大断面硐室围岩变形机理及控制技术研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
近年来，随着我国采矿、交通、水电等各类工程的大规模建设，出现了大量不同断面尺寸的險道、巷硐（目前，巷硐断面尺寸的划分主要以日本隧道协会和国际險道协会的判断标准为主。特别是伴随着采掘、运输机械逐步大型化，巷道断面尺寸也不断加大，众多大断面、超大断面硐室应运而生。这类巷硐受断面尺寸大、地质条件差及采动应力场分布复杂等因素的影响，其围岩变形破坏机理比传统的中小断面巷硐更为特殊复杂。
巷硐断面的不断扩大，给巷硐围岩变形控制带来了很多新问题。近年来，在巷硐支护工程中，锚杆支护技术被广泛应用。这种支护方式对围岩变形控制效果明显、而且施工成本较低，成为处理煤层巷硐支护问题的有效方法。但传统的巷道支护方法和围岩稳定性控制理论主要是解决常规断面巷道支护的问题（传统巷道宽3.5-4.5m、高3.0-3.5m)，现阶段，针对大断面巷铜支护问题的理论研宄和成熟的工程实践十分有限，导致大断面支护问题，特别是复杂地质条件下的大断面支护问题尚未得到很好的解答。大断面巷道围岩稳定性研究仍处在初始探索阶段，因未能有效掌握大断面巷硐围岩变形机理及控制技术，煤矿的安全高效生产受到了极大的制约，这一问题被越来越多人们所关注。大断面巷硐在掘进过程中产生了一系列严重的围岩失稳现象，常规的支护方法已无法满足其使用要求。大断面巷硐的出现是对传统围岩控制理论及支护技术的一种严峻挑战。因此，通过掌握合理的大断面巷硐围岩变形破坏规律，探索正确的大断面巷硐围岩变形破坏机理，并结合具体地质条件确定合理的巷硐支护方案便成了一个非常重要的研究课题。此课题的分析研究既能对一般条件下巷硐围岩稳定性控制问题进行解答，又能对复杂地质条件下的大断面巷硐控制技术问题进行有益的探索和完善。综上所述，开展关于大断面巷硐围岩变形机理及控制技术的研究，对创建安全高产高效矿井具有重要的理论意义和实用价值。
二、研究目的和意义
本课题以王庄煤矿+540m水平井下大断面支架换装硐室为工程背景，对上述问题进行研究。该硐室围岩条件差，断面尺寸大（荒断面达到96m2左右），给掘进、支护工程带来很大困难，硐室掘进初期，硐室顶板出现开裂、两帮变形严重，最大移近量接近Im，并伴有较为严重的底鼓,围岩控制难题亟需解决。本文结合支架换装硐室的地质赋存条件、对其围岩变形破坏机理进行研究，并结合大断面硐室围岩控制原理，提出了合理的围岩支护方案，以确保大断面硐室围岩结构的稳定。这不仅在理论上对我国复杂地质条件下大断面硐室围岩支护技术难题进行了有益的探索补充，同时对解决王庄煤矿大断面支架换装硐室掘进、支护、安全生产等问题也具有十分重要的现实意义。
三、本文研究涉及的主要理论
刘高、聂德新等学者在研究高应力软岩形成条件、力学特征的基础上，对高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征进行分析，同时研究了巷道围岩开挖后初始应力与二次应力的分布特点，从而揭示高应力软弱围岩的变形破坏机理。
杨永刚，张海燕以潘三煤矿两条沿空巷道典型试验为背景，对深井高地压沿空巷道的围岩变形机理进行研究，通过数值模拟计算方法确定了深井沿空巷道所需留设的合理煤柱宽度，并进一步提出了深井沿空巷道围岩支护原则。
朱建明从矿物分析、水理分析及岩石的三轴试验出发，结合受采动影响巷道围岩大变形的变形、力学特征，以小官庄铁矿和安家岭二号井为工程背景，对采动影响下巷道围岩大变形机理进行研究。
罗超文、李海波、刘亚群等学者釆用水压制裂地应力测试方法，对某矿地应力特点进行分析研究，研究表明：岩体地应力侧压系数受围岩岩性影响较大，是影响围岩塑性破坏的重要因素。
李树清、王卫军等学者釆用数值模拟方法对深部巷道围岩的应力分布规律及围岩塑性破坏特征进行分析研究，研究表明：巷道围岩向内部发展会间隙性产生强度弱化区域，针对这一现象提出，高应力条件下的围岩存在峰后软化。
李宝富，齐利伟等学者建立了巷道底板岩层屈曲破断力学模型，对煤层巷道底板岩层动态破坏机理进行研究。研究发现水平应力是影响巷遣底板岩层稳定性的关键因素，并提出了巷道底板水平应力计算方法。
赵志强，刘泉生等学者在考虑巷道围岩性质、构造应力以及地下水等因素影响下，对软岩巷道围岩变形破坏机理进行研究，并提出相应的高应力软岩巷道支护方法。
