本文關(guān)鍵詞：工程巖體劣化與大采高沿空巷道圍巖控制原理研究

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【摘要】：隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的不斷增加,深部高地應(yīng)力、強(qiáng)采動影響、軟弱破碎圍巖等地質(zhì)條件復(fù)雜、支護(hù)困難的巷道所占比例日益增大,巷道圍巖大變形、大范圍破壞所造成的安全事故頻發(fā),斷面劇烈收縮嚴(yán)重影響巷道通風(fēng)及運(yùn)輸能力,制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。煤礦巷道圍巖的力學(xué)狀態(tài)往往在破壞后進(jìn)入峰后劣化階段,峰后劣化特性是圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)優(yōu)化的關(guān)鍵。在采動高應(yīng)力作用下,回采巷道淺部圍巖出現(xiàn)不同程度的裂隙發(fā)育和擴(kuò)展,造成圍巖破碎、力學(xué)性能弱化甚至失穩(wěn)冒落。研究工程巖體劣化與大采高沿空巷道圍巖控制原理,對完善和發(fā)展工程巖體峰后劣化機(jī)制與數(shù)值仿真方法,對工程巖體穩(wěn)定性分析與控制、大采高沿空巷道圍巖控制,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。以趙固二礦大采高沿空巷道掘進(jìn)期間圍巖破碎、大變形和維護(hù)困難等實(shí)際工程問題為背景,采用現(xiàn)場實(shí)測、實(shí)驗(yàn)室測試、理論分析、數(shù)值模擬仿真等研究手段,綜合彈塑性力學(xué)、采礦學(xué)、數(shù)值有限差分法、計算機(jī)編程等領(lǐng)域知識,對課題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,取得了如下主要結(jié)論和成果:(1)以大采高沿空巷道為工程背景,通過煤巖物理力學(xué)試驗(yàn),得到了試驗(yàn)巷道圍巖峰前與峰后的力學(xué)特性;分析了試驗(yàn)巷道圍巖變形破壞特征。受上區(qū)段采動應(yīng)力與圍巖環(huán)境的影響,8m煤柱沿空掘巷圍巖變形破壞嚴(yán)重,呈現(xiàn)大變形和強(qiáng)蠕變特征,兩幫和底板煤體變形量大,蠕變性強(qiáng),巷道支護(hù)及維護(hù)難度大。(2)基于巷幫軟弱煤巖體在集中應(yīng)力作用下的非剛性或可變形性,將巷道兩幫視為可變形基礎(chǔ),建立了巷道頂板Winkler基礎(chǔ)懸梁模型,推導(dǎo)出巷道頂板的彎矩和撓度表達(dá)式,針對典型頂板結(jié)構(gòu),分析得到巷道頂板的彎矩和撓度分布規(guī)律,研究揭示了巷幫變形基礎(chǔ)支承下的頂板彎曲變形特征。在兩幫垂直集中應(yīng)力作用下,巷幫軟弱煤巖體發(fā)生明顯的壓縮變形,頂板巖層隨基礎(chǔ)變形而整體下沉,巷內(nèi)、巷外的頂板呈現(xiàn)連續(xù)彎曲變形,頂板跨中的最大彎矩和最大位移與巷道肩角處相差很小,頂板巖層的大變形、破裂和冒頂隱患將受巖體結(jié)構(gòu)面控制,巷幫變形改變了頂板的力學(xué)與變形特征;研究了頂板跨中彎曲變形與直接頂抗彎剛度、基礎(chǔ)剛度、基礎(chǔ)厚度、巷幫集中應(yīng)力及巷道跨度的變化規(guī)律,揭示了軟弱圍巖和深部巷道頂板的基礎(chǔ)剛度效應(yīng)。巷幫基礎(chǔ)剛度對頂板變形量影響極大,是頂板變形的關(guān)鍵影響因素,垂直集中應(yīng)力及兩幫基礎(chǔ)厚度也有明顯影響。