双壳治理底鼓技术.doc

河北工程大学硕士研究生学位论文开题报告课题名称 连续双壳治理高地应力岩巷底鼓机理 数值模拟研究 学 号 姓 名 学科专业 采矿工程 指导教师 填表日期 2012年3月12号 河北工程大学研究生部制表说 明1、研究生在导师指导下，一般应于第四学期期中以前根据研究方向选定学位论文研究课题。2、开题报告各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辩。第一次出现的缩写词，需注出全称。3、参加开题报告评议组的成员，应具有副高职及以上职称，评议组成员不得少于三人。开题报告结束后，由评议组组长综合评议组成员的意见，写出具体的评议结论。4、开题报告经学科专业所在学院院长或学科带头人批准后，方可执行。5、开题报告交所在学院、研究生部各保留一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。姓 名入学时间导师姓名和职称课题名称连续双壳治理高地应力岩巷底鼓机理数值模拟研究课题来源导师基金项目和横向课题课题类型1 基础研究 2 应用基础研究 () 3 应用研究 报告时间2012.3.16报告地点4#214预计学位论文完成时间：2013年3月开题报告评议组成员名单姓 名职 称姓 名职 称摘 要研究内容和意义简介底鼓是煤矿巷道中经常发生的动力现象，随着开采深度的持续快速增加，使得巷道处于高地应力环境下且巷道围岩显现出工程软岩特性，导致底鼓问题变得更加突出。底鼓使巷道断面缩小，阻碍运输、通风和人员行走，因底鼓而造成的巷道报废现象时有发生，严重影响和威胁安全生产。本文将对高地应力岩巷底鼓进行数值模拟分析，总结其形成原因、影响因素、显现形式及相应控制机理的特征；从底鼓控制机理上研究连续双壳对高地应力岩巷底鼓控制的可行性及相比以往治理方案的优越性；采用FLAC3D软件分析研究控制高地应力岩巷底鼓相对应的连续双壳的支护形式，为相似条件下的底鼓控制提供理论和技术基础。关键词：连续双壳；高地应力；巷道底鼓；数值模拟；机理研究一、立项依据通过初步的调研和深部巷道及硐室支护方面的课题研究发现，随着我国国民经济的发展，矿产资源开发力度持续加大，矿山开采技术水平迅速提高及开采深度的增加使巷道所处应力环境大大改变，巷道底鼓成为围岩变形和破坏的主要形式之一，难以得到有效控制，且返修率比较高，严重制约煤炭资源的开采，使得开采成本大幅增加，并随着开采技术的不断进步及开采深度的增加而变得更加突出。长期以来，国内外许多专家学者对煤矿巷道底鼓机理和控制技术做了大量的研究工作，取得了一大批重要的研究成果，提出了许多底鼓控制实用技术。但由于巷道围岩性质、应力环境及地质环境的复杂性，现有的理论不能全部解决底鼓机理认识上的问题，现有的技术也很难从根本上控制底鼓。因此，继续开展深部岩石巷道底鼓的研究工作仍然非常必要。本课题的研究不仅是巷道支护理论亟待解决的重要问题之一，也是深部巷道控制难题中急需解决的理论问题之一，同时对高地应力岩巷底鼓控制工程实践具有指导意义。为控制巷道底鼓，国内外对底鼓的物理、水理、力学性质，巷道围岩变形与底鼓的力学机制和底鼓控制进行了大量卓有成效的研究与实践，取得了一大批理论和技术应用成果，为巷道底鼓的治理提供了理论依据和技术支持：(1) 底鼓机理的分析国外研究概况：JlM秦巴列维奇1用松散土体在两个压模作用下被挤出的现象揭示了底鼓的本质，并应用土体的极限平衡理论计算计算出底鼓巷道支架所受的压力。MJI兹包尔什奇克等人2认为，巷道底板突然鼓起是因巷道底板塑性层对下部岩层移动的阻力及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放而造成的。TT利特维斯基3在研究准备巷道底鼓机理过程中，提出一判别岩层破坏的局部性破坏准则，该准则将巷道周边的应力图与岩层强度图进行比较，以此确定巷道周边的稳定地段、极限地段和极不稳定地段。M奥顿哥特4运用相似材料模拟了巷道底鼓的全过程，得出巷道岩层的破坏顺序为：在垂直应力作用下两帮先被压裂破坏，之后顶底板因水平力的作用向巷道空间鼓出，其中首先破坏的是直接底板岩层。KHaramy5对影响巷道底鼓的因素进行了分析，包括支承压力、巷道开挖尺寸与方向、煤矿地质状况、岩石物理性质和瓦斯压力等，讨论了底板的应力状态及稳定性，提出从开采布置和巷道尺寸优化的角度入手来控制底鼓。