多次采动渐进诱发软岩巷道非均称变形及封闭承载结构再造

摘要

朱集东煤矿东翼采区南北盘区多个工作面连续采动渐进诱发岩石巷道群发生非均称变形并最终引发大变形破坏，已严重制约矿区高速生产发展。本文结合长达2年现场跟踪调查、观测数据，采用基础理论分析、数值模拟分析及工业试验方法，总结归纳巷道非均称变形特征及时空演化规律，全面论述了巷道非均称变形影响因素及变形机理，针对巷道前期非均称变形及后期大变形特征，提出了包括底板锚注技术在内的成套封闭承载结构再造技术，成功进行工业性试验，主要研究结论如下：
　　（1）巷道非均称变形主要有：
　　①一帮严重内挤、单个肩底角处破坏严重及非对称底鼓三类主要的巷道表观点、线非均称变形，且往往在一定区域范围内破坏位置处于同一方位，通常以垂直围岩层理方向变形破坏最为严重；
　　②巷道不同岩性围岩也表现出非均称变形，即较硬的岩石以脆性断裂为主，顶板硬岩表现为整体旋转下沉变形；较软的岩石极为破碎，甚至呈泥土状，以流动变形为主。
　　（2）模拟显示背斜区水平应力集中系数高达3.6，垂直应力最大集中系数为1.8，背斜核部水平应力最大，两翼水平应力次之，转折端附近水平应力最小；沉积岩层具有各向异性特征，在正交各向异性条件下圆形巷道表面切向应力分布关于岩石层理方向和垂直于层理方向分别对称，具有明显的不均匀“四峰四谷”对称分布特征，且巷道垂直层理方向切向应力最大，这种不均匀性随着E1、E2的差值及水平地应力的增大而增大。
　　（3）倾斜岩层巷道围岩硬、软岩层互层，或围岩局部发育有岩石结构缺陷，或围岩各部位节理裂隙发育不均匀等原因会导致巷道围岩力学性质不对称分布。当巷道围岩应力分布的非均匀性、围岩力学性质的非对称性及巷道支护强度相互影响足以引起巷道围岩明显差异性变形时，巷道将发生非均称变形。数值模拟研究还表明巷道围岩软弱夹层的存在会进一步加大巷道非均称变形程度、巷道位移最大值和分布区间、岩层界面离层滑移及塑性区扩展。
　　（4）巷道初期点、线非均称变形的主要原因是：
　　①非均匀分布的高构造应力场及巷道浅部围岩应力；
　　②倾斜岩层巷道围岩力学性质非对称分布；
　　③沉积岩层自身结构缺陷形成巷道围岩弱结构区；
　　④支护方式不当、支护强度不足。工作面采动影响是诱导因素，在采动影响下，巷道围岩关键区域率先变形破坏，其他区域滞后破坏或者破坏程度相对较低，从而引起巷道非均称变形；真正导致巷道后期大变形的原因是巷道采用了非封闭支护方式，未支护或弱支护的巷道底板严重底鼓，循环卧底后导致巷道帮部围岩逐步往底板流动，巷道帮顶部围岩进一步松动破坏，加剧巷道非均称变形，并最后导致巷道大变形。
　　（5）全封闭支护方法是控制巷道后期发生大变形破坏的重要手段。提出“可缩支架+注浆+锚杆索”联合封闭支护修复技术体系，包括底板锚注整套技术方案及工业流程，重构封闭承载圈。工业性试验矿压监测表明巷道修复加固后两帮变形量为66mm，顶板下沉量最大为20mm，底板最大变形量为40 mm。

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变量注释表

1 绪论

1.1 选题的背景及意义（The Raise of Problem and the Meaning of Research）

1.2 国内外研究现状（Research Status）

1.3 研究内容及技术路线（ Research Conte nts and Tec hnology Roadmap）

2 工程背景

2.1 巷道群布置特征（Layout Characteristics of Roadway Groups）

2.2 巷道工程地质条件（Engineering Geological Conditions）

2.3 巷道群初始支护（Initial Support of Roadway Groups）

3 多次采动渐进诱发软岩巷道非均称变形

3.1 基本变形特征（Basic Failure Characteristics）

3.2 巷道表观点、线非均称变形（ Asymmetric Deformation Characteristic as Point and Line of Roadway Surface）

3.3 巷道不同岩性围岩非均称变形（ Asymmetric Deformation Characteristic of Different Roadway’s Lithology）

3.4 小结（Brief Summary）

4 巷道非均称变形机理及影响因素分析

4.1 背斜构造区应力场非均匀分布特征(Inhomogeneous Characteristics of Stress Field in Anticline)

4.2 沉积岩层各向异性力学性质（ Anisotropy Mechanical Properties of Sedimentary Strata）

4.3 倾斜岩层巷道围岩应力非均称分布（As ymmetric Distribution Characteristic of Roadway Surrounding Rock Stress in the tilted strata）

4.4 岩层倾角及软弱夹层对巷道围岩非均称变形的影响（ Strata Inclination and Weak Intercalation on The Effect of Asymmetric Deformation Characteristic ）

4.5 巷道非均称变形破坏机理（ Mechanism of Asymmetric Deformation Characteristic of Roadway）

4.6 小结（Brief Summary）

5 巷道全封闭承载结构再造技术

5.1 非均称变形巷道围岩控制技术（Control Principle of Roadway Surrounding Rocks Faced Asymmetric Deformation Characteristic）

5.2 全封闭承载结构再造方法（Reconstruction Method of Closed Bearing Structure）

5.3 小结（Brief Summary）

6 工业性试验

6.1 巷道基本情况（Background of Roadway）

6.2 巷道扩刷修复方案（Expanding Scheme of Roadway）

6.3 底板锚注方案（Floor Bolting Casting）

6.4 矿压监测（Ground Pressure Monitoring）

6.5 小结（Brief Summary）

7 主要结论

参考文献

作者简历

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