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1、中南大学 硕士学位论文 深井巷道失稳分析及锚杆支护参数优化 姓名：黄志国 申请学位级别：硕士 专业：采矿工程 指导教师：罗周全 20100501 硕f ：学位论文摘要 摘要 金属矿山深部开采巷道失稳日益成为困扰采矿正常生产的主要 问题之一。本文针对冬瓜山铜矿深井开采巷道失稳问题，综合运用 理论分析、数值模拟、现场调查相结合的方法，对深部高应力条件 下地下采矿巷道稳定性和动荷载作用下巷道响应特征进行了分析， 研究了不同应力场中深部巷道失稳破坏的规律，提出了深部巷道的 支护方案，并且优化了支护参数。主要研究内容如下： ( 1 ) 运用F l a c 3 D 数值分析软件对不同构造应力场中深部巷道围
2、 岩稳定性进行了模拟，研究了深部构造应力场中垂直应力、水平应 力对巷道稳定性的影响，初步获得了巷道围岩失稳的基本规律； ( 2 ) 运用F l a c 3 D 数值分析软件，研究了深部构造应力场中动荷 载峰值应力和扰动频率变化对不同静压下巷道稳定性的影响规律； ( 3 ) 利用R F P A 分析了静力荷载作用下深部岩巷破坏的过程， 从细观角度研究了巷道围岩在构造应力场作用下裂纹萌生、扩展直 至贯通破坏的全过程，为支护方案的选择和确定奠定了基础； ( 4 ) 在上述研究的基础上，结合冬瓜山具体的工程实际，运用 悬吊理论、松动圈理论和工程类比法等理论计算得出了巷道锚杆支 护的参数，提出了三种不同
3、网度的锚杆支护方案，并对支护参数进 行了优化，为巷道支护提供了可靠的依据。 本文紧密结合工程实践，运用数值计算软件对深部巷道的破坏 和失稳机理进行了较为深入的研究，为深部巷道的支护奠定了基础， 具有较为重要的理论意义和工程应用价值。 关键字：深部巷道，数值模拟，动荷载，锚杆支护，参数优化 硕十学f 口论文A B S T R A C T A BS T R A C T T h et u n n e l i n s t a b i l i t y o f d e e pm i n i n g i nm e t a lm i n e sh a s i n c r e a s i n g l y b e
4、 c o m eo n eo ft h em a i n p r o b l e m st r o u b l i n g n o r m a l p r o d u c t i o no fm i n e A c c o r d i n gt ot h et u n n e li n s t a b i l i t yp r o b l e mo fd e e p m i n i n gi nD o n g g u a s h a nC o p p e rm i n ei nt h i sp a p e r ，t h em e t h o di n c l u d i n g t h e o
5、 r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do n s i t ei n v e s t i g a t i o nw a s c o m p r e h e n s i v e l yu s e d ，t h et u n n e ls t a b i l i t yo fd e e pu n d e r g r o u n dm i n i n g i n h i g hs t r e s s c o n d i t i o na n dr e s p o n s ec h a r a c
6、t e r i s t i c so ft u n n e lu n d e r d y n a m i cl o a dw e r ea n a l y z e d ，t h ei n s t a b l el a w so fd e e pt u n n e li nd if f e r e n t s t r e s sc o n d i t i o n sw e r ef u r t h e rs t u d i e d ，t h es u p p o r t i n gp r o g r a mo fd e e p t u n n e lw a sp r o p o s e da n
7、 dt h es u p p o r tp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d M a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) T h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo fd e e pt u n n e li nd i f f e r e n tt e c t o n i c s t r e s sf i e l dw a ss i m u l a t e dt h r o u g hn u m
8、e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r eF l a c 3 D ，t h e i n f l u e n c eo fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls t r e s s t ot u n n e l s t a b i l i t yi nd e e p t e c t o n i cs t r e s sf i e l dw a sa n a l y z e d ，a n dt h eb a s i cl a wo ft u n n e li n s t a b i l i t y w a sp r
9、e l i m i n a r i l yr e a c h e d ； ( 2 ) T h ei n f l u e n c eo fp e a ks t r e s so fd y n a m i cl o a da n dv a r i a t i o n so f d i s t u r b a n c ef r e q u e n c yi nd e e pt e c t o n i cs t r e s sf i e l dt ot u n n e l s t a b i l i t y u n d e rd i f f e r e n ts t a t i cp r e s s
10、u r ew a ss t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i s s o f t w a r eF l a c 3 D ； ( 3 ) T h e f a i l u r e p r o c e s so fd e e p r o c kt u n n e li ns t a t i cl o a dw a s a n a l y z e db yR F P A ，t h ew h o l ep r o c e s so fc r a c ki n i t i a t i o n ，e x p a n s i o nu p
11、t o r u nt h r o u g hd e s t r u c t i o nu n d e rt e c t o n i cs t r e s sf i e l dw a ss t u d i e df r o m m i c r o p e r s p e c t i v e ，w h i c hp r o v i d e dar e l i a b l eb a s i sf o rs e l e c t i n ga n d c o n f i r m i n go fb o l t i n gp r o g r a m ； ( 4 ) C o m b i n e dw i t
12、 hs p e c i f i cp r a c t i c eo fD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n eo n t h eb a s eo fa b o v er e s e a r c h ，b o l t i n gp a r a m e t e r so ft u n n e lw e r ec a l c u l a t e d f r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni n c l u d i n gt h es u s p e n s i o nt h e o r y ，l o o
13、 s er i n g t h e o r ya n de n g i n e e r i n ga n a l o g ym e t h o d ，a n dt h eb o l t i n gp r o g r a mw a s p r o p o s e da n dt h es u p p o r tp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ，w h i c hp r o v i d e da r e l i a b l eb a s i sf o rt u n n e lb o l t i n g C l o s e l yc o m b
14、 i n i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nt h ep a p e r ，t h e f a i l u r ea n di n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fd e e pt u n n e lw e r ed e e p l ys t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rb o l t
15、 i n go f d e e pt u n n e l ，h a dr e l a t i v e l yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l a n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u e K E Y W O R D S ：D e e pt u n n e l ，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，D y n a m i cl o a d ， B o l t i n g ，P a r a m e t e ro p t i m i z a t
16、i o n 第一章绪论 1 1 引言 矿产资源是社会文明进步的重要物质基础。我国今后的2 0 - - 一3 0 年币处于工 业化中期阶段，对矿产资源的需求强度将进入高峰期，将要消耗大量矿产资源， 来维持国民经济持续稳定增长，供求矛盾将更为突出。 据不完全统计【l 】，国内一大批金属矿山，经过长期大规模丌发，已探明的 浅部矿产逐渐枯竭，开采条件大大恶化。大型露天矿在逐年减少，不少矿山已 开采到临界深度，面临关闭或转向地下开采；占矿山总数9 0 的地下矿山，有 2 5 3 5 正陆续向深部开采过渡。红透山铜矿的开采深度达9 0 0 1 1 0 0m ，冬瓜 山铜矿开拓深度达1 1 0 0m ，弓长岭铁矿开拓深度1 0 0 0m ，湘西金矿开采深度超 过8 5 0m 。此外，寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿、高峰锡矿 等许多矿山，都正在步入深部开采期。国外进入深部高应力开采的金属矿山较 多【2 卅，开采深度超千米的金属矿山有8 0 多座，其中最多的是南非。南非绝大 多数金矿的开采深度都超过1 0 0 0m ，其中A n g l o g o l d 有
