复杂条件下埋深硐室底臌机理及支护技术研究
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摘要
随着煤炭资源井下开采深度的加大,硐室所处的围岩环境更加复杂,从而出现了硐室的大变形、大地压、难支护的工程问题,硐室的破坏是其所处的复杂条件造成的。在复杂条件下,如何采取有效的措施来控制硐室破坏越来越受到业内人士的关注
论文在综述国内外关于煤矿生产中,动压现象及导致煤矿中硐室及巷道破坏机理的基础上,阐述了硐室及巷道底臌的类型及影响因素,分析了底臌产生的机理,建立了硐室及巷道底臌的力学模型,并推导出塑性区范围的相关表达式,并计算出底板塑性区发展深度；论文结合谢桥矿东一B组轨道上山变电所,考虑基础上所安装设备基础荷载大、变形要求严格等因素,对变电所硐室底板岩石进行了室内实验,为分析硐室底板围岩稳定性和数值模拟提供了依据；采用大型有限元软件FLAC-3D对硐室进行数值模拟计算,确立了U型钢与钢筋网壳联合支护防治底臌方案,模拟结果表明,采用该方案硐室两帮及顶底板出现少量的塑性破坏,底板塑性区破坏较明显,顶底板出现屈服后渐趋于稳定,围岩应力分布范围明显缩小,受拉区、受压区和塑性区都显著缩小,硐室变形量明显降低,对控制底臌效果最为明显；论文对底臌治理前后的围岩收敛、松动圈,治理过程中钢筋及混凝土受力进行了现场监测。监测结果与工程实践表明,基础底板施工满足设计要求,基础受力合理并有一定的安全储备。采取钢筋网壳治理硐室底臌,能有效地改善硐室及巷道岩石的应力分布,大大地减少硐室的位移量,提高支护结构的承载能力,保证基础底板的长期整体稳定性,可有效地解决复杂条件下硐室及巷道的底臌问题。
论文研究成果在谢桥矿东一B组轨道上山变电所硐室底臌治理的工程实践中得到了成功的应用,为今后类似的动压硐室底臌治理工程提供了重要参考依据,对复杂条件下硐室及巷道围岩变形的机理,治理方法的完善和发展具有较大的推动作用。
With increasing the depth of underground mining of coal resources Chamber in which the rock environment were more complex, engineering problems appearing such as:deformation earth pressure, difficult supportion. Chamber damagment is the result of complex conditions. Under complicated conditions, how to take effective measures to control the chamber by the destruction of more and more the concern of the industry
On the basis of research result about the failure mechanism of the chamber and roadway and the dynamic pressure on the coal mine in domestic and international, the thesis described the influencing factors of the chamber and roadway.analysis the productive mechanism of floor heave, established the mechanical model of the chamber and roadway floor, derived the relevant expression of the plastic zone. and calculate the depth of plastic zone floor.By combining with the project upper substation of East-B track in Xieqiao Coal. Considering the factors of installation of equipment on the basis of a large base load and demanding of deformation having tried on the rock in bottom chamber of the substation indoor. Providing a basis for analysis of the stability of surrounding rock in bottom chamber and numerical simulation.Using finite element software for FLAC-3D numerical simulation chamber Established and reinforced steel shell U joint supporting floor heave prevention programs The results showed that using the program made the two side of chambers and roof and floor having a small amount of plastic damage the obvious damage can be seen to the plastic zone floor occurs after yielding roof and floor gradually stabilized significantly narrowed the scope of stress distribution tensile, compression zone and the plastic zone were significantly reduced Significantly lower chamber deformation to control the most obvious effect of floor heave. Thesis on the rock before and after the end of heave convergence, loose ring, the process of governance by the force of steel and concrete on-site monitoring results and engineering application shows foundation slab construction meet the design requirements the basis of reasonable force and a certain safety margin reinforced shell to control chamber floor heave, chamber and effectively improve the stress distribution of rock tunnel greatly reduce the amount of displacement chamber increase the carrying capacity of supporting structure to ensure the long-term overall stability of the foundation slab can effectively address the dynamic pressure chamber and tunnel under the floor heave problems.
