城郊矿深部软岩巷道围岩损伤破坏机理及控制技术研究

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城郊煤矿二水平东翼轨道大巷所在岩层主要是泥岩与砂质泥岩等软弱岩层,该岩层强度低、破碎以及泥化比较严重,属极难维护的软岩巷道。巷道底臌量极大、围岩变形具有明显的时间效应,巷道底臌对外界扰动非常敏感,当巷道受到外界应力扰动时,底臌变形速度将急剧增长,严重制约了煤矿的安全生产。针对城郊矿二水平东翼轨道大巷的具体情况,运用理论分析、数值模拟和工业性试验等相结合的方法,研究了城郊矿二水平东翼轨道大巷损伤破坏机理,提出了相应的控制技术,并将研究成果应用于城郊矿。主要研究成果如下:1)城郊煤矿东翼轨道大巷具有明显的深部软岩特征:测试岩层岩性主要为泥岩、砂质泥岩等,围岩强度较低,其抗压强度、内聚力、内摩擦角均较小;岩石矿物成分测定表明,二水平东翼轨道大巷围岩以高岭石为主,岩样强度相对较小,遇水容易发生塑性流变;围岩松动圈测试结果表明,二水平东翼轨道大巷围岩松动范围较大,属于IV、V类大松动圈不稳定围岩。2)建立了巷道围岩损伤力学分析模型,通过力学分析,得到了巷道围岩完全弹性区、弹塑性损伤区以及完全损伤区应力与位移表达式,同时对塑性损伤区半径影响因素进行分析,对于东翼轨道大巷这种力学性质的围岩,在巷道支护初期就应该施加足够大的支护阻力同时采取注浆加固、改善围岩的力学性质。3)运用FLAC3D数值模拟软件建立了深部软岩巷道围岩损伤破坏机理分析模型,分析了巷道围岩应力、变形及塑性区分布情况云图,可知巷道围岩变形破坏比较严重,两个肩角和两个底角位置均以剪切破坏为主,巷道两帮表面中间位置及顶底板表面中间位置破坏方式主要以拉伸破坏为主,因此,二水平东翼轨道大巷围岩损伤破坏主要力学机理是拉伸和剪切破坏。4)通过对三种支护方案进行对比模拟分析,分别从围岩位移分布特征、围岩应力分布特征和围岩塑性破坏特征分析了巷道围岩稳定性。锚注支护使围岩应力峰值向围岩内侧移近,增大了支护强度,使松散的岩石胶结成一体,增大围岩的内摩擦力和粘结力,提高围岩的整体稳定性,有效的控制了围岩变形。5)现场对城郊煤矿东翼轨道大巷支护后进行持续动态观测,结果表明:锚注支护后90d观测时间内,顶板下沉量为40.1mm,底鼓量为47.6mm,两帮移近量为55.4mm,围岩变形速率趋于零,围岩处于稳定状态;巷道顶板离层量分别为17.6mm、26.6mm,30d左后时,离层量基本稳定;将锚注支护形式应用于现场,巷道围岩变形得到了有效控制。
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