深部强膨胀性软岩巷道变形破坏机理及控制技术研究

摘要

近年来，随着煤炭开采深度的增加，巷道围岩呈现松软破碎、变形量大、破坏严重等软岩特点，浅部巷道的围岩控制理论与支护技术已难以实现深部巷道的稳定性控制。特别是在巷道埋深大、地质结构复杂多变、水理作用以及采掘工程扰动等因素的影响下，巷道围岩极易吸水软化膨胀、强度降低，呈现出强膨胀性软岩变形破坏严重的特征，从而促使了巷道支护体系的不断更新和优化。如何实现软岩巷道的稳定性支护已成为煤矿掘进技术提高的核心难题，特别是在强膨胀性软岩巷道大变形破坏状况难以有效解决的条件下，深入研究该类巷道软弱围岩变形破坏机理及围岩稳定性控制技术具有重要的理论意义及应用价值。
　　本文以开滦（集团）有限责任公司林南仓矿业分公司强膨胀性软岩巷道地质条件为工程背景，综合运用现场监测、理论分析、室内试验、数值模拟及现场应用等方法和手段，分析了强膨胀性软岩巷道失稳破坏特征及机理，提出了架喷锚注耦合支护技术，并将该支护技术成功地应用于强膨胀性软岩巷道稳定性支护的工程实践，其主要研究结论如下:
　　(1)通过分析软岩巷道表面位移及深部破裂监测结果，将巷道变形破坏过程分为三个阶段，即急剧变形阶段、耦合变形阶段、缓慢流变阶段，并分析了各个阶段巷道变形破坏机制，为优化支护方案提供了理论指导。
　　(2)运用显微镜及扫描电镜观测了软岩的微观结构，分析了软岩成分及特性，以及该类软岩遇水膨胀、软化成泥的机理。
　　(3)采用物理力学试验对软岩试件进行了测试，得到了软岩弹性模量、单轴抗压强度及抗拉强度，结合软岩的水理性质试验研究了其膨胀特征，为改性试验方案提供了依据。
　　(4)针对强膨胀性软岩巷道变形破坏严重的现状，基于现场监测及室内注浆改性试验的研究结果，综合分析提出了架喷锚注耦合支护技术，实现了该类软岩巷道的稳定支护。
　　(5)利用FLAC3D数值模拟软件揭示了强膨胀性软岩巷道在不同支护条件下的变形破坏特征，进而得出架喷锚注耦合支护体系是最佳优化支护方案，并在林南仓矿业分公司三水平东一皮带通路探巷进行了现场试验，取得了良好效果，达到了深部强膨胀性软岩巷道有效控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 软岩巷道支护研究现状

1．3 研究内容与技术路线

2 强膨胀性软岩巷道变形破坏机理

2．1 地质工程概况

2．2 软岩巷道围岩变形破坏规律监测及分析

2．3 软岩微观结构及水理性质试验研究

2．4 软岩力学性质分析

2．5 本章小结

3 强膨胀性软岩改性试验研究

3．1 喷浆防水材料试验

3．2 注浆材料选择

3．3 不同浆液配比方案

3．4 注浆体强度测试

3．5 本章小结

4 强膨胀性软岩巷道支护优化模拟分析

4．1 数值模拟方法选择

4．2 数值模型

4．3 支护方案优化模拟研究

4．4 本章小结

5 架喷锚注耦合支护技术现场应用

5．1 架喷锚注耦合支护机理

5．2 支护参数选择

5．3 施工设计

5．4 实施效果

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果