深部峰后围岩大变形巷道失稳机理及稳定性控制研究

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随着国家经济发展,各行业对资源需求不断加大,而浅部资源快速枯竭,促使多数矿区已经进入千米级开采深度。大埋深使得巷道围岩多处于峰值强度后区间段内,整体表现出非线性大变形特性,严重影响矿井生产安全。经过多年研究,在峰后围岩大变形巷道稳定性控制方面获得丰硕成果,但工程实践中仍有局限性,故研究适用性强的稳定性控制技术具有重要意义。鉴于此,本文基于深部岩土力学与地下工程国家重点实验室基金项目(SKLGDUEK1820)“涵盖峰后大变形过程的深部巷道围岩结构演化及稳定性控制研究”,以山西煤炭运销集团新旺煤矿3#煤回风大巷为工程背景,采取现场调研、理论分析、数值模拟、现场工业试验的研究方法。总结了深部峰后围岩大变形巷道破坏特征与影响因素,分析了峰后围岩大变形巷道失稳机理,提出了适应性较强的峰后围岩大变形巷道稳定性控制技术,并应用于指导现场支护。以下为本文所做的几方面工作:1、通过收集矿井资料与现场试验测量,得到了新旺煤业有限公司3#煤回风大巷的巷道布置方式,巷道水文地质情况,围岩裂隙分布特征,地应力以及围岩力学参数等工程基础信息。2、结合巷道地质与围岩支护等现场情况,对深部峰后围岩大变形巷道破坏特征与影响因素进行总结分析。破坏特征表现为:(1)围岩初期变形量大,流变性明显;(2)围岩变形体现出明显的时效性;(3)顶底帮整体出现非线性大变形;(4)围岩敏感性增强;(5)巷道支护结构破损失效严重。破坏影响因素分为:内因与外因;内因主要指围岩体自身性质,而外因则包括应力扰动、支护结构、支护方式与支护时机以及地下水与地下热等因素。3、综合分析得到了巷道失稳机制,认为峰后围岩强度低、敏感性强以及所处环境地应力高是根本原因,支护结构、支护方式与支护时机以及地质环境因素等起到促进作用。4、基于Coulomb-Mohr屈服准则分析了深部巷道围岩发生非线性大变形破坏,并对其弹塑性范围及其应力分布进行了研究。针对塑性区应力分布研究了岩体强度超过其峰值强度后岩体强度随应力值的增大呈线性降低的情况,得出在线性软化条件下围岩的塑性区半径比理想弹塑性情况下的塑性区半径大30%左右。5、基于围岩-支护相互作用波动性平衡理论,结合拱梁耦合支护理论与厚锚固板整体控制理论,提出了“浅部围岩应力恢复、峰后岩体固结修复、动态叠加整体控制、深浅承载共同作用”四项围岩控制原则,建立了以“高强密集锚杆+自进式注浆长锚杆”为主体支护,“高强抗裂混凝土喷层+深浅分区耦合注浆”为辅助支护的深-浅耦合全断面锚喷网注支护体系,分析了各支护结构对围岩控制机理;设计正交试验,得到了各支护参数对围岩稳定的影响程度,选出最优支护参数组合。6、通过FLAC3D数值模拟,建立巷道力学模型,对比分析巷道原支护方案与深-浅耦合全断面锚喷网注支护方案下,巷道围岩应力场、位移场和塑性区分布特征,论证支护方案的合理性。7、基于以上研究结果,将支护方案应用于新旺矿3#煤回风大巷围岩支护中,巷道成形45d后,围岩变形趋于稳定,围岩收敛速率均降至1.2mm/d以下,顶板最大变形量为60mm,两帮最大变形量为36mm,底板最大变形量为21mm,围岩离层量有明显减小,巷道表面维护构件无明显开裂损毁现象,达到对大变形巷道围岩的有效控制,证明了控制技术的可行性。
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