深部复杂条件下巷道围岩分区破裂特征及其支护参数评价研究

摘要

随着煤炭开采逐步向深部发展，在复杂的开采条件和高应力环境下，深部巷道围岩的破坏模式与浅部具有显著的差异，巷道围岩的支护控制难度大大增加。目前深部巷道支护设计流程一般为：初始设计、实施设计、矿压观测、修改初始设计四个步骤。对于修改初始设计，目前多是靠常规的矿压观测方法来反馈支护参数的合理性，其只能对巷道变形量进行预测，而对深部巷道锚杆支护参数评价提供不了科学的依据。为解决目前难以根据现场条件变化及时评价和修改初始支护参数而造成支护失效这一难题，本文采用理论分析、现场测试和数值模拟研究为一体的方法，对深部复杂条件下巷道围岩分区破裂特征及其支护参数评价进行了研究。主要研究内容如下：
　　（1）应用高等岩体力学、断裂力学与损伤力学等有关知识，对深部不同采动阶段巷道围岩受力进行了理论分析。结果表明：深部巷道开挖后，巷道围岩塑性区内的岩体存在拉应变效应，单元体发生劈裂破坏，这样破裂带在高应力区以巷道轴心为中心的表面发展，破裂导致了塑性区内应力的释放，在破裂面临近的某一区域形成一个新的径向应力的自由面；巷道开挖后处于稳定阶段，在这一时间段内巷道围岩弹性区内同时产生了一个高应力区，且因此产生了第二条破裂带，只要“采深”的条件成立，这一过程将继续，当岩石压力减小、岩石的强度增加或巷道的位移变慢时，产生新破裂区域的过程就会停止；在巷道回采期间，由于采动应力的附加，巷道围岩中破裂带的数量和尺寸增加；
　　（2）以新汶矿区典型巷道的地质和开采条件为依托，使用目前较先进的岩层探测记录仪，探测不同类型顶板和受一次、二次采动影响的巷道围岩中裂隙及离层情况，考察复杂条件下深部巷道围岩分区破裂特征及其演化规律。探测结果表明：深部巷道围岩中存在分区破裂现象，不同破裂分区其破坏模式不同，可划分为“完全破坏区”、“松动破碎区”、“裂隙区”和“裂纹与离层共存区”。导致这种分区破裂的原因在于巷道围岩内高应力及其软弱结构面的存在。通过不同巷道围岩分区破裂特征对比分析，可以看出随着巷道围岩强度降低、围岩中弱结构数量增加，巷道围岩中破裂分区的数量也增加，破裂分区的尺寸也增大；受二次采动影响的巷道围岩中破裂分区数量及尺寸较受一次采动影响的巷道大；
　　（3）利用数值模拟软件对不同顶板类型的深部巷道围岩破裂进行了数值模拟，数值模拟结果表明：不同岩层性质的深部巷道围岩中存在分区破裂现象，且不同岩性的深部巷道围岩中分区破裂特征、数量、尺寸不同，与现场实测结果相比，数值模拟结果与现场测试结果相一致。
　　（4）提出了基于深部岩层分区破裂的锚杆支护参数评价方法，开发了相应的应用软件，并在现场进行了实践。结果表明：应用依靠该研究提出的深部巷道锚杆支护参数评价方法修正的锚杆支护参数，能有效地控制深部巷道围岩破坏。

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Contents

1 绪 论

1.1课题研究背景和意义

1.2 深部巷道围岩分区破裂化效应研究现状

1.3 深部巷道锚杆支护研究现状

1.4主要研究内容和研究方法

2深部巷道围岩分区破裂机理讨论

2.1深部巷道围岩受力分析

2.2蠕变失稳与岩层分区碎裂化间关系

2.3 关于深部巷道围岩分区破裂机理的讨论

2.4 本章小结

3深部巷道围岩分区破裂特征探测研究

3.1 岩层探测记录仪探测原理及研究方法

3.2 现场探测基本条件

3.3深部坚硬顶板巷道围岩分区破裂特征

3.4 深部中硬顶板巷道围岩分区破裂特征

3.5深部复合顶板巷道围岩分区破裂特征

3.6一次采动影响的深部巷道围岩分区破裂特征

3.7 二次采动影响的深部巷道围岩分区破裂特征

3.8 不同类型顶板及采动条件下巷道围岩分区破裂特征对比分析

3.9 本章小结

4 深部复杂条件下巷道围岩破裂与支护数值模拟

4.1 数值模型的建立

4.2 数值模拟结果及其分析

4.3 本章小结

5深部巷道围岩锚杆支护参数评价原理及方法

5.1深部巷道围岩锚杆支护参数评价原理及方法

5.2现场深部巷道围岩锚杆支护参数评价

5.3 本章小结

6 基于深部岩层分区破裂的锚杆支护参数评价软件系统开发

6.1 系统构建的原则

6.2系统总体结构

6.3系统开发环境

6.4 数据库设计

6.5 系统应用流程及实例

7 结论与展望

7.1主要结论及创新点

7.2展 望

致谢

攻读博士期间主要成果

参考文献