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中厚多软弱夹层复合顶板巷道围岩破坏机理及支护研究

王辉  
【摘要】:中厚多软弱夹层复合顶板软弱夹层数较多,同时软弱夹层较薄、节理裂隙较发育。该类顶板均质性差、完整性差、强度和刚度低,极易发生离层失稳。而顶板作为巷道围岩的一部分,如果发生了破坏,很容易会影响到巷道围岩其它各部分的稳定性,最终使巷道失去其功能。而目前的众多关于复合顶板巷道围岩的支护理论对于软弱夹层的研究涉及很少,如果针对多软弱夹层巷道的围岩控制完全引用前人的理论必然会带来一些盲目性和不合理性,甚至会产生一些安全隐患。为此,必须对含软弱夹层的复合顶板稳定特性作细致研究,弄清巷道围岩的变形机制和破坏机理,进而提出相应的巷道围岩支护理论与支护技术,从而为类似地质情况巷道的围岩控制提供了合理有效的依据。本论文在总结现有巷道支护理论与技术的基础上,针对典型的地质情况,采用数值模拟计算与力学理论推导计算相结合的方法,构建了巷道围岩变形的耦合作用模型,揭示了巷道围岩的变形机制,分析了软弱夹层分布特性、厚度、厚度比以及侧压系数和荷载对巷道围岩变形破坏的影响,并结合锚杆锚索耦合支护理论,得到了相应的围岩控制手段。同时,结合巷道围岩支护结构的力学分析,得到了支护参数的设计方法。主要结论如下:(1)从力学角度分析了软弱夹层对巷道顶板强度的影响,得出多软弱夹层复合顶板的结构面的强度效应:由于最大主应力平行于层理面方向,复合顶板岩体将发生垂直方向的侧向扩张变形,复合顶板失去垂直方向的侧向约束后,则顶板的强度主要受软弱夹层或夹层与坚硬层间的层理面抗拉强度的控制;(2)从结构力学的角度分析了多软弱夹层复合顶板的离层的条件为载荷条件和变形条件,而变形条件又包含弯曲变形条件和剪切错动变形条件;(3)对巷道围岩整体结构进行分析,建立了巷道围岩的力学模型,分析得出巷道两帮所受压力和侧向压力以及不同区间范围底板的挠度方程;同时根据巷道顶板、两帮、底板的变形特性,建立巷道的“复合双梁”耦合作用模型;(4)根据软弱夹层的分布特征对中厚多软弱夹层复合顶板进行分类,分别为:均匀分布型、上部集中型、中部集中型、下部集中型和渐进分布型五类。应用flac3d有限差分数值模拟软件,分析了软弱夹层分布特征、软弱夹层厚度、软弱夹层与坚硬岩层厚度比等围岩自身内部因素对巷道围岩稳定性的影响;同时,分析了侧压系数和围岩所受荷载等外部因素对巷道围岩变形破坏特征的影响。数值模拟结果表明:(1)垂直应力主要集中于巷道两帮,巷道水平应力在巷道底板和直接顶厚而坚硬的岩层中产生集中应力核,而软弱夹层处的水平应力较低;巷道围岩的最大位移量和围岩的塑性区分布范围,均以上部集中型、中部集中型、均匀分布型、渐进分布型和下部集中型的顺序逐渐增大;(2)不同的软弱夹层分布情况的复合顶板巷道的底板垂直变形随加载时间步变化的规律大致相同,随着加载的进行,巷道底板中部位置向上的垂直位移不断增大;巷道顶板的向下垂直位移在加载初期快速增大,后面逐渐趋于平稳;上部集中型巷道和中部集中型巷道的直接顶板垂直位移相对较小,顶板的离层不是太明显,而均匀分布型、下部集中型和渐进分布型巷道顶板离层明显;(3)巷道直接顶板中的软弱夹层越厚,软弱夹层与坚硬岩层的厚度比越大,且软弱夹层的层数越多,巷道断面的收缩量越大,巷道围岩的塑性区分布范围越广;(4)巷道围岩所受的荷载主要是影响巷道围岩破坏区范围的大小,而侧压系数主要影响巷道塑性区的分布状态;(5)根据中厚多软弱夹层复合顶板巷道围岩的变形失稳特性,建立了巷道围岩顶板拱—梁组合支护结构,巷帮厚锚固板支护结构,并分析了支护结构的强度,得出支护体的强度计算公式;(6)结合软弱夹层分布特征的差异对巷道顶板变形的影响,分别确定均匀分布型、上部集中型、中部集中型、下部集中型和渐进分布型巷道围岩的支护方式。根据悬吊理论、组合梁理论和纵横弯曲梁理论得出了巷道顶板锚杆和锚索的支护参数,同时利用厚锚固板理论得出巷道两帮的支护参数。


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