富水煤层巷道围岩变形破坏特征及控制机理研究

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地下水长期赋存于煤层巷道围岩结构面和孔隙中,经与煤体基质发生复杂的物理化学反应,引发围岩内部结构损伤、宏观力学性能劣化、承载能力下降、巷道变形破坏程度加剧,严重影响煤矿安全建设,因此,研究富水煤层巷道围岩变形破坏特征及控制机理具有重要的理论与工程意义。本文采用实验室试验、理论与数值分析以及现场监测相结合的手段,从宏细观分析了富水环境下煤体真三轴力学特性及劣化机理,研究了考虑煤体强度参数劣化的富水煤层巷道围岩变形破坏特征,优化了复合水泥浆液配比,揭示了注浆对破裂煤体的加固机理和对富水煤层巷道围岩的控制机理,提出了以注浆为核心的富水煤层巷道围岩控制技术,取得了如下创新性研究成果:(1)开展了不同浸水时间煤体真三轴压缩力学特性试验,获得了浸水煤体真三轴宏观力学行为以及空间破裂演化规律,揭示了煤体强度参数随浸水时间的劣化规律;结合浸水前后煤体微观形貌、孔隙结构和矿物成分含量等变化规律,揭示了水对煤体力学性能劣化的微观机理。(2)建立了非均匀地应力场下的富水煤层巷道围岩力学模型,引入了富水煤体强度参数劣化系数,基于Mogi-Coulomb强度准则,推导了富水煤体强度参数劣化系数影响下巷道围岩应力场、位移场和塑性区半径的理论表达式,结合算例揭示了富水环境下强度参数劣化系数、侧压系数和支护阻力等参数对巷道围岩变形破坏特征的影响规律。(3)开展了不同配比浆液粘度、流动度、析水率、凝结时间和结石体强度的正交试验,获得了性能稳定、安全可靠的复合水泥浆液材料配比;利用自行研制的注浆试验系统开展了破裂煤体注浆试验,结合超声波测速和真三轴压缩等手段,分析了复合水泥浆液加固体的波速特征、真三轴强度、变形和破裂特征,揭示了破裂煤体注浆加固机理。(4)运用FLAC3D软件建立了富水煤层巷道围岩注浆支护数值计算模型,分析了注浆对巷道围岩应力场、位移场和塑性区演化的影响规律,揭示了注浆对富水煤层巷道围岩的控制机理;针对富水煤层巷道的具体工程地质条件,提出了以注浆为核心的围岩控制技术,取得了良好的控制效果,为保障富水煤层巷道围岩的长期稳定性提供了科学依据和技术指导。该论文有图101幅,表10个,参考文献209篇。
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