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高应力大变形软岩巷道复合支护技术研究与应用

【摘要】:软岩巷道的支护问题乃是世界地下工程一项重要而复杂的工程难题,地质条件日趋复杂,高地应力、高地温、高渗透压以及强扰动影响加剧了软岩巷道的支护难度,巷道长期处于“三高一低”的窘境:支护成本高、支护难度高、围岩变形程度高、安全程度低,多数巷道需多次返修、多次扩刷、多次支护,尚不能有效控制围岩变形,保持巷道的稳定。近几年,软岩巷道的支护技术及支护理论虽取得了实质性的突破,但仍存在不足之处,这些不足之处阻碍着软岩巷道支护技术的发展。目前,现有高应力软岩巷道支护技术仍不能满足不同地质条件、不同应力、不同水理环境等条件下巷道围岩稳定性的控制,还处于探索、实践之中。因此,迫切需要开展新的软岩巷道支护基础理论的研究,在新的基础理论研究指导下,使软岩巷道的支护技术有新的突破和发展,以此来控制高应力、大变形的软岩巷道,使煤矿能够安全高效的开采。本文以贵州土城煤矿141712运输上山为工程背景,参考国内外相关文献,现场调研高应力软岩巷道的变形破坏特征,分析软岩巷道的变形破坏机理,提出了“三壳”支护理论,阐述了灌浆支护技术,揭示了“三壳”支护作用原理。基于此,采用FLAC~(3D)数值模拟模拟不同的支护方案,通过不同的应力、位移、塑性区等分布特征,筛选出最有的支护方案,最终将支护方案成功应用,通过现场的监测,支护效果良好,具体得出以下结论:1、阐述了软岩的定义、分类、力学特性及力学属性;系统分析软岩巷道的变形破坏特征,其变形破坏特点主要有:两帮内挤、顶板下沉、锚杆锚索失效、金属网网兜撕裂、底鼓严重、断面收敛严重、泥化现象明显、非对称性变形等特征;基于此分析了软岩巷道的变形破坏机理,主要从:围岩岩性、地质条件、支护构件、水理作用及其他等方面进行分析。最后,系统阐明了软岩巷道的支护原则。2、提出了“三壳”支护概念;分析灌浆支护技术原理,从浆液的网络骨架、灌浆缩小松动圈范围、灌浆可阻水强化围岩等三个方面进行分析;在灌浆支护技术的基础上分析“三壳”支护的作用原理。主要原理在于:可避免出现支护薄弱环节、可提高围岩主动承载性能、可维持巷道围岩完整性、支护方式属于二次支护、支护可进行适度让压、可阻止水的侵蚀作用等。同时建立了“三壳”支护结构力学分析模型,推导出“三壳”的极限承载能力计算公式;其次建立“三壳”支护结构计算模型,推导出“三壳”弹性区、塑性区、破碎区应力及位移求解公式。3、介绍了FLAC~(3D)数值模拟软件,阐述了数值模型的建立原则,根据现场的调研及地质资料建立了三维地质模型。同时根据现场调研分析,设计了三种支护方案进行模拟对比分析;数值模拟分析结果表明:锚杆索+灌浆+U型钢支护方案最优;同时得出,支护断面的选择现场可根据不同的地质情况和巷道的服务类型选择不同的巷道断面形状。对于巷道变形破坏严重,断面尺寸较大的选择圆形巷道断面、断面要求不大,但底鼓变形严重的选择马蹄形巷道断面、顶板下沉、两帮内挤较为严重,但底鼓量较小时选择半圆拱巷道断面。4、以贵州土城煤矿141712运输上山为工程背景,根据现场的实际地质条件、现场勘查和理论分析,确定该巷道的支护方案为杆锚索+灌浆+U型钢的联合支护方案以及巷道断面形状采用半圆拱形,详细的介绍了巷道围岩变形监测的目的、监测原则、以及YJDM3.6矿用激光巷道断面检测仪的检测原理,对141712运输上山巷道的顶板、两帮以及底板的变形破坏数据进行现场监测、记录和整理。监测结果表明:道支护完成后围岩变形主要分为三个阶段:急剧增长变形阶段、缓慢增长变形阶段以及趋于稳定阶段等三个阶段,最终顶板最终变形量69.22mm,底鼓量64.11mm,两帮移近量72.45mm,灌浆支护技术提高了围岩自身的主动承载性能,有效的控制了巷道围岩的失稳变形。

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