深部缓倾斜软岩巷道非对称变形机理及稳定性控制研究

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煤矿进入深部开采后,在复杂地应力场的影响下,深部岩体呈现出非线性力学行为,深井巷道围岩的大变形及稳定性控制问题越来越突出[1]。而针对深部缓倾斜软岩巷道非对称变形破坏,其支护形式通常采用对称支护,由于支护体力学特性与围岩力学特性的不耦合,围岩首先在关键薄弱部位发生破坏,进而导致整个巷道的失稳。若提高全断面支护强度,满足周边高应力破坏严重部位的支护强度,而对破坏变形较小的部位采用同等的支护强度会造成支护成本的增加,材料的浪费等问题。因此充分掌握深部缓倾斜软岩巷道非对称变形机理,确定其支护关键部位,提出有效的支护对策是非常必要的。本文以新安煤矿+535回风石门为研究背景,通过现场工程地质调查、理论分析、数值模拟以及现场工业性试验相结合的方法分析了深部缓倾斜软岩巷道非对称变形的机理,研究了水平应力的方向、大小及围岩产状对深部缓倾斜软岩巷道非对称变形的影响作用。在此基础上提出了“关键部位加强支护”的非对称耦合支护对策,并在新安煤矿进行了工业性试验研究。主要结论如下:(1)通过现场观测及数值模拟分析表明,深部缓倾斜软岩巷道呈现出非对称变形特征为底臌偏向高帮,顶板下沉量偏向顶板左侧(低帮)、高帮位移量大于低帮的特征。(2)在不考虑岩层倾角对软岩巷道非对称变形影响下,采用数值模拟软件FLAC3D对最大水平主应力方向与巷道轴向夹角(0°、15°、30°、45°、60、°90°)对巷道非对称变形的影响进行了分析。(3)在不考虑最大水平主应力方向与巷道轴向夹角对巷道非对称变形的影响下,对不同侧压系数下缓倾斜软岩巷道非对称变形特征进行了数值模拟研究,分析了其对非对称变形的影响作用。(4)基于FLAC3D内置的cvsic黏弹塑性本构模型对深部缓倾斜软岩巷道围岩破坏过程进行了数值模拟分析,结合现场观测,将该类巷道的变形特征总结为:巷道围岩整体来压→底板非对称底臌→右帮中下部内挤变形→左帮中上部变形→顶板左侧破坏→不对称变形扩大→巷道整体失稳。(5)通过对缓斜软岩巷道岩层产状、应力场及数值模拟研究结果分析,确定了新安煤矿+535回风石门巷道非对称变形破坏的关键部位为巷道低帮肩角、高帮部位及高帮底角。(6)采用“关键部位加强支护”的非对称耦合支护对策对新安煤矿+535回风石门巷道进行了工业性试验研究,通过现场观测表明该技术能够有效地控制该类巷道的变形。
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