【摘要】：随着开采深度的不断增加,越来越多的煤矿进入到深部开采阶段,许多巷道都出现了不同程度的底臌破坏现象,严重影响了人民的生命财产安全和煤矿的高效生产,是一个亟需解决的工程问题。但由于深部岩体复杂多变的赋存条件,再加上高应力、高地温和高渗透压这“三高”一扰动的影响,使得巷道底臌的变形破坏机理极其复杂。为了能够控制深部软岩巷道底臌,提出科学合理的底臌控制对策,就必须要围绕深井软岩巷道的底臌变形破坏开展相关的研究工作,掌握其变形破坏机理。多数深井软岩巷道都处于沉积岩地层,岩层结构对巷道围岩产生的影响不容忽视,岩层结构赋存特征是诱发巷道底臌的重要因素,因此在研究深井软岩巷道底臌问题时应当把岩层的结构考虑进去,需要围绕层状岩体深井软岩巷道底臌变形破坏开展相关研究。本文针对深部缓倾斜层状软岩巷道底臌破坏问题,理论分析了层状岩体巷道底板结构及其受力特点,建立了缓倾斜层状软岩巷道底板岩梁的力学模型,并对底板岩梁的抗弯刚度、发生挠曲破坏的临界挠度和临界荷载进行分析,研究了缓倾斜层状软岩巷道底臌破坏的主控因素。以不同的深部软岩巷道为背景,开展了不同岩体结构条件下层状深井软岩巷道底臌破坏的物理模型实验,借助于数字图像相关技术、红外热成像技术以及应变测量元件,获取了实验过程中的应力场、温度场及位移场数据,确定了不同岩体结构条件下层状深井软岩巷道发生底臌的应力条件及关键位置,获得了底板岩层失稳破坏前的异常温度变化特征,揭示了巷道发生破坏过程中巷道围岩的变形演化规律;同时利用3DEC离散元数值模拟软件,对不同断面形状、不同岩层倾角、不同岩层厚度条件下的深部缓倾斜软岩巷道底臌进行了模拟,研究了岩层结构效应对巷道底臌的影响。通过对深部缓倾斜薄层状圆形和直墙半圆拱形软岩巷道底臌进行研究得出了以下结论:(1)当侧压力系数较小时,巷道围岩的变形相对较小,巷道不会发生底臌破坏。随着侧压力系数逐渐增加,当侧压力系数达到一定的阈值后巷道才会发生底臌破坏;巷道发生底臌破坏的过程中,巷道围岩的变形呈现出明显的非对称的特点,巷道两帮和底板的位移变化量相对较大,巷道顶板的位移变化量相对较小;(2)深部缓倾斜薄层状圆形巷道发生底臌破坏的关键位置位于巷道的右底脚区域,底臌发生的过程为:首先底板岩层发生错动,接着底板岩层开始向上产生挠曲并出现离层现象,随后底板岩层发生折断向上隆起发生严重的底臌破坏;(3)深部缓倾斜薄层状直墙半圆拱巷道发生底臌破坏的关键位置位于巷道的右底脚,巷道发生底臌破坏的过程为:首先底板上部岩层产生向上的挠曲变形,随着底板岩层挠曲变形的不断增大,底板上部岩层与其下部的岩层分离产生离层现象,随后底板上部岩层发生断裂,其它岩层随断裂的底板向上隆起,最终巷道出现严重的底臌破坏现象;(4)巷道围岩发生破坏的过程伴随着异常的温度变化,巷道底板区域的岩层温度出现升高和降低的现象,温度升高说明底板岩层开始出现了错动摩擦,温度降低说明底板岩层受到损伤出现裂纹或裂纹扩展者是岩体应力状态的降低,巷道围岩的温度异常特征范围可以表征巷道围岩破坏的范围,因此岩体的温度变化特征能够在一定程度上反应岩体的力学行为;(5)巷道底板岩层受到较高的张拉应力,巷道底部的远侧岩体受到较高的压应力,巷道发生底臌破坏前巷道围岩体处于拉应力状态,而巷道远侧岩体处于压应力状态,巷道底板在这种拉压共同作用下破坏失稳发生底臌破坏。