動(dòng)壓影響底板巷道大變形力學(xué)機(jī)理及圍巖控制技術(shù)研究.pdf

1、淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦二水平主要開(kāi)拓和準(zhǔn)備巷道不受采動(dòng)影響時(shí),巷道維護(hù)狀況良好,但在受到煤層開(kāi)采的擾動(dòng)時(shí),變形強(qiáng)烈,不但巷道受影響的超前距離長(zhǎng),而且影響程度也大,巷道的變形和破壞極為嚴(yán)重,幾乎所有底板巷道都要經(jīng)過(guò)多次翻修,造成巷道維護(hù)困難,嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)秩序。
　　本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的綜合研究方法,系統(tǒng)分析了動(dòng)壓影響底板巷道圍巖大變形力學(xué)機(jī)理、采場(chǎng)底板應(yīng)力分布規(guī)律及底板破壞深度、動(dòng)壓影響底

2、板巷道圍巖變形破壞規(guī)律,以及不同支護(hù)方式下動(dòng)壓影響底板巷道圍巖穩(wěn)定性時(shí)空演化規(guī)律。主要研究成果如下:
　　(1)通過(guò)引入巖體強(qiáng)度軟化模量,建立靜、動(dòng)壓條件下考慮應(yīng)變軟化條件時(shí)圓形巷道圍巖彈塑性力學(xué)分析模型。然后推導(dǎo)出靜、動(dòng)壓條件下的巷道圍巖破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)三區(qū)應(yīng)力、位移新解。新解算例表明,應(yīng)變軟化模量對(duì)圍巖“三區(qū)”范圍影響顯著,能夠更為客觀地反映靜、動(dòng)壓條件下巷道圍巖強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)黾佣档偷奶匦?。若巖石力學(xué)參數(shù)選擇合理,則從理

3、論上可以得到更為合理的解析解。通過(guò)提高破裂區(qū)巖體殘余強(qiáng)度,可以有效控制破裂區(qū)半徑,并可以作為今后動(dòng)、靜壓巷道布置、支護(hù)設(shè)計(jì)施工的有效依據(jù)。
　　(2)通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn),得到蘆嶺礦Ⅱ82采區(qū)石門(mén)砂巖巖塊的單軸抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度。通過(guò)分析采動(dòng)巖體的力學(xué)特性和運(yùn)用roclab軟件對(duì)采動(dòng)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)X射線衍射實(shí)驗(yàn)可知:該巷道圍巖所含膨脹性巖石組份極少,基本可以排除物化膨脹型的變型力學(xué)機(jī)制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知:該巷道附近沒(méi)有斷

4、層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造,巖層結(jié)構(gòu)較好,沒(méi)有特別軟弱的夾層,層理、節(jié)理也不發(fā)育,基本可以排除結(jié)構(gòu)變形型力學(xué)機(jī)制。認(rèn)為該巷道變形僅為單一的應(yīng)力擴(kuò)容型變型力學(xué)機(jī)制,屬于IID工程偏應(yīng)力型軟巖。
　　(3)基于圣維南原理,將采場(chǎng)底板支承壓力進(jìn)行線性簡(jiǎn)化,引入分區(qū)函數(shù)x,求得工作面走向底板支承壓力分布不同區(qū)域的集度q,并在此基礎(chǔ)上求得底板應(yīng)力分量sx、sy、txy的積分表達(dá)式,并據(jù)此分析底板走向支承壓力的分布規(guī)律。
　　(4)假設(shè)采動(dòng)應(yīng)力

5、場(chǎng)為彈性薄板中間矩形開(kāi)孔問(wèn)題,在基于Westergaad應(yīng)力函數(shù)的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力計(jì)算模型基礎(chǔ)上求解得到采場(chǎng)附近應(yīng)力場(chǎng)。從傳統(tǒng)的采場(chǎng)附近應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化公式求得:①平面應(yīng)力條件下采場(chǎng)邊緣主應(yīng)力值s1、s2、s3,邊界方程r、采場(chǎng)底板巖體最大破壞深度值h,并根據(jù)上述公式求得8＃煤開(kāi)采底板最大破壞深度hm;②平面應(yīng)變條件下采場(chǎng)邊緣主應(yīng)力值s1、s2、s3',邊界方程r'、采場(chǎng)底板巖體最大破壞深度值h',并根據(jù)上述公式求得8＃煤開(kāi)采底板最大破壞深度h'

6、m。
　　(5)提出一種“大、小塑性區(qū)”條件下留設(shè)底板巷道合理位置的計(jì)算公式:
　　該公式即考慮采場(chǎng)底板塑性區(qū)范圍又考慮動(dòng)壓影響底板巷道塑性區(qū)半徑。據(jù)此,求得II82采區(qū)石門(mén)理論位置為距采場(chǎng)底板38.66m。
　　(6)通過(guò)數(shù)值模擬分析得到巷道圍巖內(nèi)部大變形活動(dòng)規(guī)律:該類巷道先后受到工作面超前支承壓力和工作面后方老頂破斷、回轉(zhuǎn)的影響,巷道圍巖不同部位、不同深度均產(chǎn)生極不均勻變形,該極不均勻變形極易導(dǎo)致U型棚或一次錨網(wǎng)承

7、載結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn),由“弱結(jié)構(gòu)”部位繼而引發(fā)整體結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。
　　(7)提出二次錨網(wǎng)索支護(hù)中結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)錨索作用機(jī)理為:針對(duì)單一錨桿支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的薄弱位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),可以提高原有支護(hù)方式中錨桿組合拱的厚度,改善了圍巖的自承載能力,大幅度增強(qiáng)了錨網(wǎng)索支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。
　　提出棚索耦合支護(hù)中結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)錨索作用機(jī)理為:針對(duì)棚式支護(hù)被動(dòng)承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),大幅提高了U型棚幫部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力,既充分利用U型