断面处围岩的影响
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录