【摘要】：近些年,西部地區(qū)礦井弱膠結(jié)軟巖巷道失穩(wěn)現(xiàn)象較為頻發(fā),成為眾多專家與學(xué)者研究的重要課題,也是較多礦井所面臨的并需亟待解決的問題,本文采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、FLAC3D數(shù)值模擬、工程類比以及現(xiàn)場實(shí)測綜合研究手段,以內(nèi)蒙古楊家村煤礦414108工作面弱膠結(jié)軟巖輔助運(yùn)輸順槽頂板失穩(wěn)冒落段為依托,探究了弱膠結(jié)軟巖大斷面煤巷圍巖物理力學(xué)特性、巷道變形特征、頂板砂質(zhì)泥巖本構(gòu)模型反演、圍巖穩(wěn)定性主要影響因素、煤巷失穩(wěn)機(jī)制以及頂板依次為莫爾-庫倫本構(gòu)模型、多節(jié)理本構(gòu)模型與雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理本構(gòu)模型,巷道圍巖穩(wěn)定性演化規(guī)律;分別提出以優(yōu)化巷高為核心的“倒楔形”高強(qiáng)高預(yù)緊力錨網(wǎng)梁索噴非對稱耦合支護(hù)技術(shù),與優(yōu)化巷道斷面形式為核心的全斷面錨網(wǎng)索噴聯(lián)合技術(shù),主要研究成果如下:(1)采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測與工程類比綜合研究手段,獲得了頂板圍巖變形力學(xué)類型、煤巖層基本物理力學(xué)特性研究以及巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)特征;巷道頂板巖層變形力學(xué)類型為ⅠB型,巖石基本物理力學(xué)特性與水影響程度具有相關(guān)性,基本物理特性呈現(xiàn)為遇水易軟化、泥化、微膨脹及層狀崩解性,基本力學(xué)特性表現(xiàn)為水影響程度低,與硬脆性巖石相接近,巖石脆性與壓硬性較為突出,水影響程度高,強(qiáng)度與變形指標(biāo)呈現(xiàn)一定軟化效應(yīng);煤樣抵抗屈服破壞與變形能力較強(qiáng),力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性程度較高合理利用煤層良好的力學(xué)特性,發(fā)揮煤層承載能力,有利于維護(hù)煤巷圍巖穩(wěn)定。(2)圍巖變形以頂?shù)装逑鄬σ平鼮橹?兩幫相對移近不明顯,不同測站圍巖穩(wěn)定性存在差異性,頂板失穩(wěn)段圍巖表面位移與離層曲線較明顯呈現(xiàn)出“平臺(tái)段”與“突跳段”間歇分布演化特征,演化過程具有近似同步性,頂板圍巖呈現(xiàn)深基點(diǎn)離層多數(shù)大于淺基點(diǎn)的新特征,頂板巖層離層群特征的形成,是弱含水層滲流軟化作用、層理面水平剪應(yīng)力與垂直拉應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,滲流軟化作用是加劇巖層力學(xué)性質(zhì)各向異性與變形不協(xié)調(diào)程度的主要影響因素。(3)砂質(zhì)泥巖弱膠結(jié)特性呈現(xiàn)為:受發(fā)育程度較高軟弱層理面影響,巖石呈現(xiàn)常見張拉破壞、剪切滑移破壞形式時(shí),同時(shí)產(chǎn)生環(huán)向剪切破壞的新形式,該特征一方面源于巖石介質(zhì)材料遇水抗剪強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的弱化,另一方面在于層理結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)遇水的衰減,而后者是形成巖石(巖層)弱膠結(jié)特性的內(nèi)在本質(zhì),巷道頂板砂質(zhì)泥巖多離層礦壓特征是巖層弱膠結(jié)性的具體表征。巖石軟巖特性主要體現(xiàn)在,強(qiáng)度(峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度)與剛度(彈性模量、泊松比)的顯著劣化。