大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及動態(tài)評價體系研究.pdf

1、煤巷圍巖大多屬于層狀或塊狀結構，其本身強度較低，且節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差；同時受復雜外部工程環(huán)境的影響，煤巷圍巖控制和支護越來越成為煤礦生產(chǎn)與安全的重要難題。究其原因，主要存在的問題是:①對煤巷圍巖地質(zhì)力學特性和工程環(huán)境條件缺乏準確的掌握和科學的評價；②對煤巷圍巖的變形失穩(wěn)機理的認識不夠清楚；③缺乏針對煤巷圍巖力學特性的圍巖控制和錨固理論；④未能對煤巷圍巖的穩(wěn)定性做出科學有效的評價；⑤煤巷圍巖穩(wěn)定性評價與支護設計不能緊密結合，不能用于

2、指導圍巖控制和支護設計。目前人們對特定條件下煤巷圍巖穩(wěn)定性缺乏科學定量的判斷手法，缺乏對不同巷道圍巖穩(wěn)定性進行科學評價的理論體系，從而影響煤巷圍巖控制和支護效果。因此，深入探討煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及錨固理論，運用巖層控制學及地質(zhì)力學理論系統(tǒng)研究大斷面煤巷圍巖的地質(zhì)力學特性和所處工程環(huán)境條件的影響，準確掌握圍巖結構及其對圍巖穩(wěn)定性的影響，探索出一條以支護設計為中心的適用于大斷面煤巷的圍巖穩(wěn)定性評價體系成為急待解決的技術課題。煤巷圍巖穩(wěn)定性控

3、制與評價的目的是科學準確的反映巷道圍巖結構的復雜性，為煤巷圍巖控制和支護設計提供可靠依據(jù)。總結國內(nèi)外對煤巷圍巖的各種評價方法，發(fā)現(xiàn)存在反映的全面性不足，側重點和選用指標以及分級方法也欠準確。目前國內(nèi)外對煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和評價研究主要表現(xiàn)為如下特點:
　　 (1)對煤巷圍巖地質(zhì)力學特性和工程環(huán)境條件的研究不夠全面和準確，對煤巷圍巖的變形失穩(wěn)機理的認識不夠清楚；缺乏針對煤巷圍巖力學特征的穩(wěn)定性控制及錨固理論。
　　 (2)

4、圍巖穩(wěn)定性分類現(xiàn)在雖然由單因素定性分級向多因素定性和多因素定量動態(tài)模式發(fā)展，但影響圍巖質(zhì)量的多種因素具有明顯的不確定性、復雜性和模糊性特征，用少數(shù)幾個固定評價指標和簡單的數(shù)學表達式難以準確、全面地概括其真實情況，圍巖質(zhì)量的完全定量化分級只能具有數(shù)學意義。
　　 (3)各類圍巖質(zhì)量的評價方法都是從不同側面選擇幾個固定的參評因素，按一定標準進行簡單的線性運算，從而得出圍巖質(zhì)量的單一評分，并據(jù)此進行圍巖穩(wěn)定性分類。這些方法雖然簡單方便

5、，但無法反映復雜多變的地質(zhì)情況，只能反映圍巖穩(wěn)定性的某一方面特征。由于影響圍巖穩(wěn)定性的因素常具有多層次性、模糊性、不確定性等復雜特點，對于不同地質(zhì)背景和具體工程，其影響因素及權值都不是固定的，既有共同性，又有特殊性。
　　 (4)圍巖穩(wěn)定性的分類主要是針對礦區(qū)地質(zhì)條件下巷道具有的共性進行分析，而在同一礦區(qū)甚至同一巷道，巷道圍巖狀況具有很大的差異，受地質(zhì)構造和相鄰工程環(huán)境影響的不同形成局部的特殊性。在同一礦區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性各不相同

6、，進行評價時應充分考慮地質(zhì)構造和工程環(huán)境的影響。
　　 因此，巷道圍巖穩(wěn)定性評價應當采用靜態(tài)和動態(tài)等多種評價方法從不同側面進行圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)評價。在同一礦區(qū)進行巷道穩(wěn)定性評價時應充分考慮個體巷道所處不同的地質(zhì)構造和工程環(huán)境的影響。
　　 本文以上述觀點為基礎，以山西亞美大寧能源有限公司大斷面煤巷和礦區(qū)地質(zhì)構造為研究對象，采用理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬計算和工業(yè)性試驗等方法，對煤巷圍巖穩(wěn)定性控制理論、地質(zhì)力學評價與支護

7、設計、擾動因素影響加權與修正、數(shù)值模擬分析與驗證優(yōu)化等幾個方面做了探索性研究；形成了煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和動態(tài)評價體系。主要研究成果如下：
　　 (1)以煤巷圍巖地質(zhì)力學特性為基礎，研究煤巷圍巖應力分布特征和支護對煤巷圍巖穩(wěn)定性的影響機理，探討煤巷圍巖的變形破壞規(guī)律。
　　 (2)運用彈塑性理論分析煤巷圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，揭示煤巷圍巖失穩(wěn)破壞機理，依據(jù)裂隙體及破碎體的煤體力學特征，運用厚板(體)理論進行煤體兩幫錨固體厚度、錨

8、桿幾何和力學參數(shù)設計。
　　 (3)研究煤巷在不同圍巖穩(wěn)定性平衡狀態(tài)下的控制和錨固原理；提出對圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)較好的圍巖采用狀態(tài)控制原理，對穩(wěn)定性狀態(tài)差的大變形圍巖采用變形控制原理；對圍巖整體強度低，圍巖應力狀態(tài)呈靜水壓力狀態(tài)的采用整體錨固結構原理。
　　 (4)以煤巷圍巖控制和支護設計為中心，運用巖層控制學和地質(zhì)力學理論，采用地質(zhì)力學評價與支護設計、擾動因素影響加權與修正、數(shù)值模擬分析與驗證優(yōu)化，形成了三位一體的巷道圍巖

9、穩(wěn)定性動態(tài)評價體系。
　　 (5)運用現(xiàn)場取芯和實驗室力學測試方法，研究分析15m范圍內(nèi)圍巖各巖層的地質(zhì)力學特性指標。進行煤巷圍巖穩(wěn)定性初步評價和支護方案設計。建立地質(zhì)力學特性分析—穩(wěn)定性評價—支護設計為一體的地質(zhì)力學評價方法。
　　 (6)確定了外部擾動因素(地質(zhì)構造、相鄰工程、采動壓力)對圍巖穩(wěn)定性影響的重要性；針對煤巷所處工程環(huán)境特點，分析地質(zhì)構造、相鄰工程、采動壓力外部擾動因素對煤巷圍巖穩(wěn)定性的影響范圍及影響等級

10、，確定擾動因素權值，進行影響程度評價和對初步支護方案進行修正，形成了獨特的擾動因素加權評價方法。
　　 (7)運用數(shù)值模擬方法分析煤巷在無支護狀態(tài)下和在支護方案條件下圍巖的應力和變形分布規(guī)律。驗證煤巷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，優(yōu)化支護設計方案和支護參數(shù)。
　　 總之，本文通過系統(tǒng)研究，建立了大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及動態(tài)評價體系，解決了大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和支護存在的實際問題，為今后煤巷圍巖控制、穩(wěn)定性評價和支護設計提供科學依