(3)基于巖石峰后破裂的力學(xué)特性和應(yīng)變軟化模型的軟化特征分析,研究揭示了工程巖體拉伸破裂后楊氏模量劣化的力學(xué)機(jī)制,其在工程圍巖穩(wěn)定性仿真模擬中具有重要意義和價值;建立了工程巖體拉伸劣化關(guān)系式,研究了到巖體殘余楊氏模量Er與裂隙發(fā)育程度GSIt的量化關(guān)系和拉伸劣化系數(shù)A的量化計算方法,可通過現(xiàn)場實(shí)測或理論經(jīng)驗(yàn)估算劣化程度;研究了工程巖體拉伸劣化的算法流程,對flac3d內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型進(jìn)行二次開發(fā),增加了拉伸劣化算法,開發(fā)形成了工程巖體劣化模型仿真模擬方法。(4)以巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用hoek-brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)計算,針對理想彈塑性、應(yīng)變軟化和工程巖體劣化三種模型進(jìn)行巷道數(shù)值仿真,并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,研究揭示了巷道圍巖變形和支護(hù)體受力狀態(tài)的峰后劣化效應(yīng)。研究表明:回采巷道圍巖峰后應(yīng)變軟化與拉伸劣化效應(yīng)十分顯著,工程巖體劣化模型的仿真計算更接近工程實(shí)際,驗(yàn)證了模型原理的可行性和算法模塊的正確性,使基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值模擬過程更加合理嚴(yán)謹(jǐn),為工程巖體的失穩(wěn)機(jī)理分析、控制對策研究及支護(hù)設(shè)計優(yōu)化等提供更可靠的仿真模擬方法,特別是對易受拉破裂的工程環(huán)境具有普遍的應(yīng)用價值。(5)基于采動覆巖結(jié)構(gòu)特征,分析了覆巖開采擾動范圍的預(yù)測方法,研究得到采空區(qū)垮落帶巖體壓實(shí)過程的力學(xué)特性及其表達(dá)式,采用雙屈服模型進(jìn)行采空區(qū)模型參數(shù)反演,得到正確反映垮落帶巖體壓實(shí)特性的模型參數(shù)。采用工程巖體劣化模型和垮落帶雙屈服模型反演參數(shù),研究了采高對采動應(yīng)力場演化的影響規(guī)律,采高對超前支承壓力分布、采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)和側(cè)向煤柱集中應(yīng)力分布均有顯著影響,大采高條件下,集中應(yīng)力作用范圍大,極限平衡區(qū)寬度大,采動影響劇烈。(6)采用二次開發(fā)的工程巖體劣化模型,研究了采動應(yīng)力場的覆巖破裂劣化效應(yīng),揭示了覆巖裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度對采動應(yīng)力場演化的影響規(guī)律及其力學(xué)機(jī)制。裂隙帶巖體的完整性和力學(xué)性質(zhì)對采動覆巖三維結(jié)構(gòu)運(yùn)移有顯著影響,隨著裂隙帶發(fā)育程度的增加,超前支承壓力集中程度升高,側(cè)向煤柱應(yīng)力集中范圍及其滯后距離有所縮小,采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)有所差異。在回采巷道采動應(yīng)力、區(qū)段煤柱穩(wěn)定性、巷道煤柱尺寸與支護(hù)優(yōu)化等采動影響模擬中,需要根據(jù)具體工程地質(zhì)條件,采用覆巖破裂劣化算法,保證研究過程的正確性和結(jié)果的可靠性。(7)建立了大采高沿空巷道不同煤柱寬度flac3d三維數(shù)值模型,較真實(shí)地模擬巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)與沿空巷道力學(xué)狀態(tài)演化,采用工程巖體劣化模型和參數(shù)反演后的垮落帶雙屈服模型,進(jìn)行大采高沿空巷道掘進(jìn)、支護(hù)及采動影響的動態(tài)仿真模擬,研究了沿空掘巷的圍巖應(yīng)力狀態(tài)與拉伸破壞發(fā)育特征、圍巖變形動態(tài)演化規(guī)律及煤柱尺寸效應(yīng)、圍巖采動變形演化規(guī)律及煤柱尺寸效應(yīng),通過綜合分析優(yōu)化了沿空巷道煤柱尺寸。