復雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著煤炭開采深度與強度的不斷增加,因埋深大、斷面大、地質(zhì)構(gòu)造復雜多變、水理作用和工程擾動力等因素造成井巷圍巖環(huán)境劣化,導致承載結(jié)構(gòu)體破壞失效,基于淺部易開采應力場的圍巖控制理論與支護技術(shù)已難以確保井巷圍巖穩(wěn)定,井巷支護難題已成為制約礦井生產(chǎn)技術(shù)水平進一步提高的瓶頸之一,亟需有新的井巷支護理論與技術(shù)來指導井巷工程維護,確保煤礦的安全生產(chǎn),研究復雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)具有重要的理論意義和應用價值。
　　論文綜合應用工

2、程地質(zhì)調(diào)查、理論分析、相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測等方法和手段,分析了復雜圍巖環(huán)境井巷圍巖失穩(wěn)破壞特征與演化過程,提出了多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合支護機理及控制技術(shù),并成功地將研究成果應用于復雜圍巖環(huán)境井巷支護的工程實踐。得到以下主要成果:
　　(1)復雜圍巖環(huán)境是指井巷圍巖條件發(fā)生劣化,常規(guī)的施工或支護(維護)方法無法滿足安全要求的地下工程環(huán)境,已成為決定井巷工程安全與否的主導因素。復雜圍巖環(huán)境的存在將導致井巷圍巖具有載荷大且多變,

3、位移大且方向各異;應力分布復雜,變形特征復雜,破壞(運移)形態(tài)復雜,即“二大三復雜”的變形破壞特征。
　　(2)提出了“多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)”的概念,認為多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)是針對井巷地質(zhì)條件,圍巖應力狀態(tài)、物理力學性質(zhì)、變形破壞特征以及相關(guān)因素發(fā)生系統(tǒng)性改變,以兩種或兩種以上不同介質(zhì)構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu)體相互作用(力學行為非線性耦合)而形成的系統(tǒng)支護形式。初次支護形成的小承載結(jié)構(gòu)體系,控制巷道塑性區(qū)的發(fā)展,使得圍巖蠕變減緩,并處于

4、相對穩(wěn)定狀態(tài);二次支護形成的―多層次的復雜耦合承載系統(tǒng)‖,即大承載結(jié)構(gòu)體系,改善巷道圍巖的物理力學性能和應力狀態(tài),確保井巷圍巖在服務期限內(nèi)長時穩(wěn)定。
　　(3)建立了大小承載結(jié)構(gòu)體系,揭示多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合條件下的“支架-圍巖”相互作用關(guān)系。小承載結(jié)構(gòu)體系是指由初次支護體、注漿體、破碎區(qū)錨固巖體及部分塑性區(qū)煤巖體等不同介質(zhì)間材料性能、結(jié)構(gòu)性能的耦合形成的人工承載結(jié)構(gòu)體系,在整個耦合支護系統(tǒng)中起到了主要承載作用;―大承載結(jié)構(gòu)體系‖是指由

5、錨索或高強度剛性支架等構(gòu)成的二次支護體、初次支護體、破壞區(qū)、塑性區(qū)的煤巖體,及部分彈性區(qū)巖體等不同介質(zhì)間材料性能、結(jié)構(gòu)性能的耦合形成的人工承載結(jié)構(gòu)體系。小承載結(jié)構(gòu)體系以承載能力的方式對深部破裂圍巖提供較高的徑向約束,使破裂巖體發(fā)揮應力強化特性,控制該體系以外的承載結(jié)構(gòu)向圍巖深部擴展的運移速率;通過錨索等二次支護體對小承載結(jié)構(gòu)體系進行強化加固支護,增強小承載結(jié)構(gòu)體系的承載能力,使圍巖的應力狀態(tài)由塑性極限平衡狀態(tài)恢復到彈性狀態(tài),抑制深部圍巖

6、發(fā)生流變,從而促使大承載結(jié)構(gòu)體系在服務期限內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)。采用彈塑性力學理論對小承載結(jié)構(gòu)體系的極限承載能力進行了力學理論分析,推導出小承載結(jié)構(gòu)體系的彈塑性極限承載能力以其比值的計算表達式。
　　(4)復雜圍巖環(huán)境井巷工程支護原則為:優(yōu)化巷道斷面尺寸及幾何形狀,實現(xiàn)支護體與圍巖在結(jié)構(gòu)上的耦合;及時封閉暴露圍巖,加強對地下水和底臌的防治;卸壓、讓壓、加固與支護相結(jié)合;分兩階段進行耦合支護和實行設計、施工、監(jiān)測相結(jié)合。富水型復雜圍巖環(huán)境