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高应力软岩巷道有控卸压与蠕变控制研究

作　者: 王襄禹
导　师: 柏建彪
学　校: 中国矿业大学
专　业: 采矿工程
关键词: 高应力软岩巷道 有控卸压 蠕变控制 极限塑性区半径 弹粘塑性
分类号: TD353
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


随着开采深度的增加,高应力软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出,探索正确的软岩变形机理和围岩控制理论成为一个急需解决的问题。为此,本文根据国内外研究现状和焦作矿区古汉山矿的地质条件,基于对卸压和软岩蠕变机理的分析,从理论上对高应力软岩巷道一次有控卸压和二次蠕变控制技术进行了研究,确定了合理的一次有控卸压和二次蠕变控制的支护参数,并将研究成果成功应用到工程实践。针对传统支护方式对高应力软岩巷道维护无能为力的窘况,从控制围岩应力的角度出发,提出了一次松动放矸卸压支护技术。在此技术的基础上,考虑卸压对巷道维护的利弊两方面作用,提出了一次有控卸压支护,通过对卸压程度的控制,可以发挥卸压的优势,减小其对高应力巷道支护的不利作用。利用放矸后围岩边界处径向应力在放矸前后的不同,建立了一次有控卸压力学模型,利用该理论模型得到的塑性区以及应力转移随卸压次数的变化规律与变形能释放规律基本一致,验证了一次有控卸压理论模型的可靠性;根据此模型并基于应变软化条件和Kastner公式的计算假设,推导了塑性变形压力的计算公式,依据变形压力曲线上的拐点提出了“极限塑性区半径”的概念,合理的卸压程度就是将塑性区半径控制在“极限塑性区半径”附近,为有控卸压怎样控制合理的“度”提供了理论依据。采用FLAC数值计算软件的应变软化模型分析了卸压对围岩强度的弱化作用,合理解释了有控卸压过程中围岩变形机理,并采用理论与数值分析相结合的方法确定了合理的一次有控卸压参数。通过对软岩蠕变机理的分析,提出了高应力软岩巷道蠕变控制的实质与目标,并基于此,建立了蠕变控制的弹粘塑性力学模型。利用该模型分别对二次砌碹和二次锚杆、注浆加固支护进行了弹粘塑性分析,并确定了合理的蠕变控制支护方式和蠕变控制支护参数。根据理论和数值分析得到的支护参数,采用一次有控卸压(全封闭工字钢圆形支架+全断面放矸卸压)+二次蠕变控制支护技术(二次锚杆、注浆加固支护)在古汉山西大巷进行了工程试验,有效控制了该巷道的剧烈变形和持续蠕变,并且该支护方案简单、易行,具有较高的推广应用价值。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-16
1 绪论  16-28
  1.1 选题的目的和意义(PURPOSE AND SIGNIFICANCE OF SELECTED TOPIC)  16-17
  1.2 高应力软岩巷道的研究现状(INVESTIGATIVE ACTUALITIES OF HIGH STRESS SOFT ROCK TUNNEL)  17-22
    1.2.1 软岩蠕变机理的研究综述(Investigative summary of creep mechanics in soft 10ck)  17-18
    1.2.2 软岩蠕变特性的试验研究(Experimental investigation of creep character in Soft rock)  18-20
    1.2.3 软岩蠕变特性的理论研究(Theoretical investigation of creep character in Soft10ck)  20-21
    1.2.4 软岩蠕变特性的数值分析(Numerical analysis on creep character in soft rock)  21-22
  1.3 高应力软岩巷道支护技术和理论的研究综述(INVESTIGATIVE SUMMARY OF SUPPORT TECHNOLOGY AND THEORY IN HIGH STRESS SOFT ROCK TUNNEL)  22-25
    1.3.1 支护理论的研究现状(Investigative actualities of support theory)  22-24
    1.3.2 支护技术的研究现状(Investigative actualities of support technology)  24-25
  1.4 存在的问题(OPEN QUESTION)  25-26
  1.5 主要研究内容和预期创新点(MAIN RESEARCH CONTENT AND PROSPECTIVE ORIGINALITY INNOVATION)  26-28
2 试验巷道支护分析（SUPPORT ANALYSIS ON EXPERIMENTAL TUNNEL）  28-40
  2.1 巷道生产地质条件分析(ANALYSIS ON PRODUCTION GEOLOGICAL CONDITION IN TUNNEL)  28-30
  2.2 巷道围岩变形特征(DEFORMATION BEHAVIOUR OF SURROUNDING ROCKS IN TUNNEL)  30-33
  2.3 松动放矸卸压技术的提出(TECHNOLOGY OF LOOSENING STRESS-RELIEF OF GANGUE DROPPING TO PUT FORWARD)  33-38
    2.3.1 松动放矸卸压与其它支护方式的数值分析方案(Numerical analysis proposal of loosening stress-relief of gangue dropping and other support pattern )  34-35
    2.3.2 计算结果及分析(Result and analysis)  35-38
  2.4 本章小结(BRIEF SUMMARY)  38-40