研究表明,沿空巷道掘進(jìn)期間兩幫移近量和底鼓量較大,煤柱寬度為5m時圍巖拉伸劣化范圍和變形量最小,煤柱時3m次之,煤柱11m時圍巖穩(wěn)定性最差;大采高沿空巷道采動期間圍巖變形迅速增加,兩幫移近和底鼓顯著,煤柱寬度為3m時圍巖整體變形量最小,煤柱時5m次之,煤柱11m時圍巖穩(wěn)定性最差;基于數(shù)值模擬研究及現(xiàn)場試驗(yàn)分析,綜合考慮礦山壓力與支護(hù)、采空區(qū)隔離與通風(fēng)安全、資源采出率與社會經(jīng)濟(jì)效益等方面,確定大采高沿空巷道合理煤柱寬度為5m,為相似條件沿空巷道布置提供了可靠依據(jù)。(8)基于巷道基礎(chǔ)剛度效應(yīng)及錨固支護(hù)理論,提出了“控幫護(hù)巷”支護(hù)原理,通過控幫支護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究,取得了較好的護(hù)巷效果,明顯改善了巷道圍巖穩(wěn)定性,驗(yàn)證了控幫護(hù)巷原理的科學(xué)性、有效性和可行性。提出了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)、長短錨桿聯(lián)合支護(hù)、長錨桿等三種控幫護(hù)巷支護(hù)方式,數(shù)值模擬研究了大采高沿空巷道控幫護(hù)巷在掘進(jìn)和回采期間的圍巖變形破壞特征與控制效果。研究表明,通過控幫支護(hù),沿空巷道兩幫煤體的拉伸破壞范圍和變形顯著降低,頂?shù)装遄冃蚊黠@減小,圍巖穩(wěn)定性顯著改善;長錨桿控幫技術(shù)擴(kuò)大了錨固深度與作用范圍,促使圍巖形成較大的有效錨固承載結(jié)構(gòu),同時發(fā)揮基礎(chǔ)剛度效應(yīng),在不改變支護(hù)方式及密度的條件下,實(shí)現(xiàn)了低成本的有效控幫護(hù)巷是沿空巷道最優(yōu)控幫技術(shù)。(9)基于基礎(chǔ)剛度效應(yīng)、現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,提出了“控幫護(hù)巷”的支護(hù)設(shè)計理念。對兩幫軟弱煤巖體巷道尤其是沿空巷道,科學(xué)合理的控幫護(hù)巷支護(hù)設(shè)計,立足于擴(kuò)大巷幫錨固深度,通過控幫直接作用顯著改善應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)性質(zhì),有效控制巷幫變形,并通過基礎(chǔ)剛度效應(yīng)抑制頂?shù)装遄冃纹茐?是巷道圍巖整體穩(wěn)定性控制的有效途徑。
【關(guān)鍵詞】：煤礦巷道 巖體劣化 基礎(chǔ)剛度 沿空巷道 圍巖控制原理
【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】：2016
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-26
• 1.1 選題背景及研究意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.2.1 工程巖體力學(xué)特性研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.2 沿空巷道煤柱及巷道圍巖穩(wěn)定研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.3 煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3 主要研究內(nèi)容、研究方法和技術(shù)路線23-26
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容與方法23-24
• 1.3.2 技術(shù)路線24-26
• 2 大采高沿空掘巷圍巖變形破壞特征26-36
• 2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)工程背景26-30
