深部巷道复合围岩变形特性与耦合控制技术研究

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深部巷道复合围岩是由各薄岩层构成的复合岩体,由于围岩赋存条件和应力环境的复杂性,普通的锚喷支护很容易失效,巷道难以维护。本论文围绕深部巷道复合围岩的变形破坏演化过程和特性,并以安徽省淮南市朱集西煤矿深部工程为背景,综合运用理论分析、数值模拟、相似材料模型试验等手段,对深部巷道复合围岩变形特性与耦合控制技术进行了系统的研究,以揭示深部巷道矿压显现规律及复合围岩的稳定性演化规律,分析研究深部巷道复合围岩变形破坏特点与变形破坏机理,最终提出相应的巷道耦合控制技术与对策。论文获得了以下主要研究成果:(1)通过实验室岩样试验确定了朱集西矿岩体的物理力学基本参数,为数值模拟和相似模型试验研究提供了数据参考。(2)根据单因素试验方法,通过对深部巷道复合围岩的变形破坏规律和特性的数值模拟,分析得出了埋深、侧压力系数和岩体弱化条件对巷道复合围岩变形破坏的影响。结果表明,巷道埋深水平的增加对巷道围岩的变形量和围岩破坏深度的影响较大;围岩的破坏形式的变化受垂直于巷道走向的水平应力与垂直应力的比值的影响较大;岩体弱化条件对巷道的破坏深度和变形量影响均较大。(3)提取不同计算平衡步下的巷道围岩变形破坏应力、应变和塑性破坏区分布,分析得到深部巷道复合围岩在无支护作用下的围岩破裂发展的基本规律和变形特性,也为耦合控制方案的提出提供了依据。(4)对深部复合围岩在不同支护参数下围岩变形破坏的数值模拟,分析得出不同支护参数下的支护结构对围岩的控制作用特点;在耦合控制理论和数值模拟的基础上结合支护参数公式计算,提出了深部巷道复合围岩的耦合控制技术方案,即方案一:预留变形+锚网喷初次支护+全断面高强度格栅拱架混凝土结构与预应力锚索二次支护+二次注浆加固,方案二:预留变形+锚网喷初次支护+U型钢支架与预应力锚索二次支护+二次注浆加固,以保证深部巷道围岩的稳定。(5)针对深部巷道复合围岩耦合控制技术方案,采用数值模拟的方法研究其变形和受力特点,并利用实验室相似材料模型试验对方案二进行试验模拟,通过对数值模拟和形似材料模型试验结果的分析,得出了围岩在支护方案下的塑性破坏区范围明显变小,应力集中程度减小,围岩表面收敛变形减小,分析证明耦合控制方案能明显改善围岩状态,维持巷道的长期稳定。
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