EJ.Sellers和P.Klerck等国外学者研究发现巷道围岩内存在大量节理裂隙，巷道在开挖掘进过程中，会引起此类围岩软弱结构的导通，进而使围岩内部产生不连续面，而这些不连续面是导致巷道围岩破裂的关键因素。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本课题以王庄矿+540水平井下大断面支架换装硐室为工程背景，考虑硐室断面尺寸、围岩特征、构造应力及邻近硐室开采扰动等影响因素，综合应用现场实测、理论分析和数值计算等方法，对大断面硐室围岩变形规律、应力分布特征和破坏特征进行系统的分析研究，在此基础上提出大断面硐室围岩变形控制技术。具体研究内容如下：
(1)采用理论分析的方法，对硐室围岩塑性变形的尺寸效应进行研究，确定了硐室围岩塑性变形破坏与硐室断面尺寸的关系，分析了影响硐室围岩变形的关键因素。为研宄大断面硐室的变形破坏特征规律提供了理论依据。
(2)建立FLAC3D数值模型，分析硐室断面尺寸、围岩性质、水平应力、邻近硐室布置距离等因素对大断面硐室围岩变形，应力和塑性区分布特征的影响规律，揭示大断面硐室围岩变形机理。
(3)结合大断面硐室围岩的变形特征，进行大断面硐室围岩变形控制研究。对大断面巷硐开挖常用的三种方法（双侧壁导坑法、中隔壁法、正台阶法）进行数值模拟分析，确定合理大断面硐室开挖方法；针对大断面硐室所处的特定地层条件，通过多种围岩控制方案对比分析，提出“加长销杆、锚索+注浆错索+底板长错索”联合支护技术。
(4)在+540水平井下大断面支架换装硐室进行工业性试验研究，并对围岩变形监测效果进行分析。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
ABSTRACT 4-5
1 绪论 8-14
1.1 问题的提出及研究意义 8-9
1.2 研究现状 9-11
1.2.1 巷硐围岩变形机理研究现状 9-10
1.2.2 巷硐围岩变形控制理论研究现状 10-11
1.3 存在的主要问题 11-12
1.4 主要研究内容及技术路线 12-14
1.4.1 研究内容 12
1.4.2 技术路线 12-14
2 工程背景 14-19
2.1 工程概况 14-15
2.2 区域地质情况 15-17
2.2.1 工程地质条件 15
2.2.2 巷道布置 15-16
2.2.3 岩层赋存特征 16-17
2.3 应力环境分析 17-18
2.4 本章小结 18-19
3 大断面硐室围岩变形机理研究 19-51
3.1 大断面硐室围岩变形尺寸效应分析~(39) 19-23
3.1.1 围岩塑性变形比例系数 19-21
3.1.2 围岩塑性变形影响因素分析 21-23
3.2 大断面硐室围岩变形机理数值模拟研究 23-49
3.2.1 计算模型建立 23-25
3.2.2 断面尺寸对大断面硐室围岩稳定性影响分析 25-30
3.2.3 围岩岩性对大断面硐室围岩稳定性影响分析 30-35
3.2.4 构造应力对大断面硐室围岩稳定性影响分析 35-40
3.2.5 邻近硐室开挖对大断面硐室围岩稳定性影响分析 40-49
3.3 本章小结 49-51
4 大断面硐室围岩变形控制研究 51-67
4.1 硐室围岩控制理论基础 51-54
4.2 大断面硐室围岩变形控制技术研究 54-66
4.2.1 开挖工法对大断面硐室围岩变形控制影响分析 54-58
4.2.2 不同支护方式对大断面硐室围岩变形影响研究 58-66
4.3 本章小结 66-67
5 围岩控制技术在大断面硐室中的应用研究 67-77
5.1 大断面硐室围岩变形控制方案提出 67-71
5.1.1 锚杆参数确定 67-69
5.1.2 锚索参数确定 69-70
5.1.3 支护布置 70-71
5.2 大断面硐室施工工艺 71-72
5.2.1 施工方法 71
5.2.2 施工流程 71-72
5.3 大断面硐室支护效果分析 72-76
5.3.1 硐室表面位移观测分析 72-73
5.3.2 钻孔窥视仪观测分析 73-76
5.4 本章小结 76-77
6 结论 77-79
6.1 主要结论 77-78
6.2 研究展望 78-79
参考文献 79-83
在读发表学术论文 83-84
致谢 84
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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