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软岩巷道围岩破裂特征及注浆支护研究

【摘要】:我国西部煤矿开采过程中经常遇到强度低、胶结差、遇水泥化的软岩,导致锚固支护方式不能长期有效维持巷道稳定,巷道变形破坏严重。开展软岩巷道围岩变形破裂机理及注浆支护研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文以鄂尔多斯红庆梁煤矿为工程背景,采用理论分析、数值模拟、室内试验及现场工程相结合的方法,进行系统地研究,主要工作如下:首先,对巷道顶板煤、砂质泥岩进行物理力学特性测试,得到煤的强度大于砂质泥岩,后者软岩特征明显,平均单轴抗压强度小于20MPa,并分析加载过程中砂质泥岩层理对其强度及变形破坏影响规律;进行砂质泥岩物性成分分析及水理试验,研究了水对砂质泥岩强度的弱化效应,总结其破裂特征。其次,探测了巷道变形破坏特征,顶板岩层层理、裂隙发育破坏范围大,顶板破裂、下沉剧烈、破裂严重,煤壁极易发生片帮、内挤显著,顶板锚杆(索)锚固力不足,巷帮支护结构损坏严重。借助FLAC数值模拟软件,对巷道开挖宽度、水平应力大小及岩层层理对巷道稳定性的影响进行分析,随着巷道宽度的增加,顶板岩层塑性区向两侧及深部扩展;随着水平应力的增大,巷帮围岩塑性区减小,并向巷道顶底板转移;砂质泥岩层理对其强度及变形破坏有较大影响,通过数值模拟降低层理间粘结强度,顶板岩层塑性区在水平和竖直方向均显著增加。最后,根据巷道围岩破坏机理提出注浆加固方案,室内试验结果表明,水泥浆、水玻璃-水泥浆液基本性能受水灰比、体积比等配比方式的影响很大,浆液固结体内聚力、内摩擦角等强度参数较砂质泥岩有20%-30%的提高,浆液固结体破坏以结石体与岩块交界面及浆液结石体骨架破坏为主。数值模拟结果表明,对巷道顶板岩层进行注浆加固,顶板注浆岩层区域宽度应大于巷道宽度的1.4倍;水平应力较小情况下,通过增加注浆岩层宽度可提高巷道围岩控制效果;较高水平应力情况下,注浆区域高度提升至6m、提高强度可取得良好控制效果。通过注浆有效提高了锚固支护性能,巷道顶底板移近量较未注浆区段减少超过50%,支护效果良好。

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