复合结构柔性反底拱应用于软岩峒室稳定性控制研究

摘要

地下工程的围岩为软岩或因赋存深度增加呈现软岩特性的岩体时，其稳定性控制问题越发突出，其中对软岩峒室底臌的有效控制已成为决定峒室整体稳定性的关键。由于软岩峒室的破坏受软岩自身强度、采动压力、睡的作用支护形式及支护质量等多种因素的影响，目前还没有全面、统一的、合理的峒室支护理论。
　　 本文结合华宁集团鑫安矿的工程实际，探讨了软岩巷道的底臌机理，分析了引起该巷道底臌的因素、底臌的过程及底臌量的构成。在总结前人经验的基础上提出了复合结构柔性反底拱用于控制该巷道底臌的方法，并分析了复合结构柔性反底拱的作用机理。
　　 利用SAW-2000微机控制电液伺服岩石试验机等仪器设备，进行软岩峒室围岩岩石力学性质实验及柔性孔隙垫层的注浆试件单轴及常规三轴试验，得到了岩石注及浆试件破坏机理，巷道围岩及注浆试件的弹性模量、泊松比、内摩擦角等物理力学性质指标及破坏的全应力-应变曲线。实验结果得出不同围压及不同的注浆效果对注浆试件力学性质的影响显著。-800m胶带暗斜井及-600回风大巷底臌的影响因素包括围岩性质、水、地质构造、构造应力、巷道布置和支护形式六方面因素。这些因素的共同作用使得巷道底臌严重。其中，围岩性质、水、支护方式和构造应力是引起底臌的主要因素。
　　 运用有限元数值模拟软件模拟软岩峒室底板在无支护、普通刚性支护、复合结构柔性反底拱支护条件下，峒室围岩的位移、塑性区及应力分布等的变化规律。在底板未作支护的情况下，巷道表现出大变形，集中表现为拱顶下沉、两帮内敛、底板臌起。采用普通刚性反底拱与复合结构柔性反底拱均能明显控制围岩变形量，其中复合结构柔性反底拱效果更明显，突出表现在控制底臌量。比较得到了复合结构柔性反底拱措施对软岩峒室整体稳定性控制的有效性。
　　 将复合结构柔性反底拱应用于现场，针对修复前的施工方案存在的问题，对方案的参数、结构设计、支护材料的选择、施工组织等方面提出了相应的措施。取得了良好的支护效果，为同类软岩峒室稳定性控制技术的研究与应用提供了可行途径。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 问题提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 软岩的研究

1.2.2 围岩稳定性及底臌机理研究

1.2.3 底臌控制研究

1.2.4 研究现状评述

1.3 课题研究内容

1.4 课题研究方法

1.4.1 实验研究

1.4.2 理论分析和研究

1.4.3 数值模拟

1.4.4 工业性试验

1.5 课题研究技术路线

1.6 课题研究成果及创新之处

2 复合结构柔性反底拱底臌控制方案设计

2.1 工程背景

2.1.1 井田地质构造、地层及水文地质特征

2.1.2 巷道位置

2.2 巷道底臌情况

2.2.1 原支护方案

2.2.2 巷道变形情况

2.3 复合结构柔性反底拱底臌控制方案

2.3.1 方案设计

2.3.2 反底拱支护能力分析

2.3.3 复合结构柔性反底拱的作用机理

2.4 本章小结

3 软岩峒室围岩力学性质试验

3.1 软岩基本力学特性

3.1.1 软岩的概念

3.1.2 软岩的基本力学属性

3.1.3 软岩的工程力学性质

3.2 试验概述

3.3 实验方案设计

3.3.1 实验设备

3.3.2 试件加工及试验方法

3.4 岩石实验结果及分析

3.5 本章小结

4 柔性孔隙垫层注浆效果试验

4.1 注浆试件制备及实验设计

4.1.1 试件制备

4.1.2 实验设备与试验方法

4.2 注浆试件试验结果及分析

4.2.1 试件均匀度对注浆效果的影响分析

4.2.2 围压对注浆效果的影响分析

4.3 本章小结

5 鑫安矿软岩峒室底臌因素与控制分析

5.1 巷道底臌的主要影响因素

5.2 底臌的过程

5.3 底臌量的构成

5.4 巷道底臌控制

5.5 本章小结

6 复合结构柔性反底拱控制峒室稳定性数值分析

6.1 数值分析软件选择

6.2 数值模型的建立

6.2.1 数值模拟计算方案

6.2.2 本构模型及网格化分

6.2.3 边界条件

6.2.4 围岩力学计算参数

6.3 模拟计算结果与分析

6.3.1 位移量分析

6.3.2 应力场分析

6.3.3 塑性区分析

6.4 本章小结

7 复合结构柔性反底拱底臌控制工业性试验研究

7.1 工业性试验设计

7.1.1 底板应力破碎区边界计算

7.1.2 复合结构柔性反底拱施工方案

7.1.3 两帮及拱顶修复措施

7.2 工业性试验段矿压观测方案设计

7.3 复合结构柔性反底拱工业性试验底臌控制结果分析

7.4 柔性孔隙垫层注浆支护工艺

7.4.1 浆液选择

7.4.2 注浆参数

7.4.3 注浆管理措施

7.5 本章小结

8 主要结论及建议

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 建议

9 主要参考文献

10 致谢

11 攻读硕士期间取得的主要学术成就