研究生学位论文选题报告

中国矿业大学(北京)硕士研究生学位论文选题报告论文题目：胡底煤业软岩大变形巷道支护机理与应用研究学院(系)：资源与安全工程学院学生姓名：王建彬学号：DGS130101082C班级：2013级专业名称：矿业工程专业代码：081901研究方向：采矿工程导师姓名：王炳文填表日期：2015-1-4研究生院制2一、选题背景及意义1.问题的提出山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司（以下简称胡底煤业）位于山西省沁水煤田的南部，沁水县城东部，行政区划隶属于山西省晋城市沁水县胡底乡管辖，为重组后单保矿井。开采方式为地下井工开采。矿井设计生产能力0.6Mt/a。胡底煤业3#煤开拓巷道埋深在450～730m之间，现在正进行大巷石门掘进，由西向东布置有五条主要石门，布置在距3#煤层约20m的顶板岩层中，随着巷道的掘进延伸，盖山厚度逐渐增大，在+150m水平落平时，盖山厚度达到700m以上。巷道主要采用锚网索喷联合支护，由于受地质构造和埋深影响，巷道埋深进入650m以下后，巷道支护成型后最长时间不到半年，最短不到一个月时间，大巷石门均有不同程度的变形。巷道两帮最大移近量达到1000mm，顶底板变形量最大达到2500mm，主要表现为巷道帮部和拱顶喷层大面积开裂，部分开裂严重处，喷层已经脱落，裸露出钢筋网片和围岩体，底板出现不同程度的底鼓现象，底板变形严重处底鼓量达到2000mm（如下图所示）。从现场观测来看，底板变形仍未稳定，严重威胁了现场设备和工人的安全。(a)顶板下沉(b)拱肩破坏(c)巷帮破碎回缩(d)底板底鼓针对井下各大巷的长期观测，发现巷道的变形和破坏具有以下几个特点：①在巷3道的一次支护中，巷道的变形主要以拱顶下沉、底鼓和两帮内挤为主；②巷道开挖以后围岩初期变形速度快，变形量大。由于修复时围岩还处在不断的变形中，未有效控制围岩变形或释放所产生的巨大压力，因此，修复后的支护结构仍不能保持巷道的稳定；③部分地段巷道围岩中受到水的影响，岩体泥化现象明显，造成局部巷道的变形破坏现象相对更严重，底鼓显著，严重影响了巷道支护结构的整体稳定；④变形破坏后的巷道围岩，其主要特征是软弱、松散和破碎，软化和泥化及流变现象显著，使得围岩的力学特性显著降低，加上部分锚杆（尤其是拱肩部大多数）断裂，加剧了巷道后期的变形破坏。胡底煤业后期的巷道布置，盖山厚度大多在700m以上，对于巷道严重失修的情况，急需找到一种适合胡底煤业的支护设计和支护方式从根本上解决巷道掘进过后的大变形特性，针对已经产生大变形的巷道又需要深入研讨选取一种合理的加固方式进行变形巷道的彻底维修，这两方面内容就是我选择研究并加以详细阐述的论文核心，并确定论文题目为《胡底煤业软岩大变形巷道支护机理与应用研究》。2.研究目的及意义随着全球经济的高速发展，出于对能源开发和环境保护的需要，世界各国日益重视地下空间的开发和利用，“21世纪是人类开发利用地下空间的世纪”。在我国，煤炭工业中井巷工程的建设规模和复杂程度为世界瞩目。由于矿井开发深度越来越大，使得煤炭开采面临两大核心问题，即煤岩体的合理开挖与围岩的有效维护，其中巷道围岩的稳定性维护问题越来越突出。我国煤矿开采深度不断增加，软岩巷道的数量也越来越多，围岩产生大变形破坏的现象也越来越普遍，巷道经常发生冒顶、非对称两帮变形、严重底鼓、岩爆等非线性大变形破坏现象。据统计，我国煤矿巷道的总长度已然达5万公里，是一项非常浩大的地下工程，其中围岩比较松软的煤层巷道约占60%。在高应力、采动影响下，巷道围岩变形量通常高达800一2000mm。巷道围岩大变形破坏严重影响煤矿锚杆支护的有效使用，因此，找出适用于巷道围岩大变形的控制方法以及维护方法，并使其在煤炭深部开采中得到普及和应用，是解决了影响矿井进入深部后的开采接续、危及安全生产的重大技术难题，势必对实现煤炭生产的安全、优质、高效产生巨大的促进作用。二、国内外研究现状为控制软岩巷道的剧烈变形，维护巷道的稳定，国内外学者对软岩的物力、水理、力学性质、巷道变形的力学机制及控制技术开展了大量的研究工作，取得了一大批理4论和技术应用成果。