深部巷道围岩承载圈演化规律及围岩稳定性评价研究

摘要

随着矿井开采深度的增加，特别是进入千米开采阶段，巷道围岩处于高应力状态，巷道围岩控制难度加大，威胁矿井安全生产，因此，对千米深井的应力状态、变形破坏机理及支护技术的研究，具有十分重要的理论与实际意义。本文以安居煤矿-1150水平轨道大巷为研究对象，采用理论分析、相似模拟实验、数值模拟和现场实测等方法，对巷道围岩承载圈理论进行了深入研究并进行了应用。　　通过对深部巷道开挖后应力变化的研究，发现巷道周围存在一个切向应力很大的应力环，将这个应力环定义为承载圈，当围岩应力小于岩体强度时，此时承载圈的内边界即为巷道表面，外边界即为切向应力高峰后1.2倍原岩应力处；当围岩局部区域的应力超过了岩体强度，承载圈的内边界为切向应力高峰前一倍原岩应力处，外边界为此时应力高峰后1.2倍原岩应力处。通过相似材料实验证明，承载圈的存在是深部巷道围岩实现自稳的关键。巷道围岩失稳的根本原因是巷道围岩承受不了高应力，发生破裂，导致破裂区扩大，承载圈向深部转移，围岩自身承载能力下降。　　建立了-1150水平轨道大巷数值模拟模型，得出了承载圈随掘进工作面推进过程中的演化规律，随掘进工作面不断向前推进，巷道围岩承载圈呈现向巷道深部逐渐扩展的趋势，且厚度逐渐增加，承载圈内、外边界逐渐远离巷道围岩表面，受承载圈向外逐渐扩展的影响，巷道围岩变形量逐渐增大，变形范围不断扩展，塑性破坏增加趋势明显。并研究了深部巷道围岩承载圈在非均匀应力场下的演化规律，随着侧压系数的不断增大，两帮应力基本不变，应力集中严重的位置由底板向两帮扩展，卸压区范围两帮未发生改变，顶底板向外扩展，承载圈由圆形向椭圆形扩展。在研究支护对承载圈的影响规律时，发现锚杆主要控制承载圈内边界，减小巷道围岩浅部的破坏，锚索主要控制围岩应力向外扩展，对巷道应力分布进行控制。　　按承载圈半径大小提出相应支护方案，当承载圈半径小于2.5m时，利用高预应力、强力锚杆支护；当承载圈半径大于2.5m小于5m时，利用”注浆锚杆+锚索”联合支护；当承载圈半径大于5m时，利用“锚杆+注浆锚索”联合支护。针对安居煤矿-1150水平轨道大巷设计了“注浆锚杆+锚索+射喷混凝土”联合支护的支护方案，并进行了现场应用，矿压观测表明，该支护对策及方案对深部高应力巷道围岩稳定性控制合理有效。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 “深部”的概念

1.2.2 深部高应力巷道支护理论研究现状

1.2.3 深部高应力巷道支护技术研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法与技术路线

2 工程背景

2.1 安居煤矿概况

2.1.1 交通位置

2.1.2 煤层概况及其顶底板特性

2.1.3 安居煤矿-1150水平轨道大巷工程概况

2.2深部高应力巷道岩石物理力学特性研究

2.2.1 试件取样地点及制备

2.2.2 岩石拉伸试验

2.2.3 单轴压缩试验

2.2.4 三轴压缩试验

2.2.5 计算内摩擦角φ和粘结力C

2.3 本章小结

3 深部巷道围岩变形机理研究

3.1 深部巷道围岩承载圈力学模型

3.1.1 深部巷道围岩破坏情况及应力变化

3.1.2 深部巷道围岩承载圈力学模型

3.2 深部巷道围岩承载圈力学特征

3.2.1 围岩弹性区分析

3.2.2 围岩塑性区分析

3.2.3 围岩破碎区分析

3.2.4 承载圈内外边界计算及厚度

3.3 深部巷道围岩承载圈相似模拟实验

3.3.1 研究目的

3.3.2 相似比例及模型尺寸

3.3.3 相似材料用料计算

3.3.4 监测设计

3.3.5 加载方案

3.3.6 实验结果分析

3.4 承载圈与巷道稳定性关系

3.5 本章小结

4 深部巷道承载圈演化规律研究

4.1 数值模拟模型的建立

4.1.1 模型的建立

4.1.2 计算准则

4.1.3 数值模拟方案及测点布置

4.2 巷道围岩承载圈演化规律

4.2.1 不同掘进距离下巷道y=25m断面处承载圈演化规律

4.2.2 巷道轴向承载圈演化规律

4.3 不同侧压系数下巷道承载圈演化规律

4.3.1 不同侧压系数下巷道围岩应力演化规律

4.3.2 不同侧压系数下巷道围岩塑性区演化规律

4.4 不同垂直应力下承载圈演化规律

4.4.1 不同垂直应力下巷道围岩应力演化规律

4.4.2 不同垂直应力下巷道围岩塑性区演化规律

4.5 支护对承载圈的影响

4.5.1 锚杆对承载圈影响规律

4.5.2 锚索对承载圈影响规律

4.6 支护对策

4.7 本章小结

5 安居煤矿-1150水平轨道大巷围岩支护方案

5.1 原支护方案监测及承载圈理论计算

(1)围岩裂隙钻孔电视监测

(2)承载圈理论计算

5.2 支护方案

5.3 试验巷道围岩控制效果监测评价

5.3.1 监测方案

5.3.2 监测分析

5.4 本章小结

6 安居煤矿-1150水平轨道大巷围岩稳定性评价

6.1 评价原理介绍

6.2 评价指标及核函数的确定

6.2.1 评价指标的确定

6.2.2 核函数的确定及参数优化

6.3 模型的建立及测试

6.3.1 模型的建立

6.3.3 模型的测试

6.4 安居煤矿-1150 水平轨道大巷围岩稳定性评价

6.5 本章小结

7 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

学位论文数据集