文献类型：学位论文

中文题名：软岩巷道围岩变形破坏规律及其控制对策

作者：朱星宇[1];

机构：[1]绍兴文理学院;

导师：郭鹏飞;绍兴文理学院|陶志刚;绍兴文理学院

授予学位：硕士

语种：中文

中文关键词：软岩巷道;变形破坏;塑性区;裂纹演化;力学特性;稳定性控制

中文摘要：随着中国经济快速发展,对煤炭的需求量逐年上升,开采深度也越来越大,复杂应力环境中出现软岩巷道。软岩巷道由于其自身岩性特点,使之支护困难,严重制约着矿井安全高效生产,对这类巷道进行有效地控制,已经成为一个亟待解决的课题。因此,针对软岩巷道围岩失稳特点进行深入系统的研究具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟、物理模型试验与现场工程试验相结合的研究手段,对软岩巷道围岩变形破坏规律进行深入分析,取得以下成果:以弹塑性理论为基础,针对巷道围岩的软化特性,建立了软岩巷道围岩在非等压作用条件下的力学模型,引入软化参数,推导出软岩巷道塑性区半径公式,并通过理论分析,讨论了软岩巷道塑性区的形成和演化规律,发现了软岩巷道塑性区的几何形态和扩展范围受埋深因素、巷道断面类型以及侧压力系数的影响,研究了软岩巷道塑性区影响因素与围岩稳定性之间的关系;采用数值模拟的方式监测了软岩巷道塑性区的变形破坏过程,研究发现随埋深程度越大,塑性区的范围越宽;从圆形、矩形和直墙半圆拱形这三种断面类型巷道的塑性区对比看出,相较于矩形和直墙半圆拱形巷道断面类型,圆形巷道塑性区面积范围更小,故在其他因素不变的情况下,塑性区面积下圆形<直墙半圆拱<矩形,故工程实际中断面采用圆形巷道,有利于围岩稳定性控制;在大埋深时,矩形和直墙半圆拱形的塑性区扩展形态逐渐变成圆形,说明断面形状对软岩巷道塑性区的影响逐渐减小;通过侧压力系数影响下的软岩巷道塑性区的数值模拟,发现了在不同侧压力系数下的软岩巷道塑性区面积呈现一定规律的变化,即巷道所在水平应力的不断提高,软岩巷道塑性区范围逐渐由巷道两帮向顶底板处转移;顶底板塑性区范围随侧压力系数的增大而增加,两帮处的塑性区范围随侧压力系数的增大而减小;当侧压力系数λ不等于1等情况下塑性区呈现“蝶”形发展趋势,利用以上分析结果为支护的优化设计提供更为科学合理的依据;采用相似物理模型试验方法开展有侧限单轴分级条件下圆形巷道软弱围岩变形破坏规律及力学特性的深入研究,试验过程中利用三维全场应变测量系统、高清摄像机及声发射定位监测系统对试验过程中巷道围岩位移场、表面裂纹及内部裂纹演化等进行实时监测。结果表明:开挖后随着压力作用,围岩表面位移场以圆形巷道为对称呈斜“X”一种分布形式,在交界处的岩体承载能力降低,伴随着围岩表面细微裂纹的产生并形成宏观滑移裂纹,且随着压力不断增大滑移裂纹逐渐交汇贯通成“V”型剪切楔体,这种楔体变形造成的空隙是导致软岩巷道失稳破坏的主要原因之一;在模型试验恒载阶段,随着时间增长围岩表面裂纹和内部AE事件点逐渐向深部扩散,破裂范围逐步在不断扩张,说明在不受外界影响下软弱围岩变形过程具有很强的时间依赖性,故在考虑时间因素条件对软岩合理支护非常重要;通过讨论和分析软岩巷道围岩的稳定控制原理和关键支护技术,以小康矿煤矿W3101煤层运输顺槽为工程背景,提出了一种以“注浆锚索劈裂注浆+底角钢管注头注浆”+“锚杆索+菱形网”+“U型钢圆棚+壁后注浆”的联合支护,通过巷道顶板处位移监测结果得出软岩巷道顶板和两拱肩处的沉降量减少,服务期间的巷道围岩变形满足煤矿安全生产需求,降低了巷道维护费用,保障了巷道服务期间的安全使用。