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深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究

李伟  
【摘要】:随着开采深度的增加,深部巷道围岩稳定性的安全控制问题显得越来越突出,探索正确的围岩安全控制理论成为一个急需解决的问题。为此,本文根据国内外研究现状和新汶矿区协庄煤矿的地质条件,基于对深部巷道围岩变形破坏机理的分析,从理论上对深部巷道初期稳定和长期稳定机理进行了研究,确定了合理的一次和二次支护参数,并将研究成果成功应用到工程实践。 针对深部巷道初期变形剧烈、长期流变的特点,通过对试块峰后体积应变实验以及试块峰值前后流变实验的分析,提出了深部巷道围岩安全控制的两个主要方面:一是控制高应力作用下围岩的碎胀变形,一次锚杆支护控制的对象就是围岩进入峰后破裂状态时的碎胀变形;二是控制峰后围岩的长期流变,该流变特性直接影响深部巷道能否长期稳定。 基于对深部巷道一次支护目的及控制对象的分析,提出应用锚杆支护围岩强度强化理论作为分析深部巷道锚杆支护作用的理论基础,并通过建立和分析深部巷道一次支护的弹塑性力学模型,提出了深部巷道初期稳定机理:控制围岩塑性区的发展,即支护强度要满足初期稳定需要的支护强度,最大限度地保持围岩的完整性、减小围岩强度的降低,限制峰后围岩的碎胀大变形。 峰后围岩的应力松弛及其导致的持续蠕变和加速蠕变,是深部巷道长期流变甚至破坏的主要原因,针对这一原因建立了深部巷道的粘弹塑性应力松弛力学模型。应用该模型分析了锚杆支护对深部巷道稳定的作用,并提出了深部巷道的长期稳定条件:锚杆支护在锚固区外边界r=Rm处提供的径向稳定应力σr mn(t=∞)大于此处围岩稳定时所需的径向应力σr pn(t=∞)时,非稳定区内围岩的蠕变将会停止,巷道可处于长期稳定状态;反之,非稳定区内围岩将持续蠕变,并导致非稳定区域不断增大,巷道最终不能够稳定。 采用FLAC数值计算软件,研究确定了深部巷道合理的二次支护时机、锚杆支护参数及注浆加固半径,并通过理论与数值计算结果的对比分析,验证了深部巷道初期和长期稳定力学模型的准确性。 论文采用理论与数值分析得到的一次、二次锚杆支护以及注浆加固参数,能够安全控制深部巷道的长期变形,施工效果良好,围岩蠕变基本停止,巷道能够保持长期稳定。


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