1、关于软岩巷道的变形机理关于软岩的定义到目前尚没有统一的说法，多数学者和专家认同的定义是：软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力岩体的总称。近年来，国内外学者对软岩的研究由岩石的物理力学性能的研究转向工程地质特性的研究，并尝试把软岩的深入研究和有效解决现场工程实际问题结合起来。何满潮院士根据岩体的构成成分、物理化学性质和应力环境的不同，将引起软岩巷道变形的力学原因分为三大类，即物化膨胀类、应力扩容类和结构变形类，又依据引起变形的严重程度将各大类分为A、B、C、D四个等级。何满潮院士[1]运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过现场工程地质调查，结合室内岩石常规物化力学试验、微观试验以及具有深部岩体受力特色的拉压组合及不同加卸载条件下的力学试验研究，提出了复合型变形力学机制是软岩巷道围岩变形和破坏的根本原因，并给出了通过转化复合型变形力学机制来实施对其有效控制，该研究成果在很多地下软岩工程得到了很好的推广应用。潘立友教授[2]通过观测和实验，提出了软岩底板侵入理论，研究了煤层底板松软岩体侵入变形的力学机制、侵入影响因素和松软底板支护原理。刘高[3]提出了结构性流变的观点，在高应力区完整性差的坚硬或较坚硬岩体内，由于工程开挖，结构面依应力状态而发生一系列的与时间相关的力学行为和力学响应，致使工程岩体表现出显著的流变现象，这种现象不是由岩石引起，而是结构面的时间相关性变形所致。侯朝炯、何亚男[3]通过软岩巷道变形的观测和实验研究，认为岩石的峰后蠕变是软岩巷道大变形的主要原因。周翠英、谭祥韶[4]等通过扫描电镜、偏光显微镜、能谱分析、粉晶X射线衍射以及岩石的物理力学测试等手段测定了炭质泥岩等特殊软岩的微观结构、矿物成分、物理力学性质、水溶液的化学成分及其随时间的变化特点，认为该类软岩的软化主要是由于粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附作用、易溶性矿物溶解与矿物生成、软岩与水作用的微观力学作用机制、软岩软化的非线性化学动力学机制的综合作用造成的。柏建彪、侯朝炯[28]等分析了复合顶板极软煤层巷道围岩破坏特点，提出了运用注浆及锚杆支护控制巷道围岩稳定、加强顶板支护强度、充分利用围岩自身承载能力的支护原理，研究了合理的注浆、锚杆支护技术，包括高水速凝材料注浆加固两帮、顶板采用树脂全长锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索加强支护及两帮树脂加长锚固锚杆支护。刘高[32]、潘一山[34]、景海河[45]等对深部巷道围岩破坏机理方面进行了深入研究，研究多5数集中在深部高应力硬岩的冲击型破坏机理。2、软岩巷道支护理论国内外关于软岩支护方面的理论，主要有以下几种:(1)新奥法(NewAustrianTunnelingMethod)理论1980年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为:“在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的施工设计方法”。施工时遵循下列原则:○1当考虑岩体的力学特性；○2应当在适当的时机构筑适宜的支护结构，避免围岩中出现不利的应力应变状态；○3为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构；○4由现场量测监控围岩动态，根据允许变形量求得最适宜的支护结构。新奥法最核心的问题是利用围岩支护隧道，利用围岩木身形成支承环。(2)联合支护理论联合支护理论是在软岩支护方面对新奥法的发展，其观点可以概括为:对于软岩支护，单纯加强支护刚度是难以奏效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。(3)锚喷一弧板支护理论锚喷一弧板支护理论实际上是联合支护理论的新进展，其要点是:对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，就要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护型式，坚决限制和顶住围岩向中空的位移。