深部傾斜巖層巷道非均稱變形演化規(guī)律及穩(wěn)定控制.pdf

1、本文采用工程調(diào)研、理論分析、物理模擬和數(shù)值計算等研究手段,總結(jié)歸納了傾斜巖層巷道頂板、底板和兩幫及四角的分區(qū)變形破壞特征,描述了不同區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布特征,闡明了巷道不同區(qū)域圍巖非均稱變形的產(chǎn)生機理,揭示了巷道圍巖不同區(qū)域不均勻變形的時空演化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了控制傾斜巖層巷道非均稱變形的穩(wěn)定控制技術(shù),并進行工程驗證研究。主要結(jié)論如下:
　　(1)深部傾斜巖層巷道圍巖變形表現(xiàn)出明顯的時序性特征。圍巖變形破壞的一般順序依次是巷道頂板

2、和巖層層面相切部位、巷道底板和高幫底角、低幫底角,最后發(fā)展到高幫肩角處。力學(xué)分析表明,巷道表面切應(yīng)力方向和巖層傾向夾角越小,非均稱變形的顯現(xiàn)時間越早,其中巷道高幫表現(xiàn)為拉伸破壞,低幫表現(xiàn)為剪切破壞。
　　(2)參與研制了20MPa-“三向五面”豎向主加載實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用新型模塊化設(shè)計,采用計算機集成控制和自動采集模型的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)υ噳K進行三個方向5個面的獨立伺服加載,每個面主動加載應(yīng)力為20MPa,各面加載互不干

3、擾,能夠根據(jù)設(shè)計要求較好地實現(xiàn)不同的三維應(yīng)力狀態(tài)。模擬試塊最大尺度為1000×1000×400mm。
　　(3)利用三維物理模擬實驗揭示了深部傾斜巖層巷道圍巖變形的非均稱特征。開展了30°和45°兩種傾角的實驗,測試分析均表明:巷道高幫表面變形小,但是內(nèi)部圍巖裂紋發(fā)育豐富,橫向裂紋沿巷道軸向相互貫穿;巷道低幫表面變形較大,但內(nèi)部橫向裂紋發(fā)育相對較少;巷道頂板高幫肩角的變形量小,低幫肩角變形量大;底板變形量表現(xiàn)出高幫底角處側(cè)變形量大

4、,低幫底角側(cè)的變形量小。大傾角時兩幫非均稱現(xiàn)象更加顯著,底板的非均稱現(xiàn)象減弱。
　　(4)采用數(shù)值模擬揭示了不同傾角下巷道圍巖非均稱變形的發(fā)展態(tài)勢。采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立了10°到90°角度范圍內(nèi)的14種不同巖層傾角的巷道模型,模擬結(jié)果表明:巷道底板變形非均稱性隨巖層傾角的增加而單調(diào)減小,當(dāng)傾角大于45°后底板變形非均稱性趨緩;巷道兩幫水平位移隨巖層傾角傾角增加而逐漸增加,垂直位移則逐漸減小;頂板位移峰值點在巖層和巷道相切點

5、兩側(cè),并隨巖層傾角增加而逐漸向低幫轉(zhuǎn)移,巷道頂板水平位移量逐漸增加,垂直位移量逐漸減小。當(dāng)巖層傾角小于15°或者大于80°時,巷道圍巖的最大主應(yīng)力等值線呈圓形分布,此時巖層傾角對于巷道主應(yīng)力分布影響小。當(dāng)巖層傾角大于15°而小于80°時,以巖層傾向和法向線為坐標(biāo)系,在每個象限的平分線上有較大的主應(yīng)力靠近巷道表面。巷道圍巖周圍的最大主應(yīng)力等值線呈“四葉草”型分布,其中分布中心在巷道中心。
　　(5)以30°傾角為例研究了圍巖應(yīng)力狀態(tài)

6、對巷道非均稱變形的影響規(guī)律。側(cè)壓系數(shù)等于1時,巷道圍巖位移等值線沿通過巖層和巷道切點的巖層法線左右對稱,巖層層間滑移離層顯現(xiàn)近似的對稱特征;側(cè)壓系數(shù)大于1時,巷道圍巖位移區(qū)集中在巷道兩幫內(nèi),層間滑移離層區(qū)集中在巷道頂?shù)装鍍?nèi);側(cè)壓系數(shù)小于1時,巷道圍巖位移區(qū)集中在巷道頂?shù)装逯?巖層層間滑移離層區(qū)集中在巷道兩幫。巷道圍巖位移量、圍巖位移范圍、層間滑移量、層間滑移范圍和巷道圍巖應(yīng)力大小成正比,應(yīng)力越大變形特征越明顯。
　　(6)提出圍巖

7、“應(yīng)力優(yōu)化-性能提升-結(jié)構(gòu)強化”技術(shù)思路,系統(tǒng)創(chuàng)新了控制非均稱變形的加固技術(shù)。提出了巷道圍巖優(yōu)先加固區(qū)的概念,即傾斜巖層在圍巖應(yīng)力作用下早期出現(xiàn)的非均稱變形破裂區(qū)域,將導(dǎo)致巷道圍巖的持續(xù)加速變形和結(jié)構(gòu)性失穩(wěn),應(yīng)優(yōu)先加固。
　　(7)提出采用注漿及注漿錨索深孔注漿相結(jié)合的分步全長錨固技術(shù)提升圍巖力學(xué)性能;結(jié)合優(yōu)先加固區(qū)和局部支護結(jié)構(gòu)強化技術(shù)、“三高”錨固技術(shù)和預(yù)應(yīng)力錨索桁架支護結(jié)構(gòu)強化技術(shù)控制圍巖支護結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié);通過構(gòu)建內(nèi)外承載