Aqqson、JalnesR6基于实际测量、现场数据和岩梁理论提出西弗吉尼亚某新矿的底鼓是因底板在双向高水平应力围压下发生塑性流动所致，并通过限元分析加以论证。GesenM、曲永新等 7认为底板泥岩遇水膨胀是隧道底鼓的本质。AfrouzA和chugh YP等人8.9研究了底板的承载能力，其中，AfrouzA指出：引起巷道底鼓的因素有21个，但一般认为主要有以下三个原因：(l)底板为松软岩层；(2)巷道围岩中存在较高的岩层应力；(3)水理作用。Rockway DJ 10通过对巷道底鼓现象的调查认为巷道底鼓主要取决于底板表面以下至少6m厚的岩层的性质。国内研究概况：康红普11.12认为底鼓的原因在于失稳的底板岩层向巷道内弯曲(包括压曲和挠曲)、应力偏量作用下的扩容、岩层自身的遇水膨胀。姜耀东、陆士良13.14根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底鼓分为4类：(l)挤压流动性底鼓;(2)挠曲褶皱性底鼓;遇水膨胀性底鼓;(4)剪切错动性底鼓。贺永年、何亚男15通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为，茂名矿区的底鼓变形全过程是：由两帮岩柱传递顶板压力开始，两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉，底板在严重挤压变形的情况下发生断裂，然后底板隆起。潘一山等16.17借助有限单元法和相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的时间效应和软岩遇水膨胀引起的底鼓，认为大量底鼓的岩石来源由三部分组成：巷道底板下一定范围内的岩石、两帮下部底板岩石和两帮围岩，并建立了底板岩层渗水膨胀软化模型。侯朝炯、马念杰18-20则认为回采巷道底板位移分为两个阶段：第一阶段不受采动影响，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动，2m以下的岩层位移基本为0，说明回采巷道不受采动影响时，底板主要发生向上的移动，与一般基本巷道围岩位移有一致的规律性；第二阶段随着采煤工作面的推进，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底鼓，较深部的围岩则出现不同程度的下沉，离工作面越近下沉越显著，底板下沉和底鼓之间存在0位移点。李学华21.22利用数值计算方法，研究了顶板强度对回采巷道围岩应力分布、塑性区范围及底鼓的影响，提出加固巷道顶板控制底鼓的观点。从围岩应力控制的角度出发提出控制硐室底鼓的应力转移技术：通过在硐室底板掘巷，并结合在底板开掘巷道间或底角进行松动爆破，形成一定范围的围岩弱化区的方法。(2) 底鼓控制措施为有效控制底鼓，国内外学者进行了大量的研究工作23-40，提出了许多底鼓控制技术，各种防治底鼓的工程措施按照机理的不同，可分为三大类型，即：支护加固法、卸压法及联合支护法。1) 加固法目前采用的加固法主要有底板注浆、底板锚杆、封闭式支架及混凝土反拱等。 底板注浆底板注浆主要用来加固比较破碎的岩层。浆液渗透到岩层裂隙间，增加了破碎岩石之间的粘结力，在底板中形成一个强度比加固以前大的反拱，从而在一定程度上阻止了下部岩层向上鼓起。同时由于加固区岩层的抗变形能力增加，故该区岩层的扩容、弯曲等位移会减小。 底板锚杆底板锚杆可以把不稳定的岩层与其下面的稳定岩层连接在一起，抑制因扩容引起的裂隙张开。同时它给底板施加垂直向下的力，起到一定的控制膨胀的作用。在这些意义上锚杆可以起到一定的阻止底板向巷道内移动的作用。 封闭式支架封闭式支架的底梁可以给底板岩层施加反力，改变底板附近岩层的应力状态，从而在一定程度上抑制底板岩层扩容、弯曲及膨胀等变形的产生，阻止底板向巷道内移动。 混凝土反拱这是一种适用于永久性巷道的底板支护措施。其优点在于具有较高而且均匀一致作用于底板上的支护阻力。加装可伸缩支撑件可进一步加强混凝土反拱，以获得更大的抗底鼓阻力。加固法虽然可以起到一定的控制底鼓的作用，但在有强烈底鼓趋势的巷道中不仅材料消耗量大，支护费用高，而且并不能真正起到控制底鼓的作用。原因在于加固法只不过是被动的维护底板，在高应力，松软底板的条件下，封闭式支架底梁往往无法充分发挥其承载力，致使向巷道内撅起，失去控制底鼓的能力。底板锚杆往往因锚固力不足及锚杆伸长量与巷道底鼓量不相匹配而失效，起不到防治底鼓的作用。