多次爆破荷载下巷道围岩松动圈的扩展规律

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在煤矿巷道掘进工程中,高效经济的钻爆法在创造了巨大价值的同时,也容易引发诸如巷道失稳等一系列灾害问题。目前,通过研究爆破荷载下巷道围岩松动圈演化规律,并根据松动圈支护理论支护巷道,是解决爆破施工过程中巷道稳定性问题的有效手段之一。因此,本文基于松动圈支护理论,采用理论计算、室内试验、数值模拟与工程实测的研究手段,分析多次爆破荷载条件下巷道围岩松动圈的扩展规律,为爆破技术与巷道支护提供一定的理论基础与工程经验。本文基于霍克布朗强度准则与弹塑性理论,从扰动参数与围岩强度两个方面进行分析,在宏观上介绍了工程参数的取值与计算,在细观上补充了围岩强度“提前”弱化作用,同时在以往爆破掘进面前部塑性区的研究基础上,利用室内三轴加载试验与细观观测试验,得到了砂岩塑性变形与细观损伤因子关系,初步认为爆破掘进面前部塑性区为围岩强度“提前”弱化区,而后基于清远隧道爆破掘进工程,利用地质雷达对隧道掌子面前部围岩进行了探测实验,得到了掌子面前部围岩损伤范围,进一步确定爆破掘进面前部围岩强度“提前”弱化区的存在,并补充了考虑细观损伤的松动圈半径理论计算式及工程应用。为了得到多次爆破条件下巷道围岩松动圈的扩展规律,本文以宝源煤矿管子道爆破掘进工程为工程背景,利用3DEC与LS-DYNA程序进行了巷道爆破掘进的数值模拟,并采用瞬变电磁仪进行了现场实测,通过对数值模拟与工程实测数据的统计分析,得到了多次爆破荷载条件下松动圈的扩展规律。研究表明:多次爆破荷载条件下巷道围岩松动圈的扩展可分为两个阶段——成形阶段、扩展阶段,其中松动圈主要形成于成形阶段;在扩展阶段,巷道围岩受多次爆破影响,松动圈范围会进一步增长(增长率为2%-10%)。多次爆破荷载条件下巷道围岩松动圈范围具有各向异性,在成形阶段,巷道两帮松动圈范围较大,巷道顶底板松动圈范围较小;在扩展阶段,巷道两帮松动圈范围增长较小(2%-3%),受爆破荷载影响的范围较小(2-3倍进尺),巷道顶底板松动圈范围增长较大(4%-10%),受爆破荷载影响的范围较大(3倍进尺)。采用瞬变电磁仪探测宝源煤矿管子巷左右帮、顶底板发现,受爆破作用影响,巷道顶板松动圈范围由1.04 m逐步稳定至1.11 m(增长了6.7%),巷道底板松动圈范围由1.07 m逐步稳定至1.12 m(增长了4.6%),巷道左帮松动圈范围由1.15 m逐步稳定至1.17 m(增长了2.6%),巷道右帮松动圈范围由1.10 m逐步稳定至1.13 m(增长了2.7%)。基于研究结论与松动圈支护理论,优化了宝源煤矿管子道支护设计参数,且优化支护方案后巷道围岩的稳定性较好。
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