3 一次有控卸压支护的理论研究(FUNDAMENTAL RESEARCH ON STRESS-RELIEF SUPPORT FOR ONE TIME UNDER CONTROL)  40-69
  3.1 一次有控卸压支护方式的提出(STRESS-RELIEF SUPPORT STYLE FOR ONE TIME UNDER CONTROL TO PUT FORWARD)  40-43
    3.1.1 卸压对降低软岩蠕变速率的作用(Effect on reducing soft rock creep speed 1ate by stress-relief )  40-41
    3.1.2 卸压对软岩强度的弱化作用(Attenuation effect on soft rock intensity by stress-relief)  41-42
    3.1.3 松动放矸技术的有控卸压支护方式(Stress-relief support under control style of loosening gangue dropping technology)  42-43
  3.2 基于变形能释放的有控卸压机理分析(MECHANISM ANALYSIS OF STRESS--RELIEF UNDER CONTROL BASED ON RELEASE OF DEFORMATION ENERGY)  43-46
    3.2.1 有控卸压与释放变形能的关系(Relationship between stress-relief under control and release of deformation energy)  43-44
    3.2.2 有控卸压与直接开挖释放变形能的对比(Comparison between stress-relief under control and release of deformation energy by direct excavation)  44-46
  3.3 有控卸压力学模型的建立(ESTABLISHMENT OF STRESS-RELIEF UNDER CONTROL MECHANICS MODEL)  46-49
    3.3.1 基本假设(Basic assumptions)  47-48
    3.3.2 基本方程及边界条件[80-85](Basic equation and boundary conditions)  48-49
  3.4 卸压前弹塑性求解过程(SOLUTION PROCEDURE OF ELASTIC-PLASTICITY BEFORE STRESS-RELIEF)  49-53
    3.4.1 弹性区(Elastic zone)  49-50
    3.4.2 塑性区(Plastic zone)  50-51
    3.4.3 破碎区(Fracture zone)  51-52
    3.4.4 塑性区和破碎区半径(Radius of plastic zone and fracture zone)  52-53
  3.5 有控卸压计算结果的讨论分析(DISCUSSION AND ANALYSIS OF STRESS-RELIEF UNDER CONTROL COMPUTED RESULTS)  53-67
    3.5.1 有控卸压对塑性区的影响(Effect on plastic zone by stress-relief under control)  53-57
    3.5.2 有控卸压对应力分布的影响(Effect on stress distribution by stress-relief under control)  57-60
    3.5.3 扩容及应变软化对分步卸压时塑性区的影响(Effect on plastic zone of substep stress-relief by flash and strain softening)  60-62
    3.5.4 塑性区对变形压力的影响(Effect on deforming pressure by plastic zone)  62-66
    3.5.5 古汉山矿西大巷合理卸压次数(Reasonable stress-relief frequency in west main tunnel in Gu Hanshan colliery)  66-67
  3.6 本章小结(BRIEF SUMMARY)  67-69
4 一次有控卸压支护的数值计算(NUMERICAL CALCULATION OF ONCE STRESS-RELIEF SUPPORT UNDER CONTROL)  69-87
  4.1 引言(INTRODUCTION)  69
  4.2 模型的建立(MODEL ESTABLISHMENT)  69-71
  4.3 有控卸压对塑性区发展的影响(EFFECT ON DEVELOPMENT OF PLASTIC ZONE BY STRESS-RELIEF UNDER CONTROL)  71-74
  4.4 有控卸压对应力转移效果的影响(EFFECT ON STRESS BRANCH RESULT)  74-79
  4.5 有控卸压对围岩强度弱化的影响(EFFECT ON AVIANIZING THE INTENSITY OF SURROUNDING ROCK BY STRESS-RELIEF UNDER CONTROL)  79-82
  4.6 有控卸压对巷道周边位移的影响(EFFECT ON TUNNEL PERIPHERAL DISPLACEMENT BY STRESS-RELIEF UNDER CONTROL)  82-85
  4.7 本章小结(BRIEF SUMMARY)  85-87
5 蠕变控制技术的力学分析(MECHANICAL ANALYSIS ON CREEP CONTROL TECHNOLOGY)  87-115
  5.1 蠕变控制的目标(TARGET CONTROLLED BY CREEP)  87-88