• 2.1.1 礦井簡況26
• 2.1.2 大采高工作面工程地質(zhì)與技術(shù)條件26-29
• 2.1.3 大采高沿空巷道工程技術(shù)概況29-30
• 2.2 試驗(yàn)巷道圍巖物理力學(xué)特性30-32
• 2.3 大采高沿空掘巷試驗(yàn)圍巖變形特征32-35
• 2.3.1 大采高沿空掘巷圍巖變形破壞狀態(tài)及監(jiān)測32-33
• 2.3.2 大采高沿空掘巷試驗(yàn)圍巖變形過程33-34
• 2.3.3 大采高沿空掘巷試驗(yàn)圍巖變形特征34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 3 煤層巷道基礎(chǔ)剛度效應(yīng)研究36-52
• 3.1 煤層巷道頂板力學(xué)模型36-42
• 3.1.1 平面應(yīng)變條件下頂板穩(wěn)定性分析36-37
• 3.1.2 Winkler基礎(chǔ)懸梁模型建立37-39
• 3.1.3 模型求解39-41
• 3.1.4 巷道頂板彎矩和撓度表達(dá)式41-42
• 3.2 煤層巷道頂板彎曲變形規(guī)律42-45
• 3.2.1 算例參數(shù)選取42-44
• 3.2.2 巷道頂板巖層的彎曲變形及特征44-45
• 3.3 煤層巷道頂板的基礎(chǔ)剛度效應(yīng)45-49
• 3.3.1 頂板彎曲變形與抗彎剛度的關(guān)系46
• 3.3.2 頂板彎曲變形與基礎(chǔ)剛度的關(guān)系46-47
• 3.3.3 頂板彎曲變形與基礎(chǔ)厚度的關(guān)系47-48
• 3.3.4 頂板彎曲變形與垂直集中應(yīng)力的關(guān)系48-49
• 3.3.5 頂板彎曲變形與巷道跨度的關(guān)系49
• 3.4 本章小結(jié)49-52
• 4 工程巖體劣化及數(shù)值模擬方法研究52-72
• 4.1 圍巖力學(xué)性質(zhì)與峰后破壞特性52-54
• 4.1.1 煤巖體峰前力學(xué)特性52-53
• 4.1.2 巖石的峰后脆性特性與破壞形態(tài)53-54
• 4.2 工程巖體拉伸劣化力學(xué)機(jī)制54-57
• 4.2.1 工程巖體剪切破壞強(qiáng)度弱化模型及其力學(xué)機(jī)制55-56
• 4.2.2 工程巖體楊氏模量劣化的力學(xué)機(jī)制及其意義56-57
• 4.3 圍巖拉伸劣化特性與量化計算57-60
• 4.4 工程巖體劣化模型的數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)60-61
• 4.5 回采巷道圍巖拉伸劣化效應(yīng)研究61-69
• 4.5.1 數(shù)值模型建立61-62
• 4.5.2 巖體力學(xué)參數(shù)確定62-64
• 4.5.3 回采巷道圍巖峰后劣化的變形效應(yīng)分析64-66
• 4.5.4 回采巷道圍巖峰后劣化的支護(hù)受力效應(yīng)分析66-69
• 4.6 模型仿真模擬效果驗(yàn)證69-70
• 4.7 本章小結(jié)70-72
• 5 大采高工作面采動應(yīng)力場演化規(guī)律72-90
• 5.1 采空區(qū)冒落巖體壓實(shí)力學(xué)機(jī)制72-76
• 5.1.1 采場覆巖運(yùn)移的基本特征72-73
• 5.1.2 覆巖開采擾動范圍73-74
• 5.1.3 采空區(qū)垮落帶巖體力學(xué)特性74-75
• 5.1.4 采空區(qū)模型力學(xué)特性的數(shù)值模擬反演75-76
• 5.2 數(shù)值模型建立76-77
• 5.3 工作面采動應(yīng)力場演化規(guī)律77-83
• 5.3.1 工作面前后支承壓力演化規(guī)律77-80
• 5.3.2 側(cè)向煤柱集中應(yīng)力與力學(xué)狀態(tài)演化規(guī)律80-83
• 5.3.3 工作面采動應(yīng)力場演化規(guī)律83
• 5.4 采動應(yīng)力場的覆巖破裂劣化效應(yīng)83-89