底板注浆则因注浆带达不到底板破坏深度而被下部岩层顶起，失去阻止底板位移的能力。2) 卸压法卸压法与加固法控制底鼓的机理不同，它的特点在于设法改变巷道底板受力状况，使其处于应力降低区，达到保持底板稳定性的目的。苏联、波兰、日本、美国等国家的井下巷道中曾采用切缝、打钻孔、松动爆破及卸压煤柱等卸压法控制底鼓，并取得一定效果。 切缝底板切缝可以将最大应力向围岩深部转移，使底板处于应力降低区，显著增加围岩的承载范围。底板切缝的卸压能力主要取决于切缝深度、宽度及形状、切缝与开巷的间隔时间等。 打钻孔在底板打钻孔的卸压机理与切缝类似，此法可以归结为以下几点：A 底板打钻后，周边应力峰值显著减小，应力向围岩深部转移转移；B 打钻孔后，底板内形成一个卸压区，在开孔区域以外附近形成一个高压区，使更大范围的岩层承载，提高了围岩的自承能力；C 钻孔的直径、孔深以及数目都影响着钻孔的卸压性能。一般随着孔径、孔深及孔数目的增加，卸压效果越来越明显。 松动爆破在底板内进行松动爆破后，出现众多人为裂隙，使得底板附近的围岩与深部岩体脱离，原来处于高应力状态的岩层区卸载，将应力转移到围岩深部。另外，爆破后巷道形状发生了变化，以半圆拱形巷道为例，当未进行松动爆破时，在巷道基角处会产生严重的应力集中现象，导致底板岩层失稳、破坏。当实施松动爆破后，巷道形状近似椭圆形，它消除了拱形巷道底部的基角，改善了巷道受力状态，减小了底鼓。当然爆破后的底板仍需要加固，使加固部分对下面的岩层产生一定的阻力。否则，随着时间的推移，由于深部围岩的移动，会使底板重新鼓起。 卸压煤柱在回采巷道中运用卸压煤柱可以取得良好的效果。当工作面一侧的巷道没有卸压煤柱时，由于煤体内受应力集中作用，不仅使煤体严重向巷道内涌入，而且使底板承受过大的压应力而产生底鼓。如果在工作面一侧的巷旁开一巷道，则回采巷道的受力状态就会发生很大变化，此时卸压煤柱的作用是传递应力，而不是承受应力。卸压煤柱压碎以后，可将作用在其上的应力传递到较远的煤体上，使得卸压煤柱下的底板卸载，从而减小了巷道的底鼓量。上述方法控制底鼓的机理均在于将高应力向深部围岩转移，在底板形成应力降低区，从而减小底板的破坏范围，阻止底板向巷道内移动。它们都有各自的适用范围。底板切缝或打钻法在巷道两帮移近量小的情况下效果比较明显。相反，随着两帮移近量的增大，缝有可能闭合，起不到卸压作用。松动爆破工序比较复杂，有时还影响生产，所以在许多情况下不能采用。3) 联合支护法联合支护法使把不同的控制底鼓的方法结合起来使用，通常是两种方法的结合，如底板爆破注浆、切缝与锚杆、封闭式支架与爆破等。康红普认为：底板爆破注浆法比较适用于软弱岩层底板，切缝与底板锚杆的联合支护适用于深部及受强烈采动影响的高地应力巷道，封闭式支架与爆破的联合支护法一般适用于软弱岩层及地应力较大的巷道。通过查阅相关资料和以往的相关研究可知，本课题研究已经具备了一定的基础，前期做了充分的准备工作。可以设想，经过理论分析、数值模拟、现场实践检验，会取得预期的效果。预计课题成果将对岩石巷道底鼓治理具有指导意义，并有很高的实用价值，应用前景十分乐观。主要参考文献1 姜耀东巷道底鼓机理及控制方法的研究D中国矿业大学，1993.2 MJI兹包尔什奇克巷道底板岩层突然隆起及其防治措施J吉林煤炭科技，1981，(4)：67-70.3 TT利特维斯基准备巷道底鼓机理J井巷地压与控制，1987，(2)：41-44.4 M奥顿哥特巷道底鼓的防治M王松茂译北京：煤炭工业出版社，1985.5 KHaramyFloor heave analysis in a deep coal mineCProcof the27th USSymposium on Rock Mechanics，Alabama，1986：520-525.6 Aqqson，JamesRCoal mine floor heave in the Beckley coal bed，an analysisJFloor heave analysis in a deep coal mineProcUS Bur Mines Rep Invest，n8274，1978.7 GeselMDesign of Tunnels in swelling RockJ，Rock MeshAnd Rock Eng198720(4)：219-242.8 AfrouzAGeotechnical Assessment of the Bearing Capacity of Coal Mine