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泥质岩体微观分子位态变化引发巷道失稳机理研究

高凯  
【摘要】:中国煤矿每年新掘井巷工程量约25000 km,巷道顶板长期安全保障尤为重要,统计两淮等矿区40余个矿井28起冒顶事故,泥质巷道顶板锚固失稳垮冒比例达46.4%,多发生在断层、破碎带、软弱夹层、水化泥岩等特殊条件,当岩层吸水泥化,煤岩层完整程度受到损伤时,围岩强度随时间出现显著衰减,巷道维护难度剧增,泥质巷道锚固失稳致灾机理、关键影响因素分析与安全控制成为煤矿井巷支护棘手难题之一。本文以淮北矿区涡北煤矿8106机巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟、实验室实验和现场观测相结合的方法,建立了泥岩变形的力学特性及其本构方程;分析了8106机巷泥岩的主要粘土成分类型及浸水之后微观结构变化特征;进行了高岭石泥岩颗粒表面水化作用的分子动力学模拟;并在现场进行了预注浆等围岩强化工作,有效控制巷道变形。得到如下主要结论:(1)阐明了泥岩的基本物理力学性质,并且根据实验和8106机巷等现场的具体情况,进行泥岩含水量变化的实验,归纳出泥岩的内聚力C、内摩擦角φ与含水量W的关系。通过运用弹塑性理论、弹粘性理论建立了一个本构方程以用来反映泥岩出现非线性体积应变的本质关系。(2)针对泥质裂隙岩体水化过程中微观结构(包括胶结、颗粒、孔隙等)的演变特征,分别进行了不同岩样的浸水-风干实验、不同岩样不同含水状态下的SEM观测实验,从微观角度分析了泥岩浸水条件下的典型结构变化特征。(3)运用Material Studios(MS)软件进行了高岭石颗粒表面水化作用的分子动力学模拟,分析了高岭石泥岩遇水与典型以蒙脱石为代表的泥岩遇水泥化的作用机理,得出了高岭石等粘粒遇到水时,虽然晶胞之间不允许进入水分子,但其粘粒表面具有游离价原子和离子,这些原子或离子具有静电引力,在粘土表面形成静电引力场。同时,水分子是偶极体,一端为正电荷,一端带负电荷,可被静电引力所吸引,得到粘粒表面附近的水分子紧密地、整齐地排列起来的结论。(4)在淮北矿区涡北煤矿8106机巷开展了渗水泥化巷道治理的验证研究和工业性试验,巷道维控效果良好,表明控制技术选用得当,有效保障了巷道的后期使用,取得了良好的经济与社会效益。


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