动压影响下临近巷道特别是垂向近距离动压影响下巷道围岩稳定控制的难度显得愈发突出。垂向近距离大动压影响下,深部巷道围岩常表现出软弱流变特性,加剧了围岩变形、断面收缩、支护结构失效等现象的发展。反复强烈的采动应力引起近距离巷道围岩塑性区范围内应力集中,岩体应力场将发生甚至多次发生应力重新分布,致使围岩变形破坏机理更为复杂。本文以对垂向近距离动压影响下底板巷道变形有效控制、最大限度降低维护成本、保障动压巷道安全使用等为研究出发点,以顾北煤矿上覆垂距68m工作面回采动压影响下-575m底板轨道大巷为工程背景,在充分现场探测调研的基础上,深入研究垂向近距离大动压影响下围岩的变形机理,采用现场测试、实验室检测、理论分析、数值计算、模型实验和工业现场试验等方法,对垂向动压影响巷道变形力学支护机理进行深入研究,揭示了垂向近距离大动压巷道变形破坏的局部弱支护影响,提出局部加强支护思想。研究的主要内容和成果如下:(1)收集工作面回采动压影响下-575m底板轨道大巷围岩所处工程背景,通过对测站对巷道围岩应力及变形规律进行监测分析,同时开展地应力测试,采用地质雷达和钻孔窥视技术对动压岩体的损伤演化进行探测分析;依据测试判定巷道所处地应力水平、巷道围岩松动圈及采动影响范围。(2)通过现场取样对动压巷道岩样的静态力学参数和冲击力学性能进行了室内试验,同时对岩样的微观结构、内在成分进行了测试;根据测试结果判定岩石成分、内部构造情况及围岩受力后破碎损伤参数。(3)将取样砂岩进行水干湿循环处理,进行一系列单轴抗压试验和多级加载蠕变试验,研究其单轴力学强度变化规律。开展单轴蠕变试验,研究轴向蠕变应变及瞬时蠕变速率规律,对破坏阶段试件的蠕变参数和破坏形态进行探讨,借助SEM对不同干湿循环次数下的红砂岩微观结构演变进行了观察和分析,探寻动压影响砂岩在干湿条件的强度损伤演化规律。(4)基于垂向近距离动压巷道力学模型,给出基本方程和采场底板应力解析表达式,并结合工程现场,研究垂向近距离大动压影响下巷道变形的内在机理,分析了垂向动压影响下围岩软弱流变、围岩塑性区发展变化、支护欠缺、动压力学环境等对巷道变形的影响。(5)基于动压巷道均匀支护力学效应,结合三维应力分析,提出动压巷道弱支护效应下底板弱支护区域弹塑性半径变大,是底臌及围岩变形的诱因。巷道局部加强支护力学效应分析发现,对巷道弱支护部位进行局部加强支护,强支护抗力及作用范围越大,巷道底板和两帮处的切向应力减小就越明显,有助于保证巷道的稳定,但也要考虑经济可行性。(6)构建空间网架计算理论模型,简化为铰支短柱薄壳体结构,推导出理论壳体的应力解析解表达式。(7)基于正交试验设计,应用弧长法计算16组空间网架模型,并通过极差分析、灰色关联度分析,得出钢筋网架的最优模型设计参数。(8)开展空间网架模型试验研究,得出承载力极限荷载为1388KN,破坏形式为剪压破坏。试验发现,模型结构径向位移较小,极限荷载下空间网架的主次弧筋均进入屈服状态,混凝土达到极限强度,表明了网架结构受力良好并能将荷载分解到空间布置的短钢筋单元,材料强度得到充分发挥。(9)数值模拟计算表明,空间网架锚喷支护垂向近距离动压影响巷道,围岩收敛变形和应力都较小,网架结构受力均匀且处于安全状态,能够消减动压巷道围岩应力集中,改善围岩应力分布,减小围岩变形。(10)在总结模型试验、数值计算、理论分析结论的基础上,对垂向近距离动压巷道空间网架锚喷支护结构进行优化,开展工业性试验,表明该结构具有主动支护的优点,为围岩提供较大支护阻力并具有较好的径向可缩性,符合软岩动压巷道支护的基本要求。跟踪监测表明,空间网架锚喷结构与围岩相互作用协调工作,充分发挥了材料的力学性能,深部垂向近距离动压巷道围岩变形量较小、钢筋受力均匀处于安全状态,工业性试验段效果良好。本文深入分析了深部垂向近距离大动压影响下巷道围岩变形力学演化机理,基于动压巷道弱支护力学效应分析,提出针对弱支护部位进行局部加强支护的思想。通过优化空间网架参数,开展模型试验和数值模拟研究,设计出适用于深部垂向动压巷道的空间网架锚喷支护结构。该研究成果具有一定的学术意义,而且对于类似工程还具有一定的借鉴意义。图[128]表[34]参[158]