工程岩体劣化与大采高沿空巷道围岩控制原理研究

发布时间：2017-09-04 17:46

  本文关键词：工程岩体劣化与大采高沿空巷道围岩控制原理研究

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【摘要】：随着矿井开采深度和强度的不断增加,深部高地应力、强采动影响、软弱破碎围岩等地质条件复杂、支护困难的巷道所占比例日益增大,巷道围岩大变形、大范围破坏所造成的安全事故频发,断面剧烈收缩严重影响巷道通风及运输能力,制约着煤矿安全高效生产。煤矿巷道围岩的力学状态往往在破坏后进入峰后劣化阶段,峰后劣化特性是围岩稳定性分析与支护优化的关键。在采动高应力作用下,回采巷道浅部围岩出现不同程度的裂隙发育和扩展,造成围岩破碎、力学性能弱化甚至失稳冒落。研究工程岩体劣化与大采高沿空巷道围岩控制原理,对完善和发展工程岩体峰后劣化机制与数值仿真方法,对工程岩体稳定性分析与控制、大采高沿空巷道围岩控制,具有重要的理论意义和应用价值。以赵固二矿大采高沿空巷道掘进期间围岩破碎、大变形和维护困难等实际工程问题为背景,采用现场实测、实验室测试、理论分析、数值模拟仿真等研究手段,综合弹塑性力学、采矿学、数值有限差分法、计算机编程等领域知识,对课题进行深入系统的研究,取得了如下主要结论和成果:(1)以大采高沿空巷道为工程背景,通过煤岩物理力学试验,得到了试验巷道围岩峰前与峰后的力学特性;分析了试验巷道围岩变形破坏特征。受上区段采动应力与围岩环境的影响,8m煤柱沿空掘巷围岩变形破坏严重,呈现大变形和强蠕变特征,两帮和底板煤体变形量大,蠕变性强,巷道支护及维护难度大。(2)基于巷帮软弱煤岩体在集中应力作用下的非刚性或可变形性,将巷道两帮视为可变形基础,建立了巷道顶板Winkler基础悬梁模型,推导出巷道顶板的弯矩和挠度表达式,针对典型顶板结构,分析得到巷道顶板的弯矩和挠度分布规律,研究揭示了巷帮变形基础支承下的顶板弯曲变形特征。在两帮垂直集中应力作用下,巷帮软弱煤岩体发生明显的压缩变形,顶板岩层随基础变形而整体下沉,巷内、巷外的顶板呈现连续弯曲变形,顶板跨中的最大弯矩和最大位移与巷道肩角处相差很小,顶板岩层的大变形、破裂和冒顶隐患将受岩体结构面控制,巷帮变形改变了顶板的力学与变形特征;研究了顶板跨中弯曲变形与直接顶抗弯刚度、基础刚度、基础厚度、巷帮集中应力及巷道跨度的变化规律,揭示了软弱围岩和深部巷道顶板的基础刚度效应。巷帮基础刚度对顶板变形量影响极大,是顶板变形的关键影响因素,垂直集中应力及两帮基础厚度也有明显影响。(3)基于岩石峰后破裂的力学特性和应变软化模型的软化特征分析,研究揭示了工程岩体拉伸破裂后杨氏模量劣化的力学机制,其在工程围岩稳定性仿真模拟中具有重要意义和价值;建立了工程岩体拉伸劣化关系式,研究了到岩体残余杨氏模量Er与裂隙发育程度GSIt的量化关系和拉伸劣化系数A的量化计算方法,可通过现场实测或理论经验估算劣化程度;研究了工程岩体拉伸劣化的算法流程,对flac3d内置的应变软化模型进行二次开发,增加了拉伸劣化算法,开发形成了工程岩体劣化模型仿真模拟方法。(4)以岩石力学试验数据为基础,采用hoek-brown强度准则进行岩体力学参数计算,针对理想弹塑性、应变软化和工程岩体劣化三种模型进行巷道数值仿真,并与现场实测结果进行对比分析,研究揭示了巷道围岩变形和支护体受力状态的峰后劣化效应。研究表明:回采巷道围岩峰后应变软化与拉伸劣化效应十分显著,工程岩体劣化模型的仿真计算更接近工程实际,验证了模型原理的可行性和算法模块的正确性,使基于连续介质的数值模拟过程更加合理严谨,为工程岩体的失稳机理分析、控制对策研究及支护设计优化等提供更可靠的仿真模拟方法,特别是对易受拉破裂的工程环境具有普遍的应用价值。(5)基于采动覆岩结构特征,分析了覆岩开采扰动范围的预测方法,研究得到采空区垮落带岩体压实过程的力学特性及其表达式,采用双屈服模型进行采空区模型参数反演,得到正确反映垮落带岩体压实特性的模型参数。采用工程岩体劣化模型和垮落带双屈服模型反演参数,研究了采高对采动应力场演化的影响规律,采高对超前支承压力分布、采空区应力恢复和侧向煤柱集中应力分布均有显著影响,大采高条件下,集中应力作用范围大,极限平衡区宽度大,采动影响剧烈。(6)采用二次开发的工程岩体劣化模型,研究了采动应力场的覆岩破裂劣化效应,揭示了覆岩裂隙带内裂隙发育程度对采动应力场演化的影响规律及其力学机制。裂隙带岩体的完整性和力学性质对采动覆岩三维结构运移有显著影响,随着裂隙带发育程度的增加,超前支承压力集中程度升高,侧向煤柱应力集中范围及其滞后距离有所缩小,采空区应力恢复有所差异。在回采巷道采动应力、区段煤柱稳定性、巷道煤柱尺寸与支护优化等采动影响模拟中,需要根据具体工程地质条件,采用覆岩破裂劣化算法,保证研究过程的正确性和结果的可靠性。