岩巷底鼓机理及控制技术的力学分析

发布时间：2020-07-27 11:13

【摘要】：岩巷底鼓是煤矿中司空见惯的巷道破坏现象,目前80%以上巷道的破坏是由于底鼓引起的。为了解决巷道底鼓问题,近几十年来科技工作者们投入了大量的心血,开发了不少底鼓防治技术。然而,科技工作者们对底鼓机理的认识也不完全一致,底鼓防治技术的工程应用也并未都取得良好的效果。目前工程实践表明,深部巷道底鼓频现。为了更好地认识底鼓和底鼓防治技术,提高底鼓防治技术工程应用的成功率,有必要对其开展力学研究。煤矿岩巷围岩是由层状岩层构成,层理面、层面是其一大特点。本文采用岩石力学、材料力学、复合材料力学、对具有层状结构面发育的底板进行力学分析,探索底板的力学行为特点。在此基础上,利用RFPA2D数值软件对具有这种特点的巷道分析其在地应力下的底鼓特征,探索底鼓的规律性。进而依此,对目前广泛应用于工程的底鼓防治技术进行力学分析,探讨其防治底鼓的作用和局限性。通过研究,取得了如下成果:1.不论是自重应力场还是构造应力场作用下,底板岩层受力复杂,是多种力的复合作用,其中水平应力(平行于层理面)居主要地位。由不同层理构成的底板尤如层合板,在单一应力(拉压剪)作用下会产生剥离、脱层、劈裂,而在复合应力作用下,底板沿层理方向的脱开将更容易。2.层状岩层巷道的底板在巷道开挖后原岩应力进行重分布,在底板岩层形成以强大水平应力为主体的复合应力状态,层状底板在强大水平应力为主体的复合应力作用下,出现沿层理面或层理方向的劈裂、剥离、脱开,形成薄板,并压曲或褶曲破坏。层理发育的底板,沿层理脱开容易,因而底鼓强烈;层理不发育的底板,沿层理脱开不易,如果其沿层理方向的完整性好,则不易发生底鼓;只有当作用于底板的应力水平高时才能形成底鼓。3.RFPA2D数值模拟实验表明,自重应力场和构造应力场均能引起岩巷底鼓。在自重应力场下,随着原岩应力水平的增大,巷道底板的破坏形状由倒梯形向梨形发展,底板挠曲的深度范围大;在构造应力场作用下,随着原岩应力水平的增大,底板破坏形状由倒梯形向倒三角形发展,底板挠曲的深度范围较自重应力场小。虽然都有表现为倒梯形的情形,但自重应力的倒梯形底边远宽于构造应力场的。对于复合的原岩应力场,则这种特征也呈现过渡特性。4.不同应力场下底鼓的这种特性,可以辅助判定原岩应力是属于自重应力场为主还是构造应力场为主。5.底鼓的防治,应从削减作用于底板上的水平应力、提高底板岩层的完整性(抗劈裂能力)角度考虑。目前的单一防治技术多只顾及其一,如底板锚杆、底板注浆等只顾及后者,而底脚锚杆(索)、切缝、桩则只起到前者作用,所以作用发挥受限。可重复注浆技术兼顾两者较好,性价比较高。6.应力水平也是底鼓防治中的一个关键因素。RFPA2D数值模拟实验表明,应力水平对底鼓破坏区的形状也产生影响,同时加重底鼓程度。应力水平增高,底鼓破坏区范围加深,目前的单一技术在削减作用于底板上的水平应力、提高底板岩层的抗劈裂能力就显现其缺陷(力不从心)。可重复注浆技术,由于可实现定期或不定期不断给底鼓破坏的底板注入固化材料进行底板加固,注浆管和其周围的围岩联合构成粗而起到削减作用于底板上的水平应力作用,在防治岩巷底鼓方面具有良好的应用前景。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD353

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