(4)松动圈理论松动圈理论认为，支护的目的在于防止松动圈发展过中所产生的有害变形。(5)应变控制理论由日本山地宏和樱井春辅提出的围岩支护应变控制理论认为，隧道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。支护结构的设计则是由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。(6)能量支护理论20世纪70年代由M.D.Salamon等人提出的能量支护理论认为支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因此，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。63、软岩巷道围岩稳定性控制技术关于软岩巷道围岩稳定性的控制技术归纳起来，大体可以分为3类，即加固法、卸压法、联合法。(1)围岩加固法无论何种软岩支护理论，软岩巷道支护最终都将加固围岩，加固手段分为主动支护和被动支护两大类。主动支护主要有锚、喷、网联合支护、注浆、锚注等手段；被动支护主要是钢支架，目前国内外在软岩巷道中采用的钢支架有9以下种:①OLW/U29型可缩钢架，②钥筋混凝土圆形支架，③钢拱架-钢筋混凝土封闭支架，④喷网-圈形纲架联合支护，⑤TH44圆形钢架，⑥钢拱架和TH44反拱支架，⑦梨型TH44封闭支架，⑧锚喷网架加底拱，⑨U29圆形钢架加底部混凝土。(2)卸压法卸压法是高应力软岩巷道围岩稳定性控制的一种主要方法，尤其在底鼓较强烈的软岩巷道中效果明显。卸压法与加固法控制软岩巷道围岩变形的原理不同，主要通过切缝等一些方法使原来连续的岩体处于非连续状态，在巷道周边形成卸压带，将巷道周边的集中应力向巷道围岩深部转移，使巷道处于应力降低区，从而减少巷道围岩的变形最，维持巷道的稳定。国内外使用的卸压法包括底板切缝、两帮切缝、钻孔、松动爆破及掘巷卸压等方法。(3)联合支护法就是根据具体条件，综合采用上述方法控制巷道的变形，维持软岩巷道的稳定。4、胡底煤业大变形巷道研究进展（1）2013年10月份，在胡底煤业五条石门发现有锚杆、锚索断裂现象后，及时与晋煤设计院、基建局进行了沟通，将所有巷道的支护锚杆由规格为φ20-M22-2200mm的锚杆（HRB335）更换为φ22-M24-2400mm的锚杆（HRB500），增加了支护强度，但巷道失修没有得到有效控制，说明在这种大变形情况下单单靠提高支护强度就想解决问题是行不通的。（2）通过在相邻矿井的调研，他们的井下情况是地面盖山厚度550米左右，前期井筒及马头门出现严重变形，井下前期施工的巷道顶板也是难以控制，科研单位出的设计方案，采取了注浆、扩刷、加强支护、成巷等方式，井下停产5个月左右时间进行了处理，目前新掘巷道采取了加强支护、注浆锚索、套U形棚联合支护的方式，从7现场情况来看顶板情况得到了有效控制。（3）胡底煤业公司积极与设计院、科研单位等各方专家联系，组织召开胡底煤业大变形巷道顶板研讨会，委托专家为胡底煤业巷道现状找出深层原因和解决之法。（4）胡底煤业与科研单位达成合作关系，从巷道围岩地应力测试、围岩物理力学性质测试、巷道支护设计优化、巷道大变形巷道注浆加固等方面进行全方位研究与试验，找出行之有效的方式方法，确保胡底煤业大变形软岩巷道能够得到有效控制。三、研究方法与技术路线本文采用典型试验、理论分析，数值模拟以及现场工程实验相结合的方法。1、典型试验：本课题利用岩石力学实验系统等仪器、设备，分析巷道围岩物理力学性质和矿物成分；2、理论分析：综合运用岩石力学、弹塑性力学、断裂损伤力学、矿山压力理论，建立力学模型，对破碎软岩巷道围岩受力变形的影响因素、变形特征及机制进行研究；3、数值模拟：应用FLAC大型岩土工程模拟软件对破碎软岩巷道的大范围围岩应力分布、运动规律进行研究，探明影响软岩巷道围岩变形的主要影响因素；4、现场工程实验：通过现场实践和观测，进一步分析软岩巷道围岩变形的力学原理本及其控制，同时验证和完善研究成果。本文技术路线如下：提出巷道围岩控制失效问题巷道支护