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随着社会的不断发展,煤炭的开采规模不断增大,开采深度也不断加深。巷道所处的环境也越来越复杂,应力越来越高,巷道围岩破碎程度越来越严重,能否有效解决这些问题关系到深部煤矿的安全生产。经过多年来学者的研究,在高应力软岩巷道围岩控制方面取得了大量成果,但在工程实践方面仍不够完善。例如一次支护难以满足高应力软岩巷道的支护需求,需要返修或者二次支护等;卸压支护无法在保证不降低自身承载能力的前提下达到卸压的目的;可缩变形支架的变形量无法满足软岩巷道的变形需求。这些问题给高应力软岩巷道的围岩控制带来了诸多难题,因此,必须研究清楚高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征以及破坏机理,提出一种行之有效的新型围岩控制理念和控制方案,对高应力软岩巷道围岩控制具有十分重要的意义。
本文以麻家梁矿4#煤巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、物理相似模拟、数值模拟以及现场工业实践等手段,总结了高应力软岩巷道的破坏特征与影响因素,分析了围岩的破坏机理,提出了适用于高应力软岩巷道控制围岩变形的刚-柔-刚释压吸能支护理念和支护方案,并通过物理相似模拟试验、数值模拟和现场工业实践得到验证。主要研究成果如下:
(1)麻家梁矿4#煤的运输巷道和回风巷道具有明显的高应力软岩巷道特征,且含三种不同围岩结构的巷道。通过对三种围岩结构下的巷道进行现场调研,总结对比围岩破坏特征以及围岩移近量大小,最终选取围岩条件最差以及破碎程度最严重的巷道作为本文研究的重点,即顶板岩性弱于两帮岩性。
(2)通过观测原支护形式下巷道围岩结构和移近量的变化情况,并加以总结得到如下高应力软岩巷道围岩的破坏特征。1)巷道开挖后来压快,矿压显现剧烈;2)初期变形总量大;3)现有支护形式无法满足围岩变形要求,难以对软岩巷道一次成巷支护,需要二次支护以及返修等。
(3)建立高应力软岩巷道围岩破坏力学模型,通过力学分析得到巷道破碎区和塑性区不断向巷道深处发展是软岩巷道围岩难以控制的主要原因;巷道支护阻力和围岩的残余强度以及允许围岩产生一定变形是影响巷道围岩塑性区和破碎区发育程度的主要因素。
(4)建立释压吸能支护模型,从能量学方面分析释压吸能支护机理,确定其构建原则,模拟研究了释压层尺寸以及矿用工字钢型号对巷道围岩形变量的影响,确定了最佳的释压空间和矿用工字钢型号;并基于非线性蠕变模型,模拟研究了优化方案下围岩塑性区以及位移随着开挖时间的变化规律,验证了优化方案支护参数的可靠性。
(5)结合麻家梁矿的工程实际,提出了以释压吸能支护机理为核心的刚-柔-刚释压吸能支护体系,简述了两者之间的关联性,优化了胶带运输巷道的支护形式及参数,模拟研究了锚杆间排距以及长度对围岩变形的影响,并给出锚固参数的合理建议值。
(6)按照一定的相似比,采用单轴加载的方式模拟了对软岩巷道采用锚网索、锚网索+钢支架、锚网索+释压材料+钢支架三种支护方案时巷道的破坏特征以及破坏规律。根据传统支护方案与释压吸能支护方案下巷道破坏结果的对比,初步验证了刚-柔-刚释压吸能支护方案的可靠性。
(7)将所研究成果进行了工程实际应用,对麻家梁矿4#煤的运输巷道施加刚-柔-刚释压吸能支护方案,并监测巷道围岩位移以及离层情况,根据对比结果进一步验证了刚-柔-刚释压吸能支护方案的优越性。
本文以麻家梁矿4#煤巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、物理相似模拟、数值模拟以及现场工业实践等手段,总结了高应力软岩巷道的破坏特征与影响因素,分析了围岩的破坏机理,提出了适用于高应力软岩巷道控制围岩变形的刚-柔-刚释压吸能支护理念和支护方案,并通过物理相似模拟试验、数值模拟和现场工业实践得到验证。主要研究成果如下:
(1)麻家梁矿4#煤的运输巷道和回风巷道具有明显的高应力软岩巷道特征,且含三种不同围岩结构的巷道。通过对三种围岩结构下的巷道进行现场调研,总结对比围岩破坏特征以及围岩移近量大小,最终选取围岩条件最差以及破碎程度最严重的巷道作为本文研究的重点,即顶板岩性弱于两帮岩性。
(2)通过观测原支护形式下巷道围岩结构和移近量的变化情况,并加以总结得到如下高应力软岩巷道围岩的破坏特征。1)巷道开挖后来压快,矿压显现剧烈;2)初期变形总量大;3)现有支护形式无法满足围岩变形要求,难以对软岩巷道一次成巷支护,需要二次支护以及返修等。
(3)建立高应力软岩巷道围岩破坏力学模型,通过力学分析得到巷道破碎区和塑性区不断向巷道深处发展是软岩巷道围岩难以控制的主要原因;巷道支护阻力和围岩的残余强度以及允许围岩产生一定变形是影响巷道围岩塑性区和破碎区发育程度的主要因素。
(4)建立释压吸能支护模型,从能量学方面分析释压吸能支护机理,确定其构建原则,模拟研究了释压层尺寸以及矿用工字钢型号对巷道围岩形变量的影响,确定了最佳的释压空间和矿用工字钢型号;并基于非线性蠕变模型,模拟研究了优化方案下围岩塑性区以及位移随着开挖时间的变化规律,验证了优化方案支护参数的可靠性。
(5)结合麻家梁矿的工程实际,提出了以释压吸能支护机理为核心的刚-柔-刚释压吸能支护体系,简述了两者之间的关联性,优化了胶带运输巷道的支护形式及参数,模拟研究了锚杆间排距以及长度对围岩变形的影响,并给出锚固参数的合理建议值。
(6)按照一定的相似比,采用单轴加载的方式模拟了对软岩巷道采用锚网索、锚网索+钢支架、锚网索+释压材料+钢支架三种支护方案时巷道的破坏特征以及破坏规律。根据传统支护方案与释压吸能支护方案下巷道破坏结果的对比,初步验证了刚-柔-刚释压吸能支护方案的可靠性。
(7)将所研究成果进行了工程实际应用,对麻家梁矿4#煤的运输巷道施加刚-柔-刚释压吸能支护方案,并监测巷道围岩位移以及离层情况,根据对比结果进一步验证了刚-柔-刚释压吸能支护方案的优越性。