發(fā)布時(shí)間：2020-07-15 23:26

【摘要】：本文以某鈾礦為工程背景,針對于淺埋薄層弱膠結(jié)軟巖的物理力學(xué)特征,開展弱膠結(jié)軟巖的物理力學(xué)特性試驗(yàn)、相似材料的研制、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)等研究,揭示了綜采工作面圍巖的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,結(jié)合圍巖的變形破壞特征研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定的控制作用,提出工作面順槽支護(hù)技術(shù)方案。本文主要的研究成果如下:(1)通過對弱膠結(jié)軟巖的基本物理力學(xué)特性研究,反映了該軟巖有較強(qiáng)的膨脹性,膠結(jié)性極差,遇水易泥化、崩解,獲得了鈾礦地層物理力學(xué)參數(shù)。通過對弱膠結(jié)軟巖的基本物理力學(xué)特性和細(xì)觀特征分析,揭示了該鈾礦地層弱膠結(jié)軟巖的膨脹性和材料組構(gòu)及鈾礦床及賦存地層的物理力學(xué)參數(shù)。(2)結(jié)合淺埋薄層弱膠結(jié)鈾礦巖的物理力學(xué)特征,通過系列相似材料的配置,獲得了適用于該鈾礦地質(zhì)條件的相似材料配比,即細(xì)砂:石膏:碳酸鈣:膨潤土為4.5:0.5:0.2:0.3、6:0.6:0.2:0.2、3.5:0.5:0.3:0.2及4:0.5:0.3:0.2為模擬物理模型的礦體、泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖;通過鋁條承壓試驗(yàn)確定了其相似模型中對應(yīng)的型鋼支架型號,而混凝土噴層采用碳酸鈣液固化涂層進(jìn)行模擬。(3)通過UDEC數(shù)值模擬研究,分析了采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)分布特征、豎直位移變化及應(yīng)力演化規(guī)律,獲得了初次來壓約8.0 m和周期來壓步距約3.0 m;采用數(shù)字照相量測分析系統(tǒng)和薄膜壓力式傳感器監(jiān)測手段,分析驗(yàn)證模型試驗(yàn)過程中,隨著工作面的推進(jìn),越靠近采空區(qū)位移越大,最大下沉量約為1.6 m,并且最大下沉位置不斷前移,表土層豎向位移的最大值不斷增加,最大沉降量約0.69 m;工作面后方采空區(qū)卸壓,上覆巖層下沉,采空區(qū)壓實(shí),遠(yuǎn)離采空區(qū)范圍內(nèi)圍巖的豎直應(yīng)力逐漸恢復(fù)至接近原巖應(yīng)力0.03~0.04 MPa,應(yīng)力峰值逐漸變大,最大值約為0.07 MPa,靠近采空區(qū)附近測點(diǎn)的應(yīng)力變化明顯大于其他測點(diǎn)。(4)通過FLAC3D對工作面順槽關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究不同型號的工字鋼在8種工況下的可行性,選取11#工字鋼,間排距為0.8 m;通過大型三維相似模型對選用的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,隨著荷載的增加,上部覆巖位移增大,其頂板位移最大值為0.02 m,兩幫位移偏小,收斂不明顯;各測點(diǎn)的垂直應(yīng)力隨荷載增加而逐漸增加,荷載達(dá)到目標(biāo)值9 k N,最大應(yīng)力約為0.05 MPa,應(yīng)力場從加載板向模型中心其值依次減小,越靠近加載面應(yīng)力越大;支架受力的變化規(guī)律大致能夠分波動(dòng)增長階段到平穩(wěn)階段及階梯性增長階段,荷載增加到目標(biāo)值,兩幫的應(yīng)力值較頂板的應(yīng)力值偏小,支架應(yīng)力約為0.02~0.04 MPa。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD355
【圖文】：

