极破碎大变形煤岩体巷道变形机理及支护研究

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目前,复杂条件下的软岩巷道稳定性控制已成为当今地下巷道工程中最为复杂的难题,严重制约着矿井开采的高产、高效、低耗及安全生产水平,阻碍着矿井开采的健康可持续发展。在我国煤矿的地下开采过程中,存在大量的软岩巷道,其围岩赋存的地质条件较为复杂,特别是极破碎软弱煤岩体巷道,其围岩岩性结构、水理特性及应力分布环境等复杂多变,导致该类巷道破坏机制存在多样性,且以往针对于煤岩体巷道的围岩破坏机理与支护控制理论研究的条件和侧重点都不尽相同。因此,针对特定地质条件下的极破碎大变形煤岩体巷道进行围岩变形破坏力学机理及其支护技术进行研究,对维护该类巷道的围岩稳定性控制具有重要的理论意义和现场实用价值。论文以贵州木孔煤矿11301综采工作面运输顺槽为工程背景,以国家自然科学基金项目(51574122)为依托,根据其围岩赋存特点,系统地分析得出了围岩变形破坏特征及其力学失稳机理,采用现场调查、实验室试验、理论分析、数值模拟以及现场工程试验相结合的研究方法开展研究,提出了能有效维护该类巷道稳定的控制性对策及最优支护方案。对此,本文主要在以下方面进行了研究:(1)通过现场调查和实测,调取了矿井地质资料、11301综采工作面运输顺槽围岩岩层柱状图及其断面支护形式及参数,跟踪调查了原支护断面的巷道围岩变形破坏特点、支护结构破坏情况及现场探测巷道围岩内部裂隙发育状况,总结得出巷道围岩的破坏特征和围岩体破碎情况。(2)针对11301综采工作面运输顺槽围岩体进行了X衍射试验、点载荷强度试验和岩石崩解性试验等一系列基础性实验,分别探明了围岩内部结构裂隙发育情况、围岩矿物成份、围岩体力学强度和水理特性,为巷道支护方案的确定奠定了理论基础。(3)通过综合分析影响巷道围岩变形破坏的各个因素,建立了顶板、两帮力学失稳模型,并结合底板严重的底臌现象,得出了原支护结构下巷道围岩力学失稳机理、围岩失稳判定条件及底板底鼓量估算表达式。(4)基于破碎极不稳定巷道围岩的控制对策和“叠加压缩拱”理论,提出了以“长、短锚索”为主体的联合支护方案,运用正交试验法通过FLAC 3D数值计算得出不同组合情况的支护效果,并有针对性地分析对比在最差支护方案和最优支护方案条件下巷道围岩变形收敛量、位移变化情况及围岩应力分布情况等,并最终得出结论。(5)根据试验巷道11202风巷的实际情况,利用数值优化确定的最佳支护方案情况,得出了该巷道的断面支护方案及支护参数,并对支护断面进行了为期6个月的巷道围岩表面收敛及锚索的受力情况监测,根据监测数据结果,验证并评价其支护效果。
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