  5.2 无二次支护巷道围岩的弹粘塑性分析(ELASTIC-VISCOPLASTY ANALYSIS ON SUPPORTING SURROUNDING ROCKS FOR NO SECONDARY)  88-98
    5.2.1 粘塑性区位移与粘性系数、时间t 的关系(Relationship between displacement ＆viscosity coefficient and time t in visco-plasticity zone)  93-95
    5.2.2 粘塑性区应力与时间t、距巷帮距离r 的关系(Relationship between stress＆ time t in visco-plasticity zone and distance to the wall of tunnel r)  95-97
    5.2.3 弹性区应力与距巷帮距离r 的关系(Relationship between stress in elastic zone and distance to the wall of tunnel r )  97-98
  5.3 二次砌碹支护控制围岩蠕变的弹粘塑性分析(ELASTIC-VISCOPLASTY ANALYSIS ON SECONDARY MASONRY-LINING SUPPORT TO CONTROL THE CREEP IN SURROUNDING ROCKS)  98-104
    5.3.1 碹体支护反力与时间t 及碹体厚度的关系(Relationship between masonry-lining support counterforce＆time t and thickness of masonry-lining)  100-102
    5.3.2 巷道周边位移与时间t 及碹体厚度的关系(Relationship between tunnel peripheral displacement＆time t and thickness of masonry-lining)  102-104
  5.4 二次锚杆、注浆加固支护控制蠕变的弹粘塑性分析(ELASTIC-VISCOPLASTY ANALYSIS ON SECONDARY ANCHOR ROD AND GROUTING REINFORCEMENT TO CONTROL CREEP)  104-113
    5.4.1 二次锚杆、注浆加固支护的弹粘塑性模型(Elastic-viscoplasty model of secondary anchor rod and grouting reinforcement support)  106-107
    5.4.2 巷道周边位移与时间t、锚杆支护强度的关系(Relationship of tunnel peripheral displacement＆time t and support intensity of archor rod)  107-109
    5.4.3 巷道周边位移与时间t、锚杆预紧力的关系(Relationship between tunnel peripheral displacement＆time t and archor pretightening force)  109-111
    5.4.4 巷道周边位移与时间t 及锚注半径的关系(Relationship between tunnel peripheral displacement＆time t and bolt-grouting radius)  111-113
  5.5 本章小结(BRIEF SUMMARY)  113-115
6 控制蠕变的工业性试验(INDUSTRIAL EXPERIMENT TO CONTROL CREEP)  115-131
  6.1 蠕变控制的支护设计思路(SUPPORT DESIGN MENTALITY OF CREEP CONTROL)  115
  6.2 一次有控卸压支护参数(SUPPORT PARAMETER OF ONCE STRESS-RELIEF UNDER CONTROL)  115-116
  6.3 二次支护（蠕变控制）参数(SECONDARY SUPPORT (CREEP CONTROL)PARAMETER)  116-121
    6.3.1 锚杆支护参数(Bolting parameter)  116-118
    6.3.2 注浆加固参数(Grouting reinforcement parameter)  118-121
    6.3.3 施工步骤(Construction procedure)  121
  6.4 支护效果监测(MONITORING ON SUPPORT EFFECT)  121-129
    6.4.1 巷道表面位移观测结果(Observation result of tunnel surfacent  122-126
    6.4.2 锚杆载荷观测结果(Observation result of archor rod load)  126-128
    6.4.3 巷道围岩破碎区分布(Distribution of fracture zone distribution in surrounding 10cks)  128-129
  6.5 本章小结(BRIEF SUMMARY)  129-131
7 主要结论与研究展望(PRIMARY CONCLUSIONS AND RESEARCH PROSPECT)  131-135
  7.1 主要结论（MAIN CONCLUSION）  131-133
  7.2 研究展望（RESEARCH PROSPECTION）  133-135
论文创新点  135-136
参考文献  136-142
作者简历  142-144
学位论文数据集  144

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山压力与支护 > 矿井支护与设备 > 巷道支护
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