杨家村矿弱胶结软岩大断面煤巷失稳机制及支护技术

发布时间：2020-02-22 02:48

【摘要】：近些年,西部地区矿井弱胶结软岩巷道失稳现象较为频发,成为众多专家与学者研究的重要课题,也是较多矿井所面临的并需亟待解决的问题,本文采用现场调研、室内试验、理论研究、FLAC3D数值模拟、工程类比以及现场实测综合研究手段,以内蒙古杨家村煤矿414108工作面弱胶结软岩辅助运输顺槽顶板失稳冒落段为依托,探究了弱胶结软岩大断面煤巷围岩物理力学特性、巷道变形特征、顶板砂质泥岩本构模型反演、围岩稳定性主要影响因素、煤巷失稳机制以及顶板依次为莫尔-库伦本构模型、多节理本构模型与双线性应变软化多节理本构模型,巷道围岩稳定性演化规律;分别提出以优化巷高为核心的“倒楔形”高强高预紧力锚网梁索喷非对称耦合支护技术,与优化巷道断面形式为核心的全断面锚网索喷联合技术,主要研究成果如下:(1)采用室内试验、现场实测与工程类比综合研究手段,获得了顶板围岩变形力学类型、煤岩层基本物理力学特性研究以及巷道围岩矿压显现特征;巷道顶板岩层变形力学类型为ⅠB型,岩石基本物理力学特性与水影响程度具有相关性,基本物理特性呈现为遇水易软化、泥化、微膨胀及层状崩解性,基本力学特性表现为水影响程度低,与硬脆性岩石相接近,岩石脆性与压硬性较为突出,水影响程度高,强度与变形指标呈现一定软化效应;煤样抵抗屈服破坏与变形能力较强,力学性质稳定性程度较高合理利用煤层良好的力学特性,发挥煤层承载能力,有利于维护煤巷围岩稳定。(2)围岩变形以顶底板相对移近为主,两帮相对移近不明显,不同测站围岩稳定性存在差异性,顶板失稳段围岩表面位移与离层曲线较明显呈现出“平台段”与“突跳段”间歇分布演化特征,演化过程具有近似同步性,顶板围岩呈现深基点离层多数大于浅基点的新特征,顶板岩层离层群特征的形成,是弱含水层渗流软化作用、层理面水平剪应力与垂直拉应力综合作用的结果,渗流软化作用是加剧岩层力学性质各向异性与变形不协调程度的主要影响因素。(3)砂质泥岩弱胶结特性呈现为:受发育程度较高软弱层理面影响,岩石呈现常见张拉破坏、剪切滑移破坏形式时,同时产生环向剪切破坏的新形式,该特征一方面源于岩石介质材料遇水抗剪强度与抗拉强度指标的弱化,另一方面在于层理结构面抗剪强度指标遇水的衰减,而后者是形成岩石(岩层)弱胶结特性的内在本质,巷道顶板砂质泥岩多离层矿压特征是岩层弱胶结性的具体表征。岩石软岩特性主要体现在,强度(峰值强度、残余强度、剪切强度与抗拉强度)与刚度(弹性模量、泊松比)的显著劣化。(4)岩石强度特性为单轴压缩全应力-应变曲线峰前扩容应力门槛值降低,体积膨胀变形过程延长,峰后残余应力值降低最为明显,三轴压缩压硬性程度降低,峰值强度与残余强度的围压效应减弱,剪切强度劣化极为显著,试样抗拉强度衰减程度明显。变形特性为单轴压缩渐进性变形破坏过程持续时间短,峰前裂纹不稳定扩展至宏观失稳过程延长,峰后变形宏观上具有一定塑性流动特征和延时效应,破坏过程中存在一定侧向膨胀变形,抗压缩性能力降低,刚度与抗变形能力弱化明显,饱水状态岩石三轴压缩峰后呈现一定蠕动变形特征,干燥状态岩石随围压增加,由脆性向延性转变;破坏特性为,宏观破坏特征主要有环向剪切破坏面、张性破坏面与剪切滑移面组成,受拉破坏裂纹呈现“非单一性”分布特征。(5)采用FLAC3D数值模拟反演分析方法,综合探究单轴压缩数值模型岩石试样全应力-位移曲线演化形态、峰值强度、残余强度、塑性剪切应变率、塑性屈服形态,双线性应变软化多节理模型能较合理体现室内岩石试样单轴压缩全应力-应变演化形态以及破坏特征,进行围岩稳定性研究较合理、可靠。(6)锚杆(索)失效性主要在于,弱含水层长期渗流作用,引起锚固剂(灌浆体)与孔壁脱粘,界面发生剪切滑移破坏,削弱了锚索悬吊作用,难以有效实现工程力传递,锚杆轴向与横向作用力弱化,支护结构整体支护效果降低。