(7)建立了大采高沿空巷道不同煤柱宽度flac3d三维数值模型,较真实地模拟巷道支护结构与沿空巷道力学状态演化,采用工程岩体劣化模型和参数反演后的垮落带双屈服模型,进行大采高沿空巷道掘进、支护及采动影响的动态仿真模拟,研究了沿空掘巷的围岩应力状态与拉伸破坏发育特征、围岩变形动态演化规律及煤柱尺寸效应、围岩采动变形演化规律及煤柱尺寸效应,通过综合分析优化了沿空巷道煤柱尺寸。研究表明,沿空巷道掘进期间两帮移近量和底鼓量较大,煤柱宽度为5m时围岩拉伸劣化范围和变形量最小,煤柱时3m次之,煤柱11m时围岩稳定性最差;大采高沿空巷道采动期间围岩变形迅速增加,两帮移近和底鼓显著,煤柱宽度为3m时围岩整体变形量最小,煤柱时5m次之,煤柱11m时围岩稳定性最差;基于数值模拟研究及现场试验分析,综合考虑矿山压力与支护、采空区隔离与通风安全、资源采出率与社会经济效益等方面,确定大采高沿空巷道合理煤柱宽度为5m,为相似条件沿空巷道布置提供了可靠依据。(8)基于巷道基础刚度效应及锚固支护理论,提出了“控帮护巷”支护原理,通过控帮支护现场试验研究,取得了较好的护巷效果,明显改善了巷道围岩稳定性,验证了控帮护巷原理的科学性、有效性和可行性。提出了锚杆锚索联合支护、长短锚杆联合支护、长锚杆等三种控帮护巷支护方式,数值模拟研究了大采高沿空巷道控帮护巷在掘进和回采期间的围岩变形破坏特征与控制效果。研究表明,通过控帮支护,沿空巷道两帮煤体的拉伸破坏范围和变形显著降低,顶底板变形明显减小,围岩稳定性显著改善;长锚杆控帮技术扩大了锚固深度与作用范围,促使围岩形成较大的有效锚固承载结构,同时发挥基础刚度效应,在不改变支护方式及密度的条件下,实现了低成本的有效控帮护巷是沿空巷道最优控帮技术。(9)基于基础刚度效应、现场支护试验和数值模拟研究,提出了“控帮护巷”的支护设计理念。对两帮软弱煤岩体巷道尤其是沿空巷道,科学合理的控帮护巷支护设计,立足于扩大巷帮锚固深度,通过控帮直接作用显著改善应力状态与力学性质,有效控制巷帮变形,并通过基础刚度效应抑制顶底板变形破坏,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。
【关键词】：煤矿巷道 岩体劣化 基础刚度 沿空巷道 围岩控制原理
【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】：2016
【分类号】：TD353
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-26
• 1.1 选题背景及研究意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-23
• 1.2.1 工程岩体力学特性研究现状16-19
• 1.2.2 沿空巷道煤柱及巷道围岩稳定研究现状19-21
• 1.2.3 煤层巷道围岩稳定性控制研究现状21-23
• 1.3 主要研究内容、研究方法和技术路线23-26
• 1.3.1 主要研究内容与方法23-24
• 1.3.2 技术路线24-26
• 2 大采高沿空掘巷围岩变形破坏特征26-36
• 2.1 现场试验工程背景26-30
• 2.1.1 矿井简况26
• 2.1.2 大采高工作面工程地质与技术条件26-29
• 2.1.3 大采高沿空巷道工程技术概况29-30
• 2.2 试验巷道围岩物理力学特性30-32
• 2.3 大采高沿空掘巷试验围岩变形特征32-35
• 2.3.1 大采高沿空掘巷围岩变形破坏状态及监测32-33
• 2.3.2 大采高沿空掘巷试验围岩变形过程33-34
• 2.3.3 大采高沿空掘巷试验围岩变形特征34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 煤层巷道基础刚度效应研究36-52
• 3.1 煤层巷道顶板力学模型36-42
• 3.1.1 平面应变条件下顶板稳定性分析36-37
• 3.1.2 Winkler基础悬梁模型建立37-39
• 3.1.3 模型求解39-41
• 3.1.4 巷道顶板弯矩和挠度表达式41-42
• 3.2 煤层巷道顶板弯曲变形规律42-45
• 3.2.1 算例参数选取42-44
• 3.2.2 巷道顶板岩层的弯曲变形及特征44-45
• 3.3 煤层巷道顶板的基础刚度效应45-49
• 3.3.1 顶板弯曲变形与抗弯刚度的关系46
• 3.3.2 顶板弯曲变形与基础刚度的关系46-47
• 3.3.3 顶板弯曲变形与基础厚度的关系47-48
• 3.3.4 顶板弯曲变形与垂直集中应力的关系48-49
• 3.3.5 顶板弯曲变形与巷道跨度的关系49
• 3.4 本章小结49-52
