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深部高应力工程软岩巷道连续“双壳”围岩控制机理研究

【摘要】:我国浅部煤炭资源逐渐枯竭,煤炭资源进入深部开采已成为客观必然规律,深部煤炭开采已成为国内外采矿界研究的焦点问题之一。随着开采深度和强度的不断增加,深部巷道围岩表现出与浅部围岩截然不同的力学响应机制。围岩在“三高一扰动”复杂力学环境下,岩体变形特性发生了根本性变化,巷道围岩表现出工程软岩特性,具有明显蠕变和流变特点,围岩扩容现象严重。同时,在高应力作用下深部巷道发生动力学灾害可能性急剧增加,给深部矿井安全、高效开采带来较大威胁。解决深部煤炭资源开采的首要及关键问题在于解决深部巷道支护,大量工程实践和理论研究均已表明,传统浅部巷道支护理论和技术已经不能适应深部巷道支护的要求。本文基于连续“双壳”支护理论,分析了深部高应力工程软岩巷道变形破坏规律,构建了连续“双壳”支护物理模型,具体结论如下:(1)虽然部分深部巷道围岩自身强度较高,但在高应力的作用下表现出软岩的性质,浅部巷道传统的支护理论与支护方式已经不能满足深部高应力工程软岩巷道的支护需求,亟需针对深部高应力工程软岩巷道支护问题的研究工作,实现深部高应力工程软岩巷道的支护。(2)分析了影响深部高应力工程软岩的因素,认为复杂应力场、围岩性质、地下水作用、支护设计为影响深部高应力工程软岩巷道的主要因素。(3)通过对深部高应力巷道在未支护情况下数值模拟分析发现,不论巷道处于高水平应力作用还是高垂直应力作用,巷道围岩均表现出大变形、强流变、自稳所需时间较长等特征。另外,在高水平应力作用下,巷道两帮的移近量明显小于顶底板收敛量,尤其是巷道底鼓量明显大约巷道顶板、两帮的变形量,表明在进行深部高应力工程软岩巷道支护时,应增强对巷道底板支护,更好的保证深部巷道的稳定性。(4)理论分析了锚杆(锚索)轴向、横向支护作用,巷道围岩注浆加固机理。根据巷道围岩不同的力学状态,分别采用了C-M屈服准则、D-P屈服准则,得出了连续“双壳”支护下,巷道围岩破裂区、塑性区、弹性区应力变化规律,破裂区、塑性区半径,破裂区、塑性区围岩位移,构建了连续“双壳”支护模型。(5)设计了连续“双壳”支护相似材料实验,通过对比巷道底板采用连续“双壳”支护和普通支护方式,得出了连续“双壳”支护能够较好的控制巷道围岩稳定,其不仅能降低巷道底鼓量,还能够与巷道顶板和两帮支护体起到协同支护作用,降低巷道顶板和两帮的位移量。(6)设计了不同埋深下连续“双壳”支护不同壳体参数相似材料实验和数值模拟实验,得出了在不同深浅壳体总厚度相同浅部壳体厚度、不同浅部壳体厚度相同深浅壳体总厚度下巷道围岩变形规律,得出在采用连续“双壳”支护时,应首先确定出连续“双壳”支护总厚度,然后再选择出合理的浅部壳体厚度,从而更好的提升连续“双壳”支护的合理性。

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