顶板“大、小结构体”渐进性劣化,是岩层弱胶结性、离层群特征及支护结构失效综合作用的结果,顶板结构稳定性主要取决于“小结构体”(锚固体岩梁结构),“小结构体”的破坏、渐变与垮落是形成顶板“大结构体”发生失稳的关键因素。(7)巷道顶板属于挠曲折断失稳类型,形成机制为弱含水层渗流软化作用长期作用下,岩层的弱胶结性、离层群特征以及支护结构的失效性,引起锚固体岩梁(小结构体)上覆丧失承载能力岩体载荷逐渐增加,锚固体从最初具有较好承载能力的两端固支岩梁结构逐渐向三铰拱结构渐进性演变,随着三铰拱锚固体岩梁块体不断下沉、摩擦、挤压与回转,最终诱发“小结构体”挠曲折断破坏与“大结构体”的失稳。(8)砂质泥岩层本构模型相同,埋深增加,塑性屈服区域扩延程度以及主应力差峰值位置向煤(岩)体深部转移幅度为顶板底板帮部,巷道位移大小为顶板帮部底板,支护结构轴向受拉力大小为顶锚索顶锚杆帮锚杆,顶锚索与顶锚杆轴向拉力逐渐提高并接近拉断载荷,巷帮肩部斜锚杆受力特征依赖于顶板锚杆(索)受力状态,当顶锚杆与锚索轴向拉力值低于拉断载荷,巷帮肩部斜锚杆轴向拉力随巷道埋深增加而增加,反之则降低。(9)埋深相同,砂质泥岩层依次取莫尔-库伦本构模型、多节理本构模型和双线性应变软化多节理本构模型,塑性区扩延幅度高低为顶板底板帮部,顶板主应力差峰值位置转移幅度逐渐加大,顶板与帮部主应力差峰值依次降低,受垂直应力与水平挤压应力共同作用以及底板混凝土垫层法向约束作用,底板主应力差峰值依次增加,顶板、底板与帮部主应力差演化特征与塑性区扩延特征基本一致。(10)本构模型相同,巷高增加,顶板塑性区扩延程度最高,巷帮与底板扩延程度较低;主应力差峰值位置延伸程度为顶板底板帮部;顶板下沉变形与巷帮移近相互关系与顶板本构的选取相关,顶板采用莫尔-库伦本构模型,巷帮移近幅度高于顶板,多节理本构模型与双线性应变软化多节理本构模型,顶板下沉变形幅度高于帮部;顶锚杆、顶锚索与帮锚杆轴向拉力逐渐增加。(11)巷高相同,砂质泥岩层依次为莫尔-库伦本构模型、多节理本构模型和双线性应变软化多节理本构模型,塑性区扩延幅度为:顶板底板帮部;主应力差峰值曲线演化特征差异明显;支护轴向拉力大小为:顶锚索顶锚杆帮锚杆;砂质泥岩层采用莫尔-库伦本构模型,塑性区扩延程度最低,围岩位移最小,支护轴向拉力最小;采用本构双线性应变软化多节理本构模型,顶板肩部区域塑性区扩延程度最高,中部塑性区无明显扩延,围岩表面位移最大,支护轴向拉力最大,顶板为多节理本构模型,塑性区扩延、围岩变形程度及支护轴向受力介于两者之间。(12)矢跨比1:0.1~1:0.3时,围岩塑性区扩延程度、主应力差值、主应力差峰值,及位移受顶板岩层本构效应影响程度低,矢跨比1:0.4~1:0.5时,顶板岩层“本构效应”与“拱效应”的综合作用,影响程度提高,采用直墙圆弧拱形巷道断面,主应力差提高,塑性屈服区域扩延程度与位移降低,稳定性提高。(13)降低矩形巷道高度,采用“倒楔形”高强高预紧力锚网梁索喷非对称耦合支护技术,扩大了有效锚固区范围,提高了顶板锚固体结构稳定性、强度、刚度和承载能力,缓解了岩层变形不协调性,发挥了帮锚杆对中部煤体移近的支护作用,降低了底板底鼓,抑制了裂隙水沿钻孔向巷道邻空面的渗流,减少了顶板岩层层间胶结质流失,降低了水对顶板围岩强度的软化作用,提高巷道围岩整体稳定性。采用直墙半圆拱巷道断面,施加锚网索喷联合支护技术,提高了巷道围岩自承载能力,顶板深部岩层抗变形能力增强显著,应严格落实锚杆锚固力确保措施,实现支护结构长期有效承载。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD353;TD322
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本文编号：2581794