(4)巖石強(qiáng)度特性為單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前擴(kuò)容應(yīng)力門檻值降低,體積膨脹變形過程延長,峰后殘余應(yīng)力值降低最為明顯,三軸壓縮壓硬性程度降低,峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的圍壓效應(yīng)減弱,剪切強(qiáng)度劣化極為顯著,試樣抗拉強(qiáng)度衰減程度明顯。變形特性為單軸壓縮漸進(jìn)性變形破壞過程持續(xù)時(shí)間短,峰前裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展至宏觀失穩(wěn)過程延長,峰后變形宏觀上具有一定塑性流動(dòng)特征和延時(shí)效應(yīng),破壞過程中存在一定側(cè)向膨脹變形,抗壓縮性能力降低,剛度與抗變形能力弱化明顯,飽水狀態(tài)巖石三軸壓縮峰后呈現(xiàn)一定蠕動(dòng)變形特征,干燥狀態(tài)巖石隨圍壓增加,由脆性向延性轉(zhuǎn)變;破壞特性為,宏觀破壞特征主要有環(huán)向剪切破壞面、張性破壞面與剪切滑移面組成,受拉破壞裂紋呈現(xiàn)“非單一性”分布特征。(5)采用FLAC3D數(shù)值模擬反演分析方法,綜合探究單軸壓縮數(shù)值模型巖石試樣全應(yīng)力-位移曲線演化形態(tài)、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、塑性剪切應(yīng)變率、塑性屈服形態(tài),雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理模型能較合理體現(xiàn)室內(nèi)巖石試樣單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變演化形態(tài)以及破壞特征,進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性研究較合理、可靠。(6)錨桿(索)失效性主要在于,弱含水層長期滲流作用,引起錨固劑(灌漿體)與孔壁脫粘,界面發(fā)生剪切滑移破壞,削弱了錨索懸吊作用,難以有效實(shí)現(xiàn)工程力傳遞,錨桿軸向與橫向作用力弱化,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體支護(hù)效果降低。頂板“大、小結(jié)構(gòu)體”漸進(jìn)性劣化,是巖層弱膠結(jié)性、離層群特征及支護(hù)結(jié)構(gòu)失效綜合作用的結(jié)果,頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要取決于“小結(jié)構(gòu)體”(錨固體巖梁結(jié)構(gòu)),“小結(jié)構(gòu)體”的破壞、漸變與垮落是形成頂板“大結(jié)構(gòu)體”發(fā)生失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。(7)巷道頂板屬于撓曲折斷失穩(wěn)類型,形成機(jī)制為弱含水層滲流軟化作用長期作用下,巖層的弱膠結(jié)性、離層群特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效性,引起錨固體巖梁(小結(jié)構(gòu)體)上覆喪失承載能力巖體載荷逐漸增加,錨固體從最初具有較好承載能力的兩端固支巖梁結(jié)構(gòu)逐漸向三鉸拱結(jié)構(gòu)漸進(jìn)性演變,隨著三鉸拱錨固體巖梁塊體不斷下沉、摩擦、擠壓與回轉(zhuǎn),最終誘發(fā)“小結(jié)構(gòu)體”撓曲折斷破壞與“大結(jié)構(gòu)體”的失穩(wěn)。(8)砂質(zhì)泥巖層本構(gòu)模型相同,埋深增加,塑性屈服區(qū)域擴(kuò)延程度以及主應(yīng)力差峰值位置向煤(巖)體深部轉(zhuǎn)移幅度為頂板底板幫部,巷道位移大小為頂板幫部底板,支護(hù)結(jié)構(gòu)軸向受拉力大小為頂錨索頂錨桿幫錨桿,頂錨索與頂錨桿軸向拉力逐漸提高并接近拉斷載荷,巷幫肩部斜錨桿受力特征依賴于頂板錨桿(索)受力狀態(tài),當(dāng)頂錨桿與錨索軸向拉力值低于拉斷載荷,巷幫肩部斜錨桿軸向拉力隨巷道埋深增加而增加,反之則降低。