FloorsJ，International Journal of Mining and Geological Engineering，1986(6)：297-312.9 Chugh YP Analysis of Soft Floor Interaction in Underground Mining at an 111inois Basin Coal MineJ，Design and Performance of Underground Excavations，ISRM/BGS，Cambridge，1984：383-390.10 Roekway DJInvestigation into the Effects of Weak Floor Conditions on the Stability of Coal PillarCUnited States Bureau of Mines Open File Report Final，1979：237-243.11 康红普软岩巷道底鼓的机理及防治M北京：煤炭工业出版社，1993-06.12 康红普，陆士良巷道底鼓机理的分析J岩石力学与工程学报19914：362-373.13 姜耀东，陆士良巷道底鼓的机理研究J煤炭学报，1994，19(4)：343-351.14 Lu Shiliang，Jiang Yaodong Mechanism and Control of Floor Heave in Roadway Journal of China University of Mining & Technology，19977(1)：l-5.15 贺永年，何亚男茂名矿区巷道底鼓实测与分析J岩土工程学报，1994，16(4)：40-46.16 潘一山，祝平，王德利深埋巷道底鼓及防治的蠕变模拟试验和数值分析J黑龙江矿业学院学报，1998，8(2)：1-7.17 潘一山，王来贵，章梦涛巷道底鼓的计算模型及有限元数值分析J矿山压力与顶板管理，1993，1：17-22.18 候朝炯，马念杰回采巷道围岩整体下沉及其力学分析J煤炭学报，1993，18(2)：46-51.19 马念杰，候朝炯采准巷道矿压理论及应用M北京：煤炭工业出版社，1995.20 HOU CJ， MA NJ The integral sinking of surrounding rocks of actual mining roadway and its mechanics analysisAThe 2nd International symposium on Mining Technology and ScienceC，XuZhou ：CUMT Press，1991.21 李学华，王卫军，侯朝炯加固顶板控制巷道底鼓的数值分析J中国矿业大学学报，2003，32(4)：436-43922 李学华，黄志增，杨宏敏等高应力硐室底鼓控制的应力转移技术J中国矿业大学学报，2006，35(3)：296-30023 奥顿哥特 M巷道底鼓的防治M北京：煤炭工业出版社，198524 马念杰，侯朝炯采准巷道矿压理论及应用M北京：煤炭工业出版社，199525 侯朝炯，郭励生，勾攀峰煤巷锚杆支护M徐州：中国矿业大学出版社，199926 杨米加，贺永年，张农巷道围岩强度弱化规律及其动态加固技术J工程力学1999，16(5)：53-5727 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗等深部开采中巷道底鼓问题的研究J 岩石力学与工程学报，2004，23(14)：2396-240128 何亚男，贺永年双可缩联合支护控制茂名软岩动压巷道变形与防治底鼓的研究J煤炭学报，1992，17(4)：16-2429 马士亮动压下硐室群底鼓控制技术研究D东北大学，200330 汪理全，李学华，周劲锋等高应力软岩硐室底鼓及其治理J矿山压力与顶板管理，1997，（3-4）：131-13331 王旭锋，张东升，陈家轩开槽加固底板控制软岩峒室底鼓的数值分析J煤炭工程，2006，（3）：61-6332 郑西贵，李学华，赵立新等巷外掘巷保护巷道的应力转移技术J矿山压力与顶板管理，2005，(4)：46-5033 杨米加，陈明雄，贺永年注浆理论的研究现状及发展方向J岩石力学与工程学报2001，20(6)：839-84134 