軟巖和地質(zhì)軟巖兩類。工程軟巖是工程巖體，在工程力的作用下會產(chǎn)生明顯的塑性變形地質(zhì)軟巖是指具有松散、軟弱的巖石層，或含有大量膨脹性的粘土礦物。某鈾礦床位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟二連浩特市，該礦床東西寬約 7 公里，南北長約 10 公里，面積 70 平方公里。位于二連浩特市東北 27 公里，距蒙中北邊界 8 公里。在該地區(qū)交通比較方便，連接二連浩特市的草原道路，與“208 國道、111 省道相連。礦床位于早白堊世晚期形成的次級凹陷沉積中心，受湖泊沉積控制，礦體在剖面上傾向中心，多層礦體呈西北向展布、東南向會聚的總體趨勢。礦體斷裂構(gòu)造未發(fā)育，成礦作用較差。礦體由變質(zhì)砂巖、長石、石英、蒙脫石、伊利石和方解石組成。主礦體連續(xù)穩(wěn)定，呈薄片狀，淺湖-半深湖區(qū)礦體厚度明顯增加。礦體上部圍巖主要為透鏡狀石膏巖、泥質(zhì)砂巖和泥灰?guī)r，下部礦體和圍巖主要為粉砂巖和泥巖。礦床地質(zhì)資料表明礦體頂?shù)装逯饕阅噘|(zhì)砂巖為主，其承載特性差、易膨脹。因此，必須掌握對地層巖體礦物成分、成分比例、力學(xué)特性，為軟巖巷道變形破壞機(jī)理分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模型試驗(yàn)相似材料的研制、數(shù)值模擬計(jì)算、支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)的參數(shù)提供了選擇。為后期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，從而合理、正確評價(jià)巷道整體穩(wěn)定性，如圖 1-1 所示，某鈾礦床地形地貌圖。

體完整性差、易風(fēng)化、強(qiáng)度低，在干燥或者天然狀態(tài)下屬于巖石，但遇到水容易泥化、崩解等較為特殊的基本物理性質(zhì)；利用巖石試驗(yàn)機(jī)對原生地層的試樣進(jìn)行巴西劈裂、單軸獲得單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度等基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)，在不同圍壓下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，可得到彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等變形和強(qiáng)度參數(shù)，為后續(xù)開展相似材料的研制、支護(hù)材料的選取、數(shù)值計(jì)算和相似模擬試驗(yàn)分析提供了不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.1 弱膠結(jié)巖體基本物理特性（Basic physical properties of weaklycemented rock mass）2.1.1 試件加工與基本尺寸參數(shù)巖樣取自內(nèi)蒙古某鈾礦床巖，位于中生代侏羅系、白堊系，礦體頂?shù)装逯饕獮槟z結(jié)程度極差的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖等，基本為極軟弱巖石類，巖樣其裂隙、節(jié)理不發(fā)育，存在嚴(yán)重的風(fēng)化現(xiàn)象。由于弱膠結(jié)巖體的膠結(jié)性差、強(qiáng)度低，巖樣受到擾動(dòng)易碎裂，會在其端頭或表面開裂，很難或幾乎不可能通過取芯做成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，因此，本試驗(yàn)對巖樣的制作是采用人工刀削方式，并采用砂紙將巖樣表面和端面磨平處理，現(xiàn)場取芯過程和加工后的標(biāo)準(zhǔn)樣，如圖 2-1 所示。

27.1 4.1 5.5 20.4 4.9 0.6 0.2 / / 37.236.8 5.2 12.5 / 4.5 0.9 0.5 / / 39.6根據(jù)某鈾礦所取樣品分離出的軟巖礦物 X 射線衍射試驗(yàn)結(jié)果，其主要礦物成分為粘土礦物，次要礦物成分有白云石、黃鐵礦、石膏、鉀長石、硬石膏、石英、斜長石、方解石、和鐵白云石等，16 個(gè)樣品的石英平均含量為 27.23 %。由此可以看出，某鈾礦地層巖石粘土礦物含量較高，石英含量次之，反映了該軟巖具有一定的強(qiáng)度。巖層中的粘土礦物主要以伊/蒙混層礦物為主，次要礦物為伊利石、高嶺石及綠泥石等，部分巖層含有坡屢石。該類巖石粘土礦物的混層比較高，平均值可達(dá)到 49.0%，16 個(gè)樣品的伊蒙混層礦物所占的平均含量為 71.25%，高嶺石和伊利石含量較低，表明該類巖石膨脹性較高。2.1.3 礦體與圍巖巖體微觀結(jié)構(gòu)特性本試驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡，型號為 TESCAN-VEGA\\LMU，通過掃描了三種不同粘土含量的弱膠結(jié)巖體，探究粘土含量對其微觀結(jié)構(gòu)的影響，泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖電鏡掃描結(jié)果分別如圖 2-3、圖 2-4 和圖 2-5 所示。

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