(9)埋深相同,砂質(zhì)泥巖層依次取莫爾-庫倫本構(gòu)模型、多節(jié)理本構(gòu)模型和雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理本構(gòu)模型,塑性區(qū)擴(kuò)延幅度高低為頂板底板幫部,頂板主應(yīng)力差峰值位置轉(zhuǎn)移幅度逐漸加大,頂板與幫部主應(yīng)力差峰值依次降低,受垂直應(yīng)力與水平擠壓應(yīng)力共同作用以及底板混凝土墊層法向約束作用,底板主應(yīng)力差峰值依次增加,頂板、底板與幫部主應(yīng)力差演化特征與塑性區(qū)擴(kuò)延特征基本一致。(10)本構(gòu)模型相同,巷高增加,頂板塑性區(qū)擴(kuò)延程度最高,巷幫與底板擴(kuò)延程度較低;主應(yīng)力差峰值位置延伸程度為頂板底板幫部;頂板下沉變形與巷幫移近相互關(guān)系與頂板本構(gòu)的選取相關(guān),頂板采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型,巷幫移近幅度高于頂板,多節(jié)理本構(gòu)模型與雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理本構(gòu)模型,頂板下沉變形幅度高于幫部;頂錨桿、頂錨索與幫錨桿軸向拉力逐漸增加。(11)巷高相同,砂質(zhì)泥巖層依次為莫爾-庫倫本構(gòu)模型、多節(jié)理本構(gòu)模型和雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理本構(gòu)模型,塑性區(qū)擴(kuò)延幅度為:頂板底板幫部;主應(yīng)力差峰值曲線演化特征差異明顯;支護(hù)軸向拉力大小為:頂錨索頂錨桿幫錨桿;砂質(zhì)泥巖層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型,塑性區(qū)擴(kuò)延程度最低,圍巖位移最小,支護(hù)軸向拉力最小;采用本構(gòu)雙線性應(yīng)變軟化多節(jié)理本構(gòu)模型,頂板肩部區(qū)域塑性區(qū)擴(kuò)延程度最高,中部塑性區(qū)無明顯擴(kuò)延,圍巖表面位移最大,支護(hù)軸向拉力最大,頂板為多節(jié)理本構(gòu)模型,塑性區(qū)擴(kuò)延、圍巖變形程度及支護(hù)軸向受力介于兩者之間。(12)矢跨比1:0.1~1:0.3時(shí),圍巖塑性區(qū)擴(kuò)延程度、主應(yīng)力差值、主應(yīng)力差峰值,及位移受頂板巖層本構(gòu)效應(yīng)影響程度低,矢跨比1:0.4~1:0.5時(shí),頂板巖層“本構(gòu)效應(yīng)”與“拱效應(yīng)”的綜合作用,影響程度提高,采用直墻圓弧拱形巷道斷面,主應(yīng)力差提高,塑性屈服區(qū)域擴(kuò)延程度與位移降低,穩(wěn)定性提高。(13)降低矩形巷道高度,采用“倒楔形”高強(qiáng)高預(yù)緊力錨網(wǎng)梁索噴非對稱耦合支護(hù)技術(shù),擴(kuò)大了有效錨固區(qū)范圍,提高了頂板錨固體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度和承載能力,緩解了巖層變形不協(xié)調(diào)性,發(fā)揮了幫錨桿對中部煤體移近的支護(hù)作用,降低了底板底鼓,抑制了裂隙水沿鉆孔向巷道鄰空面的滲流,減少了頂板巖層層間膠結(jié)質(zhì)流失,降低了水對頂板圍巖強(qiáng)度的軟化作用,提高巷道圍巖整體穩(wěn)定性。采用直墻半圓拱巷道斷面,施加錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù),提高了巷道圍巖自承載能力,頂板深部巖層抗變形能力增強(qiáng)顯著,應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)錨桿錨固力確保措施,實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)長期有效承載。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD353;TD322
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本文編號(hào)：2581794