顾金才，沈俊，陈安敏等锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究J岩石力学与工程学报，2000，19(增)：917-92135 康红普巷道围岩的侧下角卸压法J 东北煤炭技术，1994(1)：26-2936 毕宣可，尤春安，杨永腾控制巷道底鼓的浮渣注浆法J建井技术2004，25(5)：10-1237 杨生彬，何满潮等底角锚杆在深部软岩巷道底鼓控制中的机制及应用研究J岩石力学与工程学报2008，27(增1)：2913-292038 何满潮，张国锋等深部煤巷底鼓控制机制及应用研究J岩石力学与工程学报2009，28(增1)：2593-259839 谢广祥，常聚才超挖锚注回填控制深部巷道底鼓研究J煤炭学报2010，35(8)：1243-124640 杨本生，耿学良，孙立辉等五阳矿厚煤层巷道底鼓机制及控制研究J岩石力学与工程学报2012，29(1)：8-13二、研究内容及预期成果2.1 研究内容(1) 高地应力岩巷底鼓机理研究根据高地应力岩巷底鼓形成的特殊机理原因及影响因素，应用FLAC3D软件，对其进行数值模拟分析，确定其形成原因、影响因素、显现形式及相应控制机理的特征；结合国内外对于巷道底鼓机理和控制技术方面己取得了大量成果，对阳煤集团新景矿中条带轨道巷底鼓机理进行研究。(2) 连续双壳对高地应力岩巷底鼓控制的机理研究从底鼓控制机理上研究连续双壳对高地应力岩巷底鼓控制的可行性、广泛性及相比以往治理方案的优越性；采用FLAC3D软件分析研究并验证针对不同类别的高地应力岩巷底鼓相对应的连续双壳的支护形式。 (3) 现场实施效果检验针对不同类别的高地应力岩巷底鼓，应用已做的相关底鼓治理项目结果，验证连续双壳对高地应力岩巷底鼓的控制能力，同时提出不同类别的高地应力岩巷底鼓的控制方案中应重视的关键技术。2.2 重点解决的关键问题1) 根据高地应力岩巷底鼓形成的特殊机理，分析研究并确定其形成原因、影响因素、显现形式及相应控制机理的特征。2) 从底鼓控制机理上研究连续双壳对高地应力岩巷底鼓控制的可行性、广泛性。2.3 预期成果及提供形式通过对高地应力岩巷底鼓产生机理及控制机理的研究，提出连续双壳对高地应力岩巷底鼓控制的可行性、广泛性及优越性，并最终写一篇高水平的学位论文。三、拟采取的研究方法和技术路线3.1 研究方法1) 理论分析和研究 应用岩石力学理论分析底鼓产生原因、发展过程和影响底鼓的各种因素。 应用连续双壳对高地应力岩巷底鼓的控制机理，分析连续双壳对底鼓的治理。2) 数值模拟目前，数值模拟在研究中有着其他研究手段不可替代的作用。为深入分析巷道底鼓的机理和选择合适的控制措施，本研究做如下两方面的数值模拟。 模拟高地应力岩巷底鼓，确定其特征。 模拟连续双壳对高地应力岩巷底鼓的控制效果及控制参数的优化。3) 现场实施效果检验根据相关底鼓治理项目背景情况、实施方案和控制效果，对连续双壳对高地应力岩巷底鼓的控制进行验证。3.2 技术路线连续双壳治理高地应力岩巷底鼓机理的形成与提出高地应力岩巷底鼓新景矿中条带轨道巷底鼓治理高地应力岩巷底鼓控制机理的理论分析及矿压监测结果机理的理论分析岩巷底鼓的机理研究连续双壳治理高地应力高地应力岩巷底鼓连续双壳治理高地应力相关底鼓治理项目机理的数值模拟岩巷底鼓机理的数值模拟实施方案和控制效果不同类别的高地应力岩巷底鼓相对应的连续双壳的支护形式论文解题并答辩发表研究成果3.3 可行性分析1) 立项依据有坚实的理论与实践基础参阅了大量文献，并结合以往高地应力岩巷底鼓控制研究成果提出的理论问题。近几年，开展了一系列高地应力岩巷底鼓控制的研究，如：复杂应力大变形硐室群综合控制、深部和难支护巷道综合控制技术研究、动压影响巷道支护技术、高应力大变形永久巷硐“双壳”治理底鼓技术与机理研究等。掌握国内外在高地应力岩巷底鼓控制理论与技术等方面的最新研究动态，并与自身实践相结合，在理论上、实践上均有扎实的基础。2) 相关实验技术成熟，具备完善的实验设备及技术支持本研究使用的实验方法、实验手段、和分析方法为国内外应用多年的经典方法，并具有自身的实践基础，相关技术已应用于科研工作。3.4 学位论文总体安排1) 预计2012年12月，完成不同类型的高地应力岩巷底鼓机理及控制机理研究、连续双壳对不同类型的高地应力岩巷底鼓的控制机理研究和相应的数值模拟工作；2) 预计2012年12月至2013年3月，结合现场控制效果，对论文提出结论进行检验，完成论文的初稿；3) 预计2013年4月份，提交论文；4) 预计2013年5月份，论文答辩和毕业。四、