非对称条件深埋巷道“挤压—挠曲”复合底鼓机理及控制技术研究

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目前,矿井深度呈逐渐增长的趋势,这也使得现场许多大巷不得不面临底板稳定性问题。特别是一些受相邻掘进影响的巷道,产生了底鼓偏向一帮的特殊现象。同时在底鼓类型方面,受开挖影响浅部底板岩层破碎生成挤压流动性底鼓,而底板深部完整岩层受后续相邻巷道的掘进产生二次挤压,形成挠曲褶皱性底鼓。因此,正确认识这种非对称条件下深埋巷道“挤压-挠曲”复合底鼓机理,对类似底鼓的治理尤为重要。本文以阳煤五矿+211水平皮带运输巷为研究背景,通过现场矿压观测、理论分析、数值模拟、相似材料模拟以及现场工业性试验相结合的方法研究了非对称条件下深埋巷道底板变形特征、影响因素及防治措施。具体研究工作及获得的有益认识如下:(1)现场实测表明,深埋薄层状底板岩层非单一巷道底鼓具有以下特征:①地应力高;②底板岩层呈层状分布,且具有软岩性质,强度低;③相邻巷道的开挖存在先后次序;④底鼓峰值位于靠近一帮的位置;⑤底鼓形式为“挤压-挠曲”复合型。(2)对取样岩石进行力学实验,分析深埋条件下岩石抗压强度、弹性模量等力学参数的变化。结合Mohr-Columb强度准则和Griffith强度准则提出了一种新的综合岩体稳定性分级指标,以确定岩体以5、6级为主,并为工程决策提供行之有效的技术支持。(3)分析非对称支承压力影响下“挤压-挠曲”复合底鼓发生机理时,基于两帮支承压力分布规律和极限平衡区宽度的研究,结合岩层赋存条件建立“挤压-挠曲”复合底鼓模型并确定模型的边界位置。浅部挤压流动性底鼓分析时,假设存在位移为零的位置并结合变分原理进行推导;深部挠曲褶皱性底鼓分析运用了薄板弯曲理论。最终导出了底鼓峰值点位置及底鼓量的解析计算方法。(4)采用相似材料模拟试验,分析了深埋巷道开挖后底板垂直应力和水平应力以及破坏变形形态的一般规律,为后续非对称条件下深埋巷道“挤压-挠曲”复合型底板围岩变形规律提供可靠依据。(5)对非对称条件下深埋巷道进行数值模拟,分析了相邻巷道掘进影响下底鼓发生规律及偏向一帮的原因。(6)通过解析方程与数值模拟分析,得出底板岩层结构状态、支承压力分布特征、断面形状以及开挖次序是“挤压-挠曲”复合底鼓偏向一帮的重要影响因素。(7)采用数值模拟技术分别分析了巷道断面结构中顶板、两帮岩性变化时对底鼓的影响;小范围内巷道处于同一岩性的岩体结构对底鼓的影响;大范围内断层、褶皱对底鼓的影响,进而得到底鼓的一般影响因素。(8)结合力学推导及数值模拟技术分析了常见的高应力巷道底鼓控制技术的优缺点,以作为非对称条件下深埋巷道“挤压-挠曲”复合底鼓治理方案提出的基础。(9)针对阳煤五矿皮带运输巷的工程背景,运用理论公式对支护方案进行核算,提出了“非对称设计思路”以及“全断面锚注加固+底鼓峰值位置置换混凝土条块”的底鼓控制技术,并通过现场观测验证其合理性,进而为此类特殊底鼓现象的防治提供借鉴。
摘要第3-6页
ABSTRACT第6-8页
第一章 绪论第12-22页
    1.1 课题的研究意义第12-13页
    1.2 国内外研究现状第13-19页
        1.2.1 底鼓机理研究现状第13-15页
        1.2.2 巷道底鼓防治技术现状第15-17页
        1.2.3 数值仿真技术概况第17-18页
        1.2.4 存在的问题第18-19页
    1.3 论文主要研究内容与技术路线第19-22页
第二章 非对称条件下深埋巷道围岩变形破坏规律研究第22-36页
    2.1 岩体稳定性工程评价第22-29页
        2.1.1 岩石力学特征分析第22-25页
        2.1.2 岩石微观结构分析第25-26页
        2.1.3 岩体稳定性分级指标及基本原则第26-29页
    2.2 深埋巷道围岩稳定性监测第29-34页
        2.2.1 监测内容及测站布置第29-31页
        2.2.2 监测结果分析第31-34页
    2.3 本章小结第34-36页
第三章 邻近巷道掘进时深埋巷道“挤压-挠曲”复合底鼓机理分析第36-58页
    3.1 阳煤五矿皮带运输巷层状底板复合底鼓特征第36页
    3.2 非对称条件下“挤压-挠曲”复合底鼓机理分析第36-47页
        3.2.1 巷道两帮传递机理第36-41页
        3.2.2 底板最大破坏深度第41-43页
        3.2.3 “挤压-挠曲”复合底鼓模型第43-47页
    3.3 深埋巷道底鼓相似材料模拟实验第47-51页
        3.3.1 模型相似常数和基本参数第47-49页
        3.3.2 相似材料模拟结果分析第49-51页
    3.4 非对称条件下中间巷道数值模拟研究第51-55页
        3.4.1 模型的建立第51-52页
        3.4.2 模拟结果分析第52-55页
        3.4.3 模拟研究的主要结论第55页
    3.5 本章小结第55-58页
第四章 非对称条件下深埋巷道“挤压-挠曲”复合底鼓影响因素及控制技术第58-86页
    4.1 非对称条件下“挤压-挠曲”复合底鼓影响因素分析第58-70页
        4.1.1 底板岩层性质及结构状态对底鼓的影响第58页
        4.1.2 支承压力分布特征的影响第58-59页
        4.1.3 断面形状的影响第59-60页
        4.1.4 开挖次序的影响第60页
        4.1.5 顶板及两帮稳定性对底鼓的影响第60-61页
        4.1.6 岩体类型对底鼓的影响第61-66页
        4.1.7 特殊构造对底鼓的影响第66-70页
    4.2 高应力非对称条件下“挤压-挠曲”复合底鼓控制技术研究第70-79页
        4.2.1 底角锚杆(索)加固控制底鼓第70-72页
        4.2.2 混凝土反拱控制巷道底鼓第72-74页
        4.2.3 封闭式支架控制巷道底鼓第74-76页
        4.2.4 墩柱支护对巷道底鼓的控制第76-78页
        4.2.5 巷道全断面锚注加固支护技术第78-79页
    4.3 非对称条件下深埋巷道“挤压-挠曲”复合底鼓控制技术第79-83页
        4.3.1 全断面锚注加固+底鼓峰值位置置换混凝土条块治理思路第80页
        4.3.2 支护参数的确定第80-83页
    4.4 本章小结第83-86页
第五章 工业性试验研究第86-96页
    5.1 巷道治理前的底鼓状况第86页
    5.2 底鼓控制方案具体试验第86-89页
        5.2.1 实施方案前的准备工作第87页
        5.2.2 锚杆锚索控制机理及支护原则第87-88页
        5.2.3 技术路线第88-89页
    5.3 矿压观测及支护效果分析第89-94页
    5.4 本章小结第94-96页
第六章 主要结论与不足第96-100页
    6.1 本文的主要结论第96-97页
    6.2 论文的不足之处第97-100页
参考文献第100-104页
致谢第104-106页
附录A:攻读硕士期间发表的学术论文第106页
附录B:攻读硕士期间参与的科研项目第106页
附录C:攻读硕士期间参加的学术会议及进行的学术报告第106页
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