采矿巷道围岩变形机理与支护效果数值模拟研究(64页).rar

摘要
对地下矿山开采而言，保证巷道开挖与支护稳定是矿山安全生产的前提。随着开采水
平的不断深入，以及复杂多变的地质条件的影响，使得采矿巷道的维护更加困难，严重影
响了矿山的安全生产。目前主要用于矿山采矿巷道开挖与支护的设计方法是_f程类比和经
验的方法，该方法虽简便易行，但由于地质条件的复杂性和多变性，在运用工程类比法进
行采矿巷道设计与施工时，很难选得真实反映围岩性质的计算指标，再加上地卜结构荷载
分析的复杂性，使得工程类比法存在着无法克服的缺点。因此本文结合大冶铁矿龙洞采区
生产实际，提出“采矿巷道围岩变形机理与支护效果数值模拟研究”课题，从理论上探讨
围岩变形机理与支护效果，以指导生产实践，具有重要的理论与现实意义。
论文首先对大冶铁矿龙洞采区研究区段的地质条件进行了概述，在此基础上通过现场
_
I二程地质勘察与室内测试等手段对龙洞采区_}几程地质与岩石物理力学性质等进行研究，为
数值分析中参数的选择提供依据;其次，运用FLAC3D有限元软件对龙洞采区一6m2与一74m
水平巷道分别建立有限元模型，模拟了巷道开挖后围岩应力、应变变化状况，分析了围岩
变形机理，并使用收敛观测法监测龙洞采区一74m水平巷道开挖后的周边位移变化情况，验
证巷道变形机理的数值模拟结论;最后对生产实际应用支护参数:50mm喷破、m2锚杆+5Omm
喷硅联合支护两种工况效果，进行了模拟，并以此为依据对支护参数设计提供优化建议。
通过上述研究得出以下结论有:
1、由数值模拟结果可知，巷道开挖后，龙洞采区一62m水平止次应力影响范围在巷道
边墙外10一巧m范围内，一74m水平影响范围在4一6m范围内。围岩主应力总体上表现为由
各边墙的中部、中下部位的压应力集中带逐步过渡到拱顶、底板一定范围内的拉应力分布
区域。主应力方向发生了明显的偏转，总体上表现为最大土应力与开挖临空面平行或相切，
最小主应力与临空面近于垂直或正交。洞室开挖过程中，洞室周边浅部围岩中出现了厚度
不等的塑性破坏区，比较而言，以拱顶部位和底板和墙角处塑性破坏较为严重。这些部位
常常也是最大、最小主应力集中区。
2、总体上垂向方向的位移相对较大，最大位移为发生在拱顶位置的沉降。一62m水平
巷道开挖完后围岩的最大位移可达22.7mm。一74m巷道开挖完后围岩的最大位移可达
.96mm。一62m水平地段的位移接近洞室周边允许相对收敛值上限，需加强支护，一7m4水平
围岩变形值接近开挖允许值下限，一般不需要支护，可只在不稳定的特殊地段支护。
3、有限元数值模拟虽然可以动态地反映出地下洞室在施工过程中围岩和支护结构的应
力应变和主要变形点位移特征，但只是一种模拟手段，应辅以现场监控量测来获得实际施
工中的围岩力学动态和支护体系的工作状态信息(数据)。通过实际监控数据来调整工程类
比法的设计参数和有限元数值模拟的参数取值，从而达到信息化设计与施工的经济、快速、
最优化要求。本文中对比模拟与实测结果，一7m4水平巷道的模拟结果显示最大垂向位移为
.96mm，与实测最大位移8.m3m非常接近，侧面反映了应力释放程度的把握较为接近实际情
况，模拟结果较为准确。
4、在开挖不支护条件下，围岩都有不同程度的塑性破坏区域出现。在拱顶和底板都是
以张拉性破坏为主，而在边墙中部和边墙角都是以剪切性破坏为主。随着支护措施的变化，
使用锚喷联合支护与使用喷硅支护时，喷层未发生破坏，表明喷层对限制塑性破坏区的出
现有很好的效果。在支护条件下，一62m水平巷道一次开挖后喷层或联合支护，位移量仅
12.2mm;一74m水平巷道一次开挖后喷层或联合支护，位移量仅5.3mm。喷硅支护与锚喷
联合支护的塑性区与位移区别不大，说明在模拟地段的喷层对围岩塑性破坏的限制效果比
锚杆支护更为显著。
5、在了解龙洞采区一62m水平不稳定地段和一74m水平采矿巷道工程地质概况的基础上，
结合位移监测结果，经过有限元数值模拟分析，对龙洞采区一74m水平巷道的支护建议为:
①主体围岩质量较好，巷道不需支护;②局部岩块破碎，围岩质量较差断面采用50mm喷
射混凝土支护。一62米水平巷道的锚喷支护建议为:①局部围岩质量较好的巷道采用50mm
喷射混凝土支护;②巷道主体不稳定地段使用长Zm锚杆+拱顶、边墙喷射50mm混凝土+
钢筋网联合支护。
关键词:采矿巷道变形机理变形监测支护效果数值模拟




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