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富水巷道顶板强度弱化机理及其控制研究

姚强岭  
【摘要】:当煤矿巷道顶板围岩含水时,在开挖和服务期间,巷道顶板岩石吸水或失水过程中将会导致其强度和完整性显著弱化,严重时发生围岩大变形、甚至冒顶,严重影响矿井的安全生产。因此,开展富水巷道顶板强度弱化机理及其控制研究,具有重要的科学与工程意义。 论文在现场调查了富水巷道工程地质特征、变形破坏因素以及顶板强度弱化特征的基础上,提出了富水巷道的概念,并解释了其含义和特点。 针对典型的富水巷道顶板条件,对富水巷道顶板的岩层矿物组分、微结构特征,及其软弱岩层的物理性质弱化规律、不同含水状态下含水砂岩强度损伤特征,以及含水砂岩的分类进行了系统研究,发现富水巷道顶板岩层富含粘土矿物且粒间孔隙较为发育、连通性好,遇水后强度降低,这是富水巷道顶板围岩强度弱化的内在影响因素。并根据含水砂岩不同含水状态下的声发射特征,提出了富水巷道顶板稳定性预测预报的技术原理。 应用弹塑性理论的基本知识,对富水圆形巷道在无支护、锚杆支护下围岩塑性区半径和位移进行了理论研究,发现水作用下巷道塑性区半径及位移较无水状态下增大,并分析得到了富水巷道塑性区半径和位移与原岩应力、支护强度、原始渗透水压力、有效水压力系数以及内聚力之间的变化规律。现场钻孔探测与COMSOL3.5a多场耦合数值模拟相结合,详细研究了顶板强度弱化规律,发现水作用下富水巷道顶板裂隙在掘进稳定期间仍在扩展发育,且顶板下沉量随着岩石含水率增加而逐渐变大,从而揭示了富水巷道顶板强度弱化的基本原理和规律。 以富水巷道顶板遇水前后物理力学性质特征、直接顶岩性以及顶板水赋存层位为依据,建立了富水巷道顶板不同顶板条件下的分阶段控制技术体系;现场实测和数值模拟发现富水巷道顶板水赋存层位岩石裂隙较为发育且顶板水具有可控性的特点,提出了有控疏水、合理保水技术以减少顶板水对岩石侵蚀弱化作用和提高围岩自身强度的基本思路;利用FLAC模拟研究得到了富水巷道顶板锚杆支护主要技术参数。


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