• 5.4.1 裂隙帶巖體等效劣化模擬方法83-84
• 5.4.2 裂隙帶發(fā)育程度對工作面前后支承壓力分布的影響規(guī)律84-86
• 5.4.3 裂隙帶發(fā)育程度對側(cè)向煤柱集中應(yīng)力分布的影響規(guī)律86-89
• 5.4.4 采動應(yīng)力場的覆巖破裂劣化效應(yīng)89
• 5.5 本章小結(jié)89-90
• 6 大采高沿空掘巷圍巖動態(tài)演化規(guī)律與煤柱尺寸效應(yīng)90-114
• 6.1 沿空掘巷數(shù)值模型90-92
• 6.1.1 三維數(shù)值模型90-91
• 6.1.2 模擬方案與巷道支護(hù)91-92
• 6.2 不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)特征92-96
• 6.2.1 掘巷前煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律92-93
• 6.2.2 沿空掘巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)93-94
• 6.2.3 沿空掘巷圍巖拉伸破壞發(fā)育特征94-96
• 6.3 不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖變形演化規(guī)律及煤柱尺寸效應(yīng)96-107
• 6.3.1 沿空巷道掘進(jìn)期間頂板變形演化規(guī)律96-100
• 6.3.2 沿空巷道掘進(jìn)期間兩幫變形演化規(guī)律100-103
• 6.3.3 沿空巷道掘進(jìn)期間底板變形演化規(guī)律103-106
• 6.3.4 煤柱寬度對沿空掘巷圍巖變形的影響規(guī)律106-107
• 6.4 不同煤柱寬度下沿空巷道采動變形演化規(guī)律及煤柱尺寸效應(yīng)107-112
• 6.4.1 沿空巷道回采期間非對稱超前支護(hù)107-108
• 6.4.2 大采高沿空巷道采動變形演化規(guī)律108-111
• 6.4.3 煤柱寬度對沿空巷道圍巖采動變形的影響規(guī)律111-112
• 6.5 大采高沿空掘巷煤柱尺寸優(yōu)化112-113
• 6.6 本章小結(jié)113-114
• 7 大采高軟弱圍巖沿空巷道控制原理與支護(hù)對策114-132
• 7.1 基于基礎(chǔ)剛度效應(yīng)的控幫護(hù)巷支護(hù)原理及現(xiàn)場試驗(yàn)114-119
• 7.1.1 煤層巷道控幫護(hù)巷支護(hù)原理114-115
• 7.1.2 沿空掘巷控幫護(hù)巷支護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)115-118
• 7.1.3 控幫護(hù)巷支護(hù)的現(xiàn)場試驗(yàn)效果118-119
• 7.2 控幫護(hù)巷支護(hù)技術(shù)與圍巖穩(wěn)定性控制研究119-129
• 7.2.1 控幫護(hù)巷支護(hù)技術(shù)方案119-123
• 7.2.2 沿空掘巷控幫護(hù)巷圍巖拉伸破壞發(fā)育特征123-124
• 7.2.3 沿空掘巷控幫護(hù)巷圍巖變形控制124-127
• 7.2.4 大采高沿空巷道控幫護(hù)巷采動圍巖變形控制127-129
• 7.3 控幫護(hù)巷技術(shù)的作用機(jī)理及優(yōu)化策略129-130
• 7.4 本章小結(jié)130-132
• 8 結(jié)論與展望132-136
• 8.1 主要結(jié)論132-134
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)134-135
• 8.3 展望135-136
• 參考 文獻(xiàn)136-146
• 致謝146-148
• 作者簡介148-150

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：792955