深井巷道“双壳”支护壳体结构力学分析

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巷道支护是矿井建设的首要工程,巷道围岩稳定受到地应力环境、支护结构、支护强度、断面类型等多重因素影响。深部巷道围岩显现出变形量大、变形速率快、变形持续时间长、变形影响空间大、受采动影响敏感等变形破坏特征,在深部高岩应力作用下巷道围岩显现出明显工程软岩特性,深井软岩巷道治理是巷道支护的难题。本文在国家自然科学基金“深井巷道‘双壳’注浆加固支护机理研究(51174070)”研究基础上,结合工程实际发现巷道围岩变形失稳主要是围岩结构的失稳,支护结构的稳定是巷道支护的重点和关键。基于深井软岩巷道变形破坏特征,结合支护结构稳定性力学分析,提出了连续“双壳”治理深井软岩巷道围岩稳定的方法。针对深井高应力软岩巷道支护问题,采用现场实测、调研、理论分析、物理实验模拟、实验室试验和数值模拟等多种综合研究方法,对连续“双壳”形成的支护壳——让压壳耦合支护机理与技术进行了系统的研究,得到主要结论如下:(1)物理实验发现巷道围岩应力在变形发展过程中逐渐向深部转移,浅部围岩应力释放,中深部围岩成为应力主承载体;通过数值模拟对比分析圆形巷道与直墙半圆拱形巷道随埋深的变化,围岩应力、位移与塑性区发展规律,总结得出圆形巷道大幅降低深部巷道围岩移近量,减小围岩塑性破坏程度,降低围岩集中压力影响区域,有利于控制深井巷道围岩稳定,对巷道底臌治理尤为显著。(2)为研究巷道围岩蠕变变形规律,进行了岩石单轴及三轴蠕变试验,揭示了垂压、围压对岩石变形量及稳定性的作用;岩石强度极限后单轴及三轴蠕变试验说明了巷道围岩及时支护的意思,以及提高支护强度的原理。(3)基于改善巷道围岩力学性质、降低围岩支撑压力、转变围岩受力状态,提出了连续“双壳”支护理念,巷道围岩浅部注浆+预应力锚杆支护形成浅部支护壳,深部注浆+预应力锚索形成深部加固壳。浅部壳改善岩体力学性能,增大围岩内聚力和内摩察角,提高围岩强度和刚度,改变浅部围岩结构;深部注浆浆液充填胶结岩体裂隙,深部注浆体与锚索共同形成具有一定厚度的闭合环形壳体。(4)提出支护壳——加固壳耦合支护理论,分析了“双壳”耦合支护机理,提出了“合理选择巷道断面,维护巷道围岩结构,一次让压、二次抗压支护”的支护理念和“卸压让压,抗压阻压,卸让适度,让抗协调”的支护原则。
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