動壓影響底板巷道大變形力學機理及圍巖控制技術研究.pdf

1、淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦二水平主要開拓和準備巷道不受采動影響時,巷道維護狀況良好,但在受到煤層開采的擾動時,變形強烈,不但巷道受影響的超前距離長,而且影響程度也大,巷道的變形和破壞極為嚴重,幾乎所有底板巷道都要經(jīng)過多次翻修,造成巷道維護困難,嚴重影響了礦井的正常生產(chǎn)秩序。
　　本文采用理論分析、實驗室試驗、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗相結合的綜合研究方法,系統(tǒng)分析了動壓影響底板巷道圍巖大變形力學機理、采場底板應力分布規(guī)律及底板破壞深度、動壓影響底

2、板巷道圍巖變形破壞規(guī)律,以及不同支護方式下動壓影響底板巷道圍巖穩(wěn)定性時空演化規(guī)律。主要研究成果如下:
　　(1)通過引入巖體強度軟化模量,建立靜、動壓條件下考慮應變軟化條件時圓形巷道圍巖彈塑性力學分析模型。然后推導出靜、動壓條件下的巷道圍巖破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)三區(qū)應力、位移新解。新解算例表明,應變軟化模量對圍巖“三區(qū)”范圍影響顯著,能夠更為客觀地反映靜、動壓條件下巷道圍巖強度隨應變增加而降低的特性。若巖石力學參數(shù)選擇合理,則從理

3、論上可以得到更為合理的解析解。通過提高破裂區(qū)巖體殘余強度,可以有效控制破裂區(qū)半徑,并可以作為今后動、靜壓巷道布置、支護設計施工的有效依據(jù)。
　　(2)通過巖石力學試驗,得到蘆嶺礦Ⅱ82采區(qū)石門砂巖巖塊的單軸抗壓、抗拉、抗剪強度。通過分析采動巖體的力學特性和運用roclab軟件對采動巖體力學參數(shù)進行優(yōu)化。通過X射線衍射實驗可知:該巷道圍巖所含膨脹性巖石組份極少,基本可以排除物化膨脹型的變型力學機制。通過現(xiàn)場調(diào)查可知:該巷道附近沒有斷

4、層、褶曲等地質(zhì)構造,巖層結構較好,沒有特別軟弱的夾層,層理、節(jié)理也不發(fā)育,基本可以排除結構變形型力學機制。認為該巷道變形僅為單一的應力擴容型變型力學機制,屬于IID工程偏應力型軟巖。
　　(3)基于圣維南原理,將采場底板支承壓力進行線性簡化,引入分區(qū)函數(shù)x,求得工作面走向底板支承壓力分布不同區(qū)域的集度q,并在此基礎上求得底板應力分量sx、sy、txy的積分表達式,并據(jù)此分析底板走向支承壓力的分布規(guī)律。
　　(4)假設采動應力

5、場為彈性薄板中間矩形開孔問題,在基于Westergaad應力函數(shù)的采場圍巖應力計算模型基礎上求解得到采場附近應力場。從傳統(tǒng)的采場附近應力場簡化公式求得:①平面應力條件下采場邊緣主應力值s1、s2、s3,邊界方程r、采場底板巖體最大破壞深度值h,并根據(jù)上述公式求得8＃煤開采底板最大破壞深度hm;②平面應變條件下采場邊緣主應力值s1、s2、s3',邊界方程r'、采場底板巖體最大破壞深度值h',并根據(jù)上述公式求得8＃煤開采底板最大破壞深度h'

6、m。
　　(5)提出一種“大、小塑性區(qū)”條件下留設底板巷道合理位置的計算公式:
　　該公式即考慮采場底板塑性區(qū)范圍又考慮動壓影響底板巷道塑性區(qū)半徑。據(jù)此,求得II82采區(qū)石門理論位置為距采場底板38.66m。
　　(6)通過數(shù)值模擬分析得到巷道圍巖內(nèi)部大變形活動規(guī)律:該類巷道先后受到工作面超前支承壓力和工作面后方老頂破斷、回轉的影響,巷道圍巖不同部位、不同深度均產(chǎn)生極不均勻變形,該極不均勻變形極易導致U型棚或一次錨網(wǎng)承

7、載結構結構性失穩(wěn),由“弱結構”部位繼而引發(fā)整體結構性失穩(wěn)。
　　(7)提出二次錨網(wǎng)索支護中結構補強錨索作用機理為:針對單一錨桿支護承載結構的薄弱位置進行結構補強,可以提高原有支護方式中錨桿組合拱的厚度,改善了圍巖的自承載能力,大幅度增強了錨網(wǎng)索支護承載結構的穩(wěn)定性和承載能力。
　　提出棚索耦合支護中結構補強錨索作用機理為:針對棚式支護被動承載結構的薄弱部位進行結構補強,大幅提高了U型棚幫部結構穩(wěn)定性和承載能力,既充分利用U型