深井开采裂隙水顶板强度弱化机理及支护参数优化研究

摘要

近年来随着煤矿开采深度的增加,井下地质环境变得越来越复杂,尤其是高地应力伴随有较大淋水区域的巷道,随着巷道的掘进围岩会经历失水-吸水-失水的不间断循环,再这样的循环中围岩的裂隙度、物理属性、强度都会发生相应的改变,进一步导致应力环境的改变,如果未进行及时支护和加固措施则巷道会发生大变形、甚至冒顶。因此,开展裂隙水巷道顶板强度弱化机理及支护加固研究,具有重要的科学与工程意义。
　　针对陈满庄矿井典型的裂隙淋水巷道顶板条件,对现场采取的岩煤试样进行了物理力学参数的测定、水对砂岩物理力学参数的影响实验、以及原岩应力测定等深井裂隙水顶板巷道物理力学条件的系统研究。发现本矿的最大水平应力成为巷道失稳破坏的主要力学因素,并且再含有较高渗透压力的岩体中,其内部的应力状态及强度都有所改变,承受相同渗透压的岩体,其强度随着围岩应力的升高而增大;再固定的围岩应力环境中,渗透压的升高却导致岩体强度的下降。
　　应用弹塑性理论的基本知识,对裂隙水影响下简化圆形巷道在有效支护条件下围岩塑性区半径和位移进行了模拟演示,发现水作用下巷道塑性区半径及位移较无水状态下增大,并分析得到了裂隙水水巷道塑性区半径和位移与原岩应力、支护强度、原始渗透水压力、有效水压力系数以及内聚力之间的变化规律。现场钻孔探测与COMSOL3.5a多场耦合数值模拟相结合,详细研究了顶板强度弱化规律,发现水作用下3206巷道顶板裂隙在掘进稳定期间仍在扩展发育,且顶板下沉量随着岩石含水率增加而逐渐变大,从而揭示了富水巷道顶板强度弱化的基本原理和规律。
　　以裂隙水巷道顶板遇水前后物理力学性质特征、直接顶岩性以及顶板水赋存层位为依据,利用 FLAC模拟研究得到了富水巷道顶板锚杆支护主要技术参数。并依据实验提供的顶板弱化演变过程,提出了顶板有控疏水措施,以及3206胶带巷的围岩加固措施。
　　研究成果在现场进行了应用研究,取得了良好的技术经济效果。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容及研究技术路线

2 煤矿深部围岩岩性条件

2.1 矿区深部围岩地质条件

2.2 矿区深部围岩物理力学性质

2.3 深部原岩应力测试研究

2.4本章小结

3 裂隙水对砂岩力学特性的影响

3.1 地下水与岩石作用机理

3.2 裂隙水与岩体结构面作用机理

3.3 裂隙水压力作用下砂岩力学特性实验研究

3.4 本章小结

4 深部水岩耦合巷道稳定性演化的数值模拟研究

4.1 围岩变形破坏的机理

4.2 稳定性演化的数值分析软件

4.3 模拟条件及稳定性演化模拟研究

4.4 本章小结

5 巷道顶板稳定性控制理论与支护技术研究

5.1 高渗透压力作用下的变形破坏机理

5.2 巷道支护参数优化研究

5.3本章小结

6 工程实践

6.1 顶板有控疏水措施

6.2 3206胶带巷围岩稳定控制措施

7 结论

参考文献

在学研究成果

致谢