弱胶结软岩巷道稳定性分析及其支护优化

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西部地区地层成岩环境差、质量劣,“强度低、胶结差、流变性显著、易风化水解”是其典型的物理力学特性。在这类地层中进行矿井建设时常遇到支护结构破坏、围岩变形过度等支护难题,尤其是当地层地应力赋存水平较高时,容易诱发巷道顶板发生脆性破坏,严重时演变为“煤爆”动力失稳现象,给巷道的安全运营带来严重的危害。  本文在调研既有研究成果的基础上,通过室内试验、数学分析方法、数值模拟技术相结合的手段,以伊犁一矿为工程背景,研究弱胶结软岩巷道的稳定性影响因素并对其支护方式进行优化,得到如下结论:  (1)通过现场采样,对煤、岩试件进行室内试验,研究不同含水状态下砂质泥岩的强度特征和变形特性,并对围压4MPa时的砂质泥岩全应力—应变曲线进行函数拟合,初步掌握砂质泥岩的力学本构关系。  (2)采用钻孔应力解除法实测地应力。研究巷道围岩塑性区在不同侧压力系数时的变化发展趋势,数值模拟结果表明:随着侧压力系数的增大,围岩塑性区逐渐向顶底板发展,而巷帮塑性区增加相对缓慢,可见侧压力系数增大不利于巷道顶底板稳定性控制。  (3)根据地应力测试结果分析巷道轴向与最大水平应力呈不同夹角时围岩稳定性情况,结果表明:当二者夹角较小时塑性区分布整体上变化不明显;当二者夹角较大时,顶板塑性区的发展变化趋势较巷帮快,塑性区分布范围整体上变化较大,并表现出明显的方向性。  (4)从力学和能量角度分析了“煤爆”发生机理和孕育过程,通过弹性能指数和能量冲击指标的对煤爆倾向性进行预测,并提出三种降低或缓解煤爆烈度的方法。  (5)分析了伊犁一矿软岩巷道底臌机理和类型,利用离层仪与锚杆轴力计相结合的手段确定底板底臌深度,并推导出底板支护荷载的计算公式。  (6)借助FLAC3D数值模拟软件,提出适宜于弱胶结软岩巷道的支护方法,并在伊犁一矿成功应用,取得了良好的经济、施工和安全效益。
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