深井高应力软岩硐室流变破坏特征及控制研究

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平顶山矿区作为典型的深部开采矿区,其开采深度已超过800 m,深部煤岩体的“三高”赋存环境给矿井巷道的支护带来严重不利影响。本文针对平煤某矿深部高应力软岩绞车房硐室,综合运用了现场实测、实验室试验、理论分析、数值模拟、工业性试验等方法对硐室的流变破坏特征、应力演化特征及围岩承载特性进行了深入研究,对硐室进行了有效修复,主要研究成果如下:(1)掌握了硐室地应力特点、围岩结构特点、物理力学参数及蠕变变形特征。硐室主要受水平地应力作用,水平地应力均值在24 MPa左右,侧压系数为1.22;硐室围岩松动圈发育深度为3.5 m左右,煤岩体的力学属性差,围岩破碎程度较高。明确了围岩岩样在5 MPa、10 MPa、15 MPa三种不同围压作用下的蠕变变形特征,随着轴向应力水平的提高,围岩蠕变过程中的稳态蠕变过程较短,很容易进入到加速蠕变破坏阶段;随着围压增大,岩样破坏时长和蠕变破坏强度增加。(2)改进了岩石流变本构模型,得出了影响围岩流变破坏特征的关键影响因素为应力差σ13、弹性模量E0、粘滞系数η2、η3。建立了硐室数值运算模型,明确了硐室围岩变形破坏和应力演化特征,硐室呈全断面持续大变形状态,在硐室顶底角及硐室大小断面连接处存在较高程度的应力集中,且随着时间推移,应力集中系数不断增高。深入分析了绞车基础的变形破坏特征,其破坏原因为基础两端受拉中间受压造成的受力不平衡,硐室围岩和底板的最大破坏深度在12 m左右。(3)明确了硐室围岩稳定的主要影响因素,建立了巷道内外承载结构力学模型,分析了围岩承载机理,研究了不同支护技术(架棚支护、底板卸压、锚索支护与注浆加固)对围岩承载结构及流变变形的控制效果,提出了“让、抗、置、注”围岩控制对策,对硐室内外承载结构进行优化,确定了围岩控制方案为“锚杆+金属网+喷浆+高强预应力锚索+全断面注浆+底板卸压”。(4)对提出的硐室围岩控制方案进行数值模拟验证,并开展工业性试验,检验了支护方式和支护参数的合理性。围岩变形监测表明,对硐室进行修复后,有效控制了硐室的流变变形,围岩顶底板及两帮变形量均控制在10 mm以内,保障了绞车房硐室的稳定性。研究成果可为深部软岩硐室的支护、围岩控制提供参考借鉴。该论文有图73幅,表17个,参考文献124篇。
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