通过对深部缓倾斜厚层状直墙半圆拱形软岩巷道底臌进行研究得出了以下的主要结论:(1)层状岩体深井软岩巷道,当底板为厚度较大的软弱岩层时,当侧压力系数较小时,巷道开挖过程中围岩也会产生一定的位移变形,其中巷道底板向上出现一定程度的隆起,底板的变形量大于两帮和顶板的变形量;(2)巷道开挖进尺对巷道围岩的应力状态产生了不容忽视的影响,随着开挖进尺的不断增加,首先巷道左底角和右底角区域的拉应力增加,接着巷道顶部的拉应力增加,巷道右底角远场岩体的拉应力增加,巷道周围一倍洞径范围的岩体基本都处于拉应力状态;(3)巷道开挖过程中围岩温度的降低的原因主要包括应力的减小以及微裂隙的产生以及裂纹的扩展,底板岩层温度的升高是由于底板岩层中的摩擦作用造成的,底板岩层之间发生错动摩擦积聚了能量使温度升高,围岩的异常温度变化特征可以在一定程度上表征巷道围岩发生的力学变形行为。利用离散元数值模拟软件3DEC对不同断面形状、不同岩层倾角、不同岩层厚度条件下的深部缓倾斜软岩巷道底臌进行了模拟,研究了不同岩层结构条件下巷道围岩的变形破坏特点,巷道底臌破坏的关键位置,巷道发生底臌破坏过程中巷道围岩的应力演化过程以及底板岩层的运移过程。通过以上的研究得出了以下主要结论:(1)深部缓倾斜层状软岩巷道,在其它岩层结构条件相同只改变巷道断面形状的条件下,巷道围岩的位移变形量有较大的不同,巷道断面形状对巷道的底臌量影响较大,当巷道形状由圆形变为直墙半圆拱形或方形后,底板的变形量明显增加;不同断面形状的软岩巷道底臌破坏的关键位置都位于巷道的右底角区域;(2)深部缓倾斜层状软岩巷道,在其它岩层结构条件相同只改变岩层倾角的条件下,岩层倾角在0°到30°范围内,随着岩层倾角的增大底板的底臌变形量明显增加,围岩变形的非对称性更加明显,巷道发生发生破坏的关键位置由巷道底板的中间位置向岩层倾角增大的方向转移;(3)深部缓倾斜层状软岩巷道,在其它岩层结构条件相同只改变岩层厚度的条件下,巷道围岩的变形随着岩层厚度的增加而逐渐减小,当岩层厚度达到一定的值后,岩层厚度对巷道围岩的影响较小;(4)深部缓倾斜层状软岩巷道发生破坏的过程为,首先巷道底板岩层在水平应力的作用下产生向上的挠曲变形并与其底板下部岩层分离,随着挠曲的逐渐增大底板岩层发生断裂,底板下部岩层在水平力的挤压作用下也向上产生挠曲变形致使巷道发生严重的底臌破坏;(5)深部缓倾斜层状软岩巷道发生底臌破坏的过程中,随着巷道变形的不断增大,巷道围岩应力重分布导致巷道底板岩层中出现了拉应力区,巷道底板在拉压应力的共同作用下发生了底臌破坏。
【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】：2018
【分类号】：TD322
【图文】：
技术路线图
（c）唐山矿（埋深 960m） 图 2.1 典型深部Fig.2.1 Failure of typ深部软岩巷道底臌变形破坏的主要特（1）巷道底板的围岩性质和结构状岩层结构和厚度其所产生的底臌破坏类曲破坏，而厚层状的底板岩层则更多是岩层的强度等力学性质对于底臌的剧烈破坏现象更为明显。（2）巷道所处的地应力、构造应力要因素。特别是在深部复杂的地质环境和采动应力复杂，巷道在复杂的集中应力（3）对软弱围岩来说，当巷道有淋土矿物遇水软化，体积膨胀，使得底板强（4）选择合理的支护技术有利于限
2 缓倾斜层状软岩 道底臌力学模型及主控因素按式（2.9）计算所得的临界荷载之前便已发生破坏。显然用式（2.9）计算的结果并不是底板岩层在垂直应力和侧向应力共同作用下发生挠曲破坏的临界荷载。对于缓倾斜岩层的巷道来说，上述的水平层状软岩巷道底臌的力学模型有一定的局限性，通过对巷道围岩的岩层结构和受力进行分析，建立了如图 2.4 所示的缓倾斜巷道底板岩层受力模型，将底板岩层假设为两端铰支约束的岩梁，岩梁的倾角为 α，岩梁的荷载 q=γh，宽度 b=1，水平应力为 P，长度为 l，厚为 m。
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本文编号：
2796350
