深部高应力软岩大断面巷道失稳机制与稳定性控制研究

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地下矿山深部高应力软岩大断面巷道安全隐患凸显。本文以锦丰金矿为工程背景,开展深部高应力软岩大断面巷道失稳机制与稳定性控制研究,具有重要的理论和实际意义。本文综合运用实地调查、物理实验、数值模拟、理论分析和现场监测等研究方法,分析了高应力软岩宏观物理特性与微观破裂机理,探讨了深部高应力大断面软岩巷道失稳机制,为巷道支护提供了依据。主要结论如下:(1)使用套孔应力解除法,测得地应力的最大主应力值为21.1 MPa,研究表明地应力值随深度增加而线性增加。锦丰金矿巷道围岩RQD值,主要分布于20%~45%之间,岩石评级为“坏”。通过绘制结构面极点图与施密特等密图,统计得出围岩结构面密集,且存在两组体积数(密度)为9.2条/m~3的优势结构面。(2)选取典型试样进行三轴压缩和电镜扫描试验,研究了含层理砂岩的宏观破坏力学特性和微观破裂面特征,实验得出岩样峰值强度随层理倾角增大呈“勺”形变化。随着围压增加,结构面的影响减小。在无侧压条件下,0°和90°试样发生显著的拉破坏,矿物表面会发生损伤,裂隙以孔隙为中心向四周拓展。30°和60°试样拉破坏和剪破坏均显著发生,矿物表面或软弱部位发生损伤,裂纹主要在矿物周围形成;在高侧压条件下,0°、30°、60°和90°试样,发生显著的剪破坏,破裂面出现滑移凹槽,存在大量碎屑,微裂纹分布多而杂乱,矿物表面和内部同时发生损伤。(3)综合考虑岩体结构面等因素,对围岩力学参数进行折减。使用FLAC3D研究了不同埋深、侧压力系数和三心拱断面规格的应力场、位移场和塑性区特征。研究表明,在巷道埋超过600 m时,塑性区体积增速加快,当埋深超过900 m巷道顶板应力出现多次应力集中现象。侧压力系数的增大会增加顶板最大应力值,两帮应力集中区发生大面积横向拓展,围岩破坏模式较为单一,具有规律性。巷道断面规格对顶板应力集中区范围影响大,随着断面面积增大,巷道从局部易失稳逐渐转变为全面失稳,在巷道断面规格为7 m×7 m时,塑性区体积增速最快。(4)以150E巷道为工程背景,通过现场情况和组合拱理论,确定适合深部高应力大断面软岩巷道的支护参数,提出了“补强锚杆+挂网+增加喷浆厚度”的优化支护方法。通过数值模拟表明,优化支护能够充分利用深部围岩承担巷道应力,提高围岩的承载力,优化支护后围岩的最大变形量是原始支护最大变形量的57%,优化支护后,围岩塑性区体积由1039.45 m~3减少至154.42 m~3。现场监测显示,优化支护后,顶板下沉量减少了50%,帮部收敛量减少了41%,变形量与数值模拟结果相近,说明了数值模拟结果的准确性并且证明了优化支护对深部高应力软岩大断面巷道的稳定性具有良好的控制作用。
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