Thesis research has been successfully applied at the upper substation of East-B track in Xieqiao Coal. Dynamic pressure for similar future chamber floor heave provides an important reference works under the conditions of the dynamic pressure chamber and surrounding rock deformation mechanism and treatment methods of improvement and development of a larger role in promoting
论文在综述国内外关于煤矿生产中,动压现象及导致煤矿中硐室及巷道破坏机理的基础上,阐述了硐室及巷道底臌的类型及影响因素,分析了底臌产生的机理,建立了硐室及巷道底臌的力学模型,并推导出塑性区范围的相关表达式,并计算出底板塑性区发展深度；论文结合谢桥矿东一B组轨道上山变电所,考虑基础上所安装设备基础荷载大、变形要求严格等因素,对变电所硐室底板岩石进行了室内实验,为分析硐室底板围岩稳定性和数值模拟提供了依据；采用大型有限元软件FLAC-3D对硐室进行数值模拟计算,确立了U型钢与钢筋网壳联合支护防治底臌方案,模拟结果表明,采用该方案硐室两帮及顶底板出现少量的塑性破坏,底板塑性区破坏较明显,顶底板出现屈服后渐趋于稳定,围岩应力分布范围明显缩小,受拉区、受压区和塑性区都显著缩小,硐室变形量明显降低,对控制底臌效果最为明显；论文对底臌治理前后的围岩收敛、松动圈,治理过程中钢筋及混凝土受力进行了现场监测。监测结果与工程实践表明,基础底板施工满足设计要求,基础受力合理并有一定的安全储备。采取钢筋网壳治理硐室底臌,能有效地改善硐室及巷道岩石的应力分布,大大地减少硐室的位移量,提高支护结构的承载能力,保证基础底板的长期整体稳定性,可有效地解决复杂条件下硐室及巷道的底臌问题。
论文研究成果在谢桥矿东一B组轨道上山变电所硐室底臌治理的工程实践中得到了成功的应用,为今后类似的动压硐室底臌治理工程提供了重要参考依据,对复杂条件下硐室及巷道围岩变形的机理,治理方法的完善和发展具有较大的推动作用。
With increasing the depth of underground mining of coal resources Chamber in which the rock environment were more complex, engineering problems appearing such as:deformation earth pressure, difficult supportion. Chamber damagment is the result of complex conditions. Under complicated conditions, how to take effective measures to control the chamber by the destruction of more and more the concern of the industry
On the basis of research result about the failure mechanism of the chamber and roadway and the dynamic pressure on the coal mine in domestic and international, the thesis described the influencing factors of the chamber and roadway.analysis the productive mechanism of floor heave, established the mechanical model of the chamber and roadway floor, derived the relevant expression of the plastic zone. and calculate the depth of plastic zone floor.By combining with the project upper substation of East-B track in Xieqiao Coal. Considering the factors of installation of equipment on the basis of a large base load and demanding of deformation having tried on the rock in bottom chamber of the substation indoor. Providing a basis for analysis of the stability of surrounding rock in bottom chamber and numerical simulation.Using finite element software for FLAC-3D numerical simulation chamber Established and reinforced steel shell U joint supporting floor heave prevention programs The results showed that using the program made the two side of chambers and roof and floor having a small amount of plastic damage the obvious damage can be seen to the plastic zone floor occurs after yielding roof and floor gradually stabilized significantly narrowed the scope of stress distribution tensile, compression zone and the plastic zone were significantly reduced Significantly lower chamber deformation to control the most obvious effect of floor heave. Thesis on the rock before and after the end of heave convergence, loose ring, the process of governance by the force of steel and concrete on-site monitoring results and engineering application shows foundation slab construction meet the design requirements the basis of reasonable force and a certain safety margin reinforced shell to control chamber floor heave, chamber and effectively improve the stress distribution of rock tunnel greatly reduce the amount of displacement chamber increase the carrying capacity of supporting structure to ensure the long-term overall stability of the foundation slab can effectively address the dynamic pressure chamber and tunnel under the floor heave problems.
Thesis research has been successfully applied at the upper substation of East-B track in Xieqiao Coal. Dynamic pressure for similar future chamber floor heave provides an important reference works under the conditions of the dynamic pressure chamber and surrounding rock deformation mechanism and treatment methods of improvement and development of a larger role in promoting
引文
[1]煤矿深井开采的矿压显现及控制中国矿业大学出版社2000
[2]付国彬姜志文深井巷道矿山压力控制中国矿业大学出版社1996.2
[3]周国才译国外煤矿深部巷道矿压的研究矿业译丛1991(1)
[4]刘听成苏联煤矿深井巷道矿压显现的研究井巷地压与支护1989(2)
[5]潘立友,郭明友.深部开采地压控制的研究,矿山压力与顶板管理,2002.2.