• 4 工程岩体劣化及数值模拟方法研究52-72
• 4.1 围岩力学性质与峰后破坏特性52-54
• 4.1.1 煤岩体峰前力学特性52-53
• 4.1.2 岩石的峰后脆性特性与破坏形态53-54
• 4.2 工程岩体拉伸劣化力学机制54-57
• 4.2.1 工程岩体剪切破坏强度弱化模型及其力学机制55-56
• 4.2.2 工程岩体杨氏模量劣化的力学机制及其意义56-57
• 4.3 围岩拉伸劣化特性与量化计算57-60
• 4.4 工程岩体劣化模型的数值模拟实现60-61
• 4.5 回采巷道围岩拉伸劣化效应研究61-69
• 4.5.1 数值模型建立61-62
• 4.5.2 岩体力学参数确定62-64
• 4.5.3 回采巷道围岩峰后劣化的变形效应分析64-66
• 4.5.4 回采巷道围岩峰后劣化的支护受力效应分析66-69
• 4.6 模型仿真模拟效果验证69-70
• 4.7 本章小结70-72
• 5 大采高工作面采动应力场演化规律72-90
• 5.1 采空区冒落岩体压实力学机制72-76
• 5.1.1 采场覆岩运移的基本特征72-73
• 5.1.2 覆岩开采扰动范围73-74
• 5.1.3 采空区垮落带岩体力学特性74-75
• 5.1.4 采空区模型力学特性的数值模拟反演75-76
• 5.2 数值模型建立76-77
• 5.3 工作面采动应力场演化规律77-83
• 5.3.1 工作面前后支承压力演化规律77-80
• 5.3.2 侧向煤柱集中应力与力学状态演化规律80-83
• 5.3.3 工作面采动应力场演化规律83
• 5.4 采动应力场的覆岩破裂劣化效应83-89
• 5.4.1 裂隙带岩体等效劣化模拟方法83-84
• 5.4.2 裂隙带发育程度对工作面前后支承压力分布的影响规律84-86
• 5.4.3 裂隙带发育程度对侧向煤柱集中应力分布的影响规律86-89
• 5.4.4 采动应力场的覆岩破裂劣化效应89
• 5.5 本章小结89-90
• 6 大采高沿空掘巷围岩动态演化规律与煤柱尺寸效应90-114
• 6.1 沿空掘巷数值模型90-92
• 6.1.1 三维数值模型90-91
• 6.1.2 模拟方案与巷道支护91-92
• 6.2 不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩应力状态与力学特征92-96
• 6.2.1 掘巷前煤柱内应力分布规律92-93
• 6.2.2 沿空掘巷围岩应力状态93-94
• 6.2.3 沿空掘巷围岩拉伸破坏发育特征94-96
• 6.3 不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩变形演化规律及煤柱尺寸效应96-107
• 6.3.1 沿空巷道掘进期间顶板变形演化规律96-100
• 6.3.2 沿空巷道掘进期间两帮变形演化规律100-103
• 6.3.3 沿空巷道掘进期间底板变形演化规律103-106
• 6.3.4 煤柱宽度对沿空掘巷围岩变形的影响规律106-107
• 6.4 不同煤柱宽度下沿空巷道采动变形演化规律及煤柱尺寸效应107-112
• 6.4.1 沿空巷道回采期间非对称超前支护107-108
• 6.4.2 大采高沿空巷道采动变形演化规律108-111
• 6.4.3 煤柱宽度对沿空巷道围岩采动变形的影响规律111-112
• 6.5 大采高沿空掘巷煤柱尺寸优化112-113
• 6.6 本章小结113-114
• 7 大采高软弱围岩沿空巷道控制原理与支护对策114-132
• 7.1 基于基础刚度效应的控帮护巷支护原理及现场试验114-119
• 7.1.1 煤层巷道控帮护巷支护原理114-115
• 7.1.2 沿空掘巷控帮护巷支护现场试验115-118
• 7.1.3 控帮护巷支护的现场试验效果118-119
• 7.2 控帮护巷支护技术与围岩稳定性控制研究119-129
• 7.2.1 控帮护巷支护技术方案119-123
• 7.2.2 沿空掘巷控帮护巷围岩拉伸破坏发育特征123-124
• 7.2.3 沿空掘巷控帮护巷围岩变形控制124-127
• 7.2.4 大采高沿空巷道控帮护巷采动围岩变形控制127-129
• 7.3 控帮护巷技术的作用机理及优化策略129-130
• 7.4 本章小结130-132
• 8 结论与展望132-136
• 8.1 主要结论132-134
• 8.2 主要创新点134-135
• 8.3 展望135-136
• 参考 文献136-146
• 致谢146-148
• 作者简介148-150

【参考文献】

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