高应力巷道含层理围岩变形机理及应用研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woxiaosong
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煤和岩体由于强度及变形特征差异较大,导致含层理巷道在高应力条件下表现出非连续大变形特征,是煤矿现场经常遇到的难题之一。而现阶段的巷道支护理论大多基于完整岩层考虑,在含层理巷道中的应用效果并不理想。本文综合运用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场实践等方法,开展高应力含层理巷道围岩变形机理及控制技术研究。基于试验结果及理论分析模型,实现对损伤本构模型的二次开发,通过自定义本构模型对影响含层理巷道变形的界面刚度、界面位置、围岩岩性和围岩侧压系数等因素进行分析,提出了针对含层理巷道变形的“帮顶一体,控让结合”的控制原则。主要结论如下:(1)研究了变高度比、变围岩压力条件下,煤、岩及煤岩组合体峰值强度、峰后残余强度、塑性变形特征和能量转化规律。得到煤岩高度比、围岩压力与煤岩组合体强度的定量关系,发现了煤体峰后阶段的剪切滑移变形是造成含层理巷道非连续大变形的关键因素。(2)建立了煤岩组合体的损伤非线性模型,用含损伤阈值的岩石微元强度的度量方法定义损伤体的损伤起始点,给出了模型参数的求解方法;讨论了损伤模型参数、岩石内聚力c与煤岩组合体的峰值应变、峰值强度及峰后应力跌落速率之间的关系;并基于visual studio平台实现了损伤本构模型的二次开发。(3)研究了含层理巷道在有无界面、界面切向刚度、界面位置、帮顶岩性以及侧压系数下巷道的应力、变形特征和影响规律;利用侧压系数变化分析了巷道随着压力改变的渐进失稳过程,给出了煤岩巷道在不同压力条件下的支护薄弱点。(4)利用中国矿业大学自主设计的巷道灾害模型控制试验系统开展含层理巷道变形控制相似模拟试验,提出了帮顶斜锚索+帮部和顶板长锚索+直锚杆+锚网支护方案;试验证明了新型的支护方案可以有效限制帮部与顶板的滑移错动,从而减小巷道围岩变形失稳,增加巷道结构的稳定性。(5)提出了针对含弱层理面巷道“帮顶一体-控让结合”的支护思路,通过高强支护构件和高强预紧力给围岩更强的主动支护作用,利用顶板横向位移小的特点,给帮部煤体提供稳定的“着力点”,使锚杆和长锚索在围岩内部形成两层“支护壳”,中间的围岩充当缓冲层,起让压作用,充分调动围岩自身的承载性,做到控制与让压相结合。(6)结合现场地质雷达探测和钻孔窥视,设计并实施了高应力含弱层理面巷道支护方案,后期监测结果显示,加固段比未加固段两帮及顶底板的变形分别减小207%和170%,两帮滑移量及顶底板变形明显减小,体现了良好的支护效果,验证了本文研究结果的合理性和可靠性。研究结果为我国含弱层理面巷道支护提供理论依据和实际的参考意义。该论文有图164幅,表22个,引用参考文献201篇。
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