[6]吴绍倩波兰煤矿的巷道支护井巷地压与支护1989(1)
[7]蒋金泉韩继胜石永奎巷道围岩结构稳定性与控制研究煤炭工业出版社1999.1
[8]王英.锚杆、锚索、锚网钢带联合支护在软岩动压巷道中的应用研究[J].矿业安全与环保,2009,(01)
[9]宋有福,宋志伟,刘建伟.动压巷道围岩控制支护技术探讨[J].山东煤炭科技2009,(04)
[10]锚杆与围岩相互作用的数值模拟中国矿业大学出版社2002.5
[11]杨耀乾.薄壳理论[M].北京：中国铁道出版社,1981
[12]崔广心,相似理论与模型试验[M].徐州：中国矿业大学出版社,1990
[13]杨耀乾.薄壳理论[M].北京：中国铁道出版社,1981
[14]吴家龙.弹性力学[M].北京：高等教育出版社,2001
[15]宋有福,宋志伟,刘建伟.动压巷道围岩控制支护技术探讨[J].山东煤炭科技2009,(04)
[16]陈勇军.半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用[D].淮南：安徽理工大学,2005
[17]江向阳.地下网壳锚喷结构受力机理与支撑能力的研究：[D].淮南：安徽理工大学,2003
[18]庞建勇,刘松玉.软岩巷道新型网壳锚喷支架静力分析及其应用[J].岩土工程学报,2003,25(5)：602-605
[19]马守龙,程恕,庞建勇.半刚性网壳锚喷支护在软岩巷道中的适用性研究[J].安徽理工大学学报,2007,27(增刊)：31-35
[20]马守龙,童宗圣,庞建勇等.锚喷支护巷道聚丙烯纤维喷层新技术研究[J].皖西学院学报,2006,22(5)：84-88
[21]徐道富.新型聚丙烯纤维混凝土喷层力学性能研究及其工程应用[D].淮南：安徽理工大学,2006
[22]夏向阳.深部高应力软岩巷道锚注支护数值模拟研究与应用.[学位论文].山东青岛：山东科技大学,2003
[23]Itasca Consulting Group, Inc. FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) User Manuals, Version 5.0,Minneapolis, Minnesota,2005.5
[24]刘波 韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南.北京：人民交通出版社,2005
[25]钱鸣高 石平五矿山压力与岩层控制中国矿业大学出版社2002.8
[26]蒋金泉 韩继胜石永奎巷道围岩结构稳定性与控制研究煤炭工业出版社1999.1
[27]范广勤 岩土工程流变力学煤炭工业出版社1993.2
[28]漆泰岳 锚杆与围岩相互作用的数值模拟中国矿业大学出版社2002.5
[29]樊克恭 翟德元 巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非均称控制机理煤炭工业出版社2004.6
[30]Franclss F 0. Weak Rock Tunelling[M]. Rotterdam:AA. Balkema Press 1997
[31]张洪敏 陈建文牛伟动压巷道的矿一压显现与控制矿山压力与顶板管理2004(1)
[32]蒋金泉 动压巷道稳定性亚分类与支护设计科学化煤炭学报1997(12)
[33]勾攀峰 侯朝炯锚固岩体强度强化的实验研究重庆大学学报第23卷第3期
[34]孙钧 围岩大变形巷道的可缩性长锚索支护煤炭学报 1999(6)
[35]郝忠太 可缩性长锚索支护在大变形巷道中的使用煤炭工程2004(5)
[36]侯朝炯 郭励生勾攀峰煤巷锚杆支护中国矿业大学出版社1992.2
[37]薛顺勋 宋广太库明欣煤巷锚杆支护施工指南煤炭工业出版1999.11
[38]Brady, B. H. G, and E. T. Brown. Rock Mechanics for Underground Mining. London: GeorgeAllen&Unwin.,1985.
[39]Hoek, E., and E. T. Brown. Practical Estimates of Rock Mass Strength. Int. J. Rock Mech.Min. Sci.,34(8),1165-1186 (1997).
