弱胶结软岩地层马头门的稳定性分析及支护技术研究

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马头门位于煤矿井筒和井底车场巷道的连接处,肩负着材料设备的上下、矸石的排出、人员的升降以及通风等重要职能,是煤矿的咽喉要道。马头门只有合理支护和长期稳定,煤矿的建设和生产才能正常运行。  内蒙古西部和宁夏东部的部分煤矿的巷道硐室开拓在弱胶结软岩地层,马头门大硐室出现了变形失控、破裂而不得不返修甚至整体翻修的情况。由于此类软岩中微小岩石颗粒之间的胶结方式主要为泥质胶结,如泥质粉砂岩、细粒砂岩等,故将其统称为弱胶结软岩。因此,本论文提出对弱胶结软岩地层中马头门的稳定性和支护技术进行研究。  对现场取样的岩石进行进行三轴抗压试验,得到弱胶结软岩不同围压下的峰值和残余强度,根据莫尔库伦强度准则计算了峰值和残余阶段的粘聚力和内摩擦角,提出粘聚力和内摩擦角在软化阶段随等效塑性剪应变线性变化而在残余阶段不再变化的假设;运用ftac3d软件进行三轴抗压的数值试验,计算得到的轴向应力应变曲线与试验曲线基本吻合,验证了该应变软化假设的正确性。  建立马头门工程的三维数值模型,按岩层组成情况对各层范围内单元赋予不同的材料性质,模型的初始应力根据地应力实测结果赋值,计算时使用所建立的应变软化本构模型,通过数值分析的方法研究了开挖后围岩的力学软化。同时,以综合研究方法分析了围岩的软化性:分析煤矿的水文资料,估计地下水的对马头门工程的影响;通过试验测定饱和软岩的软化系数;通过矿物成分分析了解亲水性粘土矿物的含量;分析常规支护富水软岩巷道表面收敛特征,了解防治水在弱胶结软岩工程中的重要性。  以提高马头门的稳定性为原则,选择和组合各支护技术,形成合理有效的弱胶结软岩地层中马头门支护技术。以麦垛山煤矿副井主水平的马头门工程为例,对原支护方案进行优化并提出新方案,在施工前进行支护的数值分析,施工中监测马头门表面位移,数值分析结果与监测数据基本一致,新方案实施后取得了良好的工程效果。麦垛山煤矿马头门的支护技术研究对类似弱胶结软岩地层中的工程有较大的参考价值。
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