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深部巷道围岩破裂演化过程及其控制机理研究与应用

陈坤福  
【摘要】: 随着煤炭开采向深部发展,解决深部特殊环境下的巷道稳定问题及减少开采中的灾变事故成为当前面临的主要任务。针对深部工程的复杂性,现有的深部巷道围岩非线性破坏机理相关研究尚不成熟,缺乏对围岩破坏过程的应力、变形等非线性演化规律相关研究。 本文结合国家自然科学基金重点项目子课题“深部采动覆岩移动规律与巷道稳定性控制研究”(50490273)与面上项目“深部巷道围岩变形、破坏全过程及其稳定控制机理”(50674083),以平煤集团四矿千米埋深的巷道为工程背景,采用大尺度三维模拟试验、原位测试和数值模拟,对深部巷道围岩破坏过程中的应力、变形演化规律和破坏机制进行了探讨,同时对支护结构作用和承载结构形成机理进行了分析,在此基础上,提出了深部高应力巷道破裂岩体的过程控制机理与技术。主要研究内容及结论如下: (1)研制了大尺度三维地下综合模型试验台(1.02m×1.02m×1.02m),并通过设计的单元应变计获得了深部巷道开挖后围岩应力重分布规律及变形情况。模拟结果发现,开挖过程中应力大小有一个非线性的变化过程。 (2)三维模拟试验研究发现深部高应力巷道普遍处于破裂状态,且在一定条件下出现与浅部巷道破坏机理显著不同的特点,即巷道围岩出现新的分区破裂特征。试验结果表明,高应力巷道围岩开挖卸载过程中,围岩应力急剧调整且出现主应力轴轮换现象,并发现-0 .2μ_σ0.1时出现了局部剪切带,而μ_σ→-1时则出现了明显的分区破裂现象。 (3)采用能量分析方法获得了分区破裂产生的条件,并对压剪和拉剪两种情况下裂缝的发展进行了分析,提出分区破裂是压剪和拉剪破坏共同作用的结果。认为主应力大小的变化是裂缝扩展的主要原因,主应力方向的变化决定了形成环形裂缝的可能,高地应力则是形成分区破裂的前提条件。 (4)物理模拟发现:现有的支护形式无法阻止高地应力的释放和围岩的破坏,其支护作用机理主要体现为改善围岩应力状态、遏制碎胀变形的发展、降低围岩破碎程度和提高破裂岩体力学性能等。同时,数值模拟试验结果表明,及时有效将围岩变形控制在“软化变形”阶段,使围岩破裂过程中粘聚力下降不超过50%;或采取加固措施能将破裂围岩残余强度提高到原来的30%以上,将能有效减小变形量,并有利于围岩的二次稳定。 (5)根据深部巷道破裂演化过程中的应力、变形规律及分区破裂特征,研究了深部巷道“应力状态恢复改善、围岩强度固结修复、分步联合整体抵抗”的过程控制机理及适应深部巷道变形特征的“三锚”耦合动态叠加支护技术,以实现对围岩应力的释放和变形破坏的控制。 (6)根据研究结论,对平顶山四矿埋深1100m巷道设计了“三锚”+ U型钢的支护方案,并进行了原位实测分析和工程应用。实测结果表明,应力变化规律和模拟研究结论基本一致,且通过锚杆受力分析发现受剪切滑移面的严重影响,锚杆中出现了极高的弯曲和剪切应力,使其极易断裂。另外,试验巷道变形监测结果表明,“三锚”耦合动态迭加支护有效地控制千米埋深巷道的变形和稳定,验证了论文研究结论的实用性和可靠性。


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