[40]李明远 王连国易恭蜻陆维汉吴建国软岩巷道锚注支护理论与实践煤炭工业出版社2001.9
[41]何满潮 吕晓俭 景海河 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念岩石力学与工程学报2002.(8)
[42]漆泰岳 陆士良 高波 大变形巷道锚杆的力学特性中国矿业大学学报2003(9)
[43]刑福康 蔡蛅 刘玉堂 煤矿支护手册煤炭工业出版社1993.2
[44]李兆权 岩石力学 冶金工业出版社1993.5
[45]王辰林 张廷顺 王广南 锚喷锚索组合支护技术在井下大型钢室的应用焦作工学院(自然科学版)2003(3)
[46]李化敏 翟新献 胡劲松 深井巷道围岩应力及变形规律的数值分析焦作工学院学报1993(8)
[47]Finite Elements in Plasticity-theory and practice, D.R.J.Owen, E,Hinton, Pineridge Press Limited Swansea,U.K.,1980
[48]D.H, Trollope, The Mechanics of Dis-Continue or Elastic Mechanics in Rock Problem, Rock Mechanics in Engineering Practice,1969
[49]于学馥,郑颖人.地下工程围岩稳定性分析[M].北京：煤炭工业出版社.1983
[50]陈炎光 陆十良中国煤矿巷道围岩控制中国矿业人学出版社1994.5
[51]重庆建筑工程学院,同济大学等.岩石地下建筑结构[M].北京：中国建筑工业出版社,1982
[52]王峰,曹光宇等.简明实验力学[M].北京：科学出版社,1993
[53]崔广心,相似理论与模型试验[M].徐州：中国矿业大学出版社,1990
[54]兀.H.谢多大.力学中的相似方法与量纲理论[M].北京：科学出版社,1982
[55]黄象鼎,曾钟钢,马亚南.非线性数值分析[M].武汉：武汉大学出版社,2000
[56]张汝清,詹先义.非线性有限元分析[M].重庆：重庆大学出版社,1990
[57]崔世杰,张清杰.应用塑性力学[M].郑州：河南科学技术出版社,1992
[58]朱伯龙.混凝土结构设计原理[M].上海：同济大学出版社,1995
[59]丁浩江,何福保等.弹性和塑性力学中的有限单元法[M].北京：机械工业出版社,1989
[60]沈世钊,陈听.网壳结构稳定性[M].北京：科学出版社,1999
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[62]庞建勇,郭兰波,倪修全.网壳锚喷支护结构试验研究[J].矿山压力与顶板管理,1998,14(2)：52-54
[63]庞建勇,刘松玉.公路软岩隧道半刚性网壳锚喷衬砌新技术研究[J].公路交通科技,2004,21(6)：41-43
[64]庞建勇,郭兰波.软岩巷道网壳喷层新技术[J].中国矿业大学学报,2003,32(5)：508-511
[65]庞建勇.半刚性网壳支架护巷特征及工程应用[J].矿山压力与顶板管理,2003,19(3)：46-50
[66]庞建勇,郭兰波.新型钢筋网壳锚喷支架的试验研究与应用[J].建井技术,2003,24(4)：20-23
[67]钢筋混凝土薄壳结构设计规程.中华人民共和国行业标准JGJ/T-98.北京：中国建筑工业出版社,1998
[68]杨耀乾.薄壳理论[M].北京：中国铁道出版社,1981
[69]J.E.吉布生.薄壳分析[M].北京：中国建筑工业出版社,1975
[70]沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京：清华大学出版社,1993
[71]黄象鼎,曾钟钢,马亚南.非线性数值分析[M].武汉：武汉大学出版社,2000
[72]张洪敏,陈建文.动压巷道的矿压显现与控制[J].矿山压力与顶板控制,2004(1)
[73]王勇义.动压巷道修护技术初探[J].能源技术与管理,2005(2)
[74]姜耀东,陆十良.巷道底臌机理的研究[J].煤炭学报,1994,19(4)
[75]王贯东,牛伟,邹德蕴.巷道动压显现特征及其控制方法[J].矿山压力与顶板管理,2002(1)
[76]麻开辉,郜锦柱,周宗田.动压巷道控制技术实践[J].煤炭技术,2006(3)
[77]王德元.动压巷道锚喷支护浅析[J].问题探讨,2004(1)
[78]庞凤岭.动压巷道支护技术探时[J].煤炭科学技术,2006(3)
[2]付国彬姜志文深井巷道矿山压力控制中国矿业大学出版社1996.2
[3]周国才译国外煤矿深部巷道矿压的研究矿业译丛1991(1)
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[35]郝忠太 可缩性长锚索支护在大变形巷道中的使用煤炭工程2004(5)
[36]侯朝炯 郭励生勾攀峰煤巷锚杆支护中国矿业大学出版社1992.2
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[65]庞建勇.半刚性网壳支架护巷特征及工程应用[J].矿山压力与顶板管理,2003,19(3)：46-50
[66]庞建勇,郭兰波.新型钢筋网壳锚喷支架的试验研究与应用[J].建井技术,2003,24(4)：20-23
[67]钢筋混凝土薄壳结构设计规程.中华人民共和国行业标准JGJ/T-98.北京：中国建筑工业出版社,1998
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[71]黄象鼎,曾钟钢,马亚南.非线性数值分析[M].武汉：武汉大学出版社,2000
[72]张洪敏,陈建文.动压巷道的矿压显现与控制[J].矿山压力与顶板控制,2004(1)
[73]王勇义.动压巷道修护技术初探[J].能源技术与管理,2005(2)
[74]姜耀东,陆十良.巷道底臌机理的研究[J].煤炭学报,1994,19(4)
[75]王贯东,牛伟,邹德蕴.巷道动压显现特征及其控制方法[J].矿山压力与顶板管理,2002(1)
[76]麻开辉,郜锦柱,周宗田.动压巷道控制技术实践[J].煤炭技术,2006(3)
[77]王德元.动压巷道锚喷支护浅析[J].问题探讨,2004(1)
[78]庞凤岭.动压巷道支护技术探时[J].煤炭科学技术,2006(3)