復(fù)雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著煤炭開(kāi)采深度與強(qiáng)度的不斷增加,因埋深大、斷面大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、水理作用和工程擾動(dòng)力等因素造成井巷圍巖環(huán)境劣化,導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)體破壞失效,基于淺部易開(kāi)采應(yīng)力場(chǎng)的圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)已難以確保井巷圍巖穩(wěn)定,井巷支護(hù)難題已成為制約礦井生產(chǎn)技術(shù)水平進(jìn)一步提高的瓶頸之一,亟需有新的井巷支護(hù)理論與技術(shù)來(lái)指導(dǎo)井巷工程維護(hù),確保煤礦的安全生產(chǎn),研究復(fù)雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　論文綜合應(yīng)用工

2、程地質(zhì)調(diào)查、理論分析、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法和手段,分析了復(fù)雜圍巖環(huán)境井巷圍巖失穩(wěn)破壞特征與演化過(guò)程,提出了多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合支護(hù)機(jī)理及控制技術(shù),并成功地將研究成果應(yīng)用于復(fù)雜圍巖環(huán)境井巷支護(hù)的工程實(shí)踐。得到以下主要成果:
　　(1)復(fù)雜圍巖環(huán)境是指井巷圍巖條件發(fā)生劣化,常規(guī)的施工或支護(hù)(維護(hù))方法無(wú)法滿足安全要求的地下工程環(huán)境,已成為決定井巷工程安全與否的主導(dǎo)因素。復(fù)雜圍巖環(huán)境的存在將導(dǎo)致井巷圍巖具有載荷大且多變,

3、位移大且方向各異;應(yīng)力分布復(fù)雜,變形特征復(fù)雜,破壞(運(yùn)移)形態(tài)復(fù)雜,即“二大三復(fù)雜”的變形破壞特征。
　　(2)提出了“多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)”的概念,認(rèn)為多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合控制技術(shù)是針對(duì)井巷地質(zhì)條件,圍巖應(yīng)力狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)、變形破壞特征以及相關(guān)因素發(fā)生系統(tǒng)性改變,以?xún)煞N或兩種以上不同介質(zhì)構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu)體相互作用(力學(xué)行為非線性耦合)而形成的系統(tǒng)支護(hù)形式。初次支護(hù)形成的小承載結(jié)構(gòu)體系,控制巷道塑性區(qū)的發(fā)展,使得圍巖蠕變減緩,并處于

4、相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);二次支護(hù)形成的―多層次的復(fù)雜耦合承載系統(tǒng)‖,即大承載結(jié)構(gòu)體系,改善巷道圍巖的物理力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài),確保井巷圍巖在服務(wù)期限內(nèi)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定。
　　(3)建立了大小承載結(jié)構(gòu)體系,揭示多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合條件下的“支架-圍巖”相互作用關(guān)系。小承載結(jié)構(gòu)體系是指由初次支護(hù)體、注漿體、破碎區(qū)錨固巖體及部分塑性區(qū)煤巖體等不同介質(zhì)間材料性能、結(jié)構(gòu)性能的耦合形成的人工承載結(jié)構(gòu)體系,在整個(gè)耦合支護(hù)系統(tǒng)中起到了主要承載作用;―大承載結(jié)構(gòu)體系‖是指由

5、錨索或高強(qiáng)度剛性支架等構(gòu)成的二次支護(hù)體、初次支護(hù)體、破壞區(qū)、塑性區(qū)的煤巖體,及部分彈性區(qū)巖體等不同介質(zhì)間材料性能、結(jié)構(gòu)性能的耦合形成的人工承載結(jié)構(gòu)體系。小承載結(jié)構(gòu)體系以承載能力的方式對(duì)深部破裂圍巖提供較高的徑向約束,使破裂巖體發(fā)揮應(yīng)力強(qiáng)化特性,控制該體系以外的承載結(jié)構(gòu)向圍巖深部擴(kuò)展的運(yùn)移速率;通過(guò)錨索等二次支護(hù)體對(duì)小承載結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行強(qiáng)化加固支護(hù),增強(qiáng)小承載結(jié)構(gòu)體系的承載能力,使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)由塑性極限平衡狀態(tài)恢復(fù)到彈性狀態(tài),抑制深部圍巖

6、發(fā)生流變,從而促使大承載結(jié)構(gòu)體系在服務(wù)期限內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)。采用彈塑性力學(xué)理論對(duì)小承載結(jié)構(gòu)體系的極限承載能力進(jìn)行了力學(xué)理論分析,推導(dǎo)出小承載結(jié)構(gòu)體系的彈塑性極限承載能力以其比值的計(jì)算表達(dá)式。
　　(4)復(fù)雜圍巖環(huán)境井巷工程支護(hù)原則為:優(yōu)化巷道斷面尺寸及幾何形狀,實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖在結(jié)構(gòu)上的耦合;及時(shí)封閉暴露圍巖,加強(qiáng)對(duì)地下水和底臌的防治;卸壓、讓壓、加固與支護(hù)相結(jié)合;分兩階段進(jìn)行耦合支護(hù)和實(shí)行設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)相結(jié)合。富